基于嵌入式系统的现场总线的研究与应用文档格式.docx
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本系统基于嵌入式微处理器和单片机，通过CAN总线连接通信网络，另外还增加了一个USB-CAN节点，可以方便PC或便携式电脑随时通过USB接口接入CAN总线网络
本文通过给超声波液位探测仪表嵌入CANopen从站功能，详细的标准选择和相关的协议芯片选型方面提供参考。
主要目的是为现场总线系统的设计人员在设计系统的时候提供协议。
研究了协议栈软件的开发过程和软件的设计结构，并且结合相关的开发工具和CiA关于设备描述的相关子协议设计了超声波液位探测仪表的对象字典（OD）。
对象字典是实现仪表应用和CANopen通信功能的桥梁，是CANopen设计的核心。
二、设计作用与目的
本文通过为超声波液位探测仪表集成CANopen现场总线网络功能的设计过程，展示了嵌入式开发技术在现场总线智能仪表设计开发过程中的要点及步骤，为现场总线设备的研究开发人员提供实际的参考。
首先对超声波液位探测仪表的检测原理做了细致的研究，并设计了超声波液位探测仪表的硬件结构和软件主程序框图，分别给出了仪表的超声波发射电路和接收电路图以及超声波液位检测的子程序框图。
由于本文的主要目的在于研究现场总线嵌入式技术，因此对超声波液位探测仪表的内容作简略的介绍，重点是设计用于CANopen网络通信的通信模块，分为硬件设计和软件设计两个部分。
三、所用设备及软件
超声波液位探测仪、P87C591芯片、电压比较器LM311、D触发器
四、系统设计方案
应用超声波来探测液位的高度，首先要解决的问题是如何发送和接收超声波，超声波换能器就是完成这个任务的部件。
它是整个电路中最关键的部件，也叫做超声波探头，它的作用是完成电能与声能的相互转换。
发射换能器将其他形式的能量转换成超声能量，接收换能器将超声能量转换成其他易于检测的能量。
超声波探头使用最多的是由压电晶片（或压电陶瓷）制成的换能器。
超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。
其工作原理是：
当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。
前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。
4.1系统总体设计
超声波液位测量系统基于“回波测距”的原理。
由超声波的发射探头发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收探头接收。
测出从超声波发射脉冲串至接收到回波信号的传输时间，由于本文方法的特殊情况，声波在介质中传播的速度不再需要精确的计算。
因为在实际的计算当中并不需要声速的具体大小，只要保证液面到校准环和校准环到换能器的介质环境相同即可。
由于超声波液位探测对于数据处理的要求和硬件资源的要求有限，同时结合CANopen从站的协议栈软件的要求，在此选择PHILIPS公司生产的P87C591芯片作为信号处理的MCU。
图1是系统的原理框图。
图1超声波液位探测仪表的硬件原理框图
4.2系统工作原理
系统的工作原理：
在系统上电之后，单片机的引脚发出一个40KHz的发波脉冲，经过发射电路的加工和处理驱动超声波换能器发射超声波。
同时单片机中的计时器开始计时，超声波在遇到介质的界面是发生反射超声波换能器接收到回波，经过接收电路的处理，将接受到超声波的信号告知单片机，同时读取计时器的时间，计算出超声波从发送到第一次收到的时间间隔（t1-t0），在第二次收到回波时，停止计时器的工作，并且计算第二次收到回波的时间间隔（t2-t0）。
五、系统硬件设计
5.1各单元电路设计
5.1.1超声波液位探测仪表的发射电路
超声液位测量系统以P87C591型单片机为控制核心，其外围硬件电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路以及串行通讯接口电路等。
下面对发射电路和接收电路做详细的介绍。
通信接口电路将在通信模块部分做详细的介绍。
发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。
驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。
发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。
而要获得足够大的能量，则可用三极管、场效应管、变压器等实现。
本设计中采用的是由单片机发出40kHz的方波，并由三极管和变压器对其升压放大，驱动超声波发射探头发射出能量足够大的超声波。
由于单片机P2.0管脚输出的方波电压只有5V，其驱动能力无法达到驱动超声波换能器的要求，系统选用三极管9013对单片机发出的方波信号进行放大，并用变压器升压，使得加在超声波发射探头上的电压达到驱动其工作的能力，并且发射出的超声波能量足够大，可传播较远的距离，达到测量的目的。
发射电路如图2所示。
图2发射电路
由单片机P87C591的P2.0管脚发出频率40kHz的方波，经由2.2K欧的电阻与三极管9013基极相连，组成共射基放大电路将信号放大，再利用变压器为其升压。
驱动超声波发射探头发出能量足够大的超声波，并传播较远的距离，实现测量的目的。
5.1.2超声波液位探测仪表的接收电路
超声波接收探头在接收到回波信号后，压电晶片将信号转换成了电压信号（正弦波）。
因此需要将正弦波转换为方波信号，所以这里使用了电压比较器LM311，输出方波信号控制D触发器的时钟端，D触发器将中断信号送至单片机，在中断服务程序读取计时器的时间，从而获得超声波传播时间，进而计算出液位高度。
超声波信号在传播过程中，由于介质吸收、声束扩散等原因会发生衰减，因此接收到的回波信号很弱，需要先经接收电路进行两级放大。
因此，接收电路实现超声回波信号的滤波放大、整形及产生中断信号的功能。
超声波接收电路原理框图如图4.4所示。
图3接收电路原理图
接收换能器在接收到回波信号之后，通过由LM833N运算放大器组成的比例放大电路，实现信号的放大。
如图4.5所示。
图4接收电路放大部分电路图
接下来是要对信号进行滤波和整形，图中P1.4引脚接的是可控硅，当P2.0开始产生40KHz的方波信号时，P1.4高电平，可控硅开关导通接收换能器的两端都与地相连可以避免接收到发射换能器发出的超声波信号。
由于单片机只接收方波信号，所以还要将信号进行整形处理。
本文中采用的是集成的电压比较器LM311将正弦信号转换为方波信号作为D触发器的时钟信号。
回波信号经放大电路放大后，由电压比较器LM311将正弦波转换为方波，其输出信号作为D触发器的时钟信号。
D触发器的D端接单片机的PI.2管脚。
平时该管脚置成高电平，当单片机发送完方波信号后，在允许外部中断0中断的同时，将P1.2置成低电平；
当接收到回波信号，并将其转换成D触发器的时钟信号后，D管脚的低电平将通过D触发器的Q端送出，作为单片机的外部中断信号，实现对回波信号计时的目的。
六、系统软件设计
6.1超声波液位探测仪表的软件设计
系统的整个软件采用模块化的设计方式，将不同的功能模块设计成不同的相互独立的功能块，这样方便程序的开发和调试，以及功能的扩展和程序的移植。
本小节主要是完成超声波液位探测子程序的开发和系统总体软件的结构框图。
系统的CANopen通信子程序将在下面章节的内容中详细描述。
首先是系统的主程序，完成单片机的初始化即各种内部模块和寄存器的设置、数值计算及存储功能的初始化。
在初始化完成之后就是打开系统的各种中断源，等待不同的终端和完成相应的中断子程序。
图5为系统的主程序框图：
图5系统的主程序框图
测量子程序完成超声波液位探测的功能，它控制超声波发射电路的发射和接收电路的接收，以及液位数据的计算。
因为本设计中需要接收两个回波信号，所以需要使用两个计时器T0和T1，在发射超声波时P1.4引脚加高电平使接收换能器屏蔽发射信号在发射结束时P1.4引脚加低电平，接收电路正常工作。
在接收到第一个回波信号时，通过信号的处理判断信号的真伪，若为真，停止T0，同样接收到第二个回波信号时停止T1，然后根据原理部分的计算公式计算液位的高度，并且存入相应的变量，供LCD显示子程序和通信子程序的调用。
图6为测量子程序的框图：
图6超声波液位探测子程序框图
现场总线设备的硬件系统包括传感器、信号处理、现场总线通信、CPU控制、存储器、数码或液晶显示、控制输出接口和电源等几大模块。
图7显示了现场总线设备的一般硬件结构。
图7现场总线设备的一般硬件结构
各个模块在设备中执行着不同的任务，协同工作，共同完成设备的各项功能。
传感器完成物理信号的采集，得到电压电流信号，模拟数字信号处理是设备采集测量数据的前端，对原始信号进行滤波和放大处理，再对其进行模数转换。
而现场总线的接入使得设备不再是独立的运行单元，实现了整个系统的互联。
结合CANopen协议运行的要求和超声波液位探测仪表的特点，通信模块采用PHILIPS公司生产的P87C591芯片，该芯片自身带有CAN控制器，给整个系统的硬件电路的设计带来了方便。
P87C591是一个单片8位高性能微控制器具有片内CAN控制器是80C51微控制器家族中非常优秀的一员它采用了强大的80C51指令集并成功地包含了PHILIPS半导体SJA1000CAN控制器强大的PeliCAN功能。
P87C591全静态内核提供了扩展的节电方式振荡器可停止和恢复而不会丢失数据改进的1：
1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期即6CLK工作模式。
综上所述，现场总线仪表的嵌入式硬件设计主要是选择合适的MCU和总线控制芯片，以及按照物理层的要求根据不同的通信介质选择收发器芯片。
硬件的设计与系统的要求密切相关，比如仪表需要现场显示屏幕，那么就要在选用MCU的时候考虑添加LCD控制芯片。
因此硬件设计是根据仪表的不同要求而变化的，在本例中主要是为了实现CAN网络的通信，同时MCU要能够满足实现CANopen协议功能所需的硬件资源要求。
P87C591就是一款满足要求同时在设计复杂程度和经济方面较为合适的芯片。
6.2通信模块的软件设计
通信模块设计的重点在与软件模块的设计，因为CANopen协议作为CAN网络的高层协议，在硬件上很大程度与普通的CAN设备是一致的，只有在运行CANopen协议栈软件方面可能需要的硬件资源有所区别。
而且在CANopen网络中主设备可从设备也有很大的区别，主设备需要完成的功能比从设备要多，主设备要完成网络管理、层管理、系统管理和时间相关的管理。
而从设备需要实现的功能比主设备少很多。
主要是完成过程数据的传输，服务数据的传输。
对于超声波液位探测仪表来说，需要实现的功能是CANopen的从设备功能，因为它不需要作为网络的控制器，主要是完成测量结果的发送，和相关配置数据的接受，在CANopen协议中最小实现集，就可以满足相关的功能。
软件设计主要分为以下几个方面，首先是CANopen的核心，对象字典的实现，对象字典以EDS的格式保存，可以通过对象字典了解设备相关的全部过程数据和通信相关的参数。
设备中的数据要按照对象字典中的描述来建立，可以通过C语言的结构类型来定义对象字典中的变量，也可以使用专门的工具来建立OD，同时生产C源文件，方便以后的调用。
软件模块的核心是CANopen协议栈的实现。
目前，协议栈的开发有两种形式，一种是公司组织开发维护的源代码，这种源代码的特点是性能、兼容性和技术支持比较好，但是一般的售价都比较贵；
另一种是个人开发和维护的源代码，这种是开源软件，可以从互联网上下载，比如CanFestival。
针对超声波液位探测仪表的CANopen集成问题，其核心是实现模拟信号或者数字信号的CANopen设备行规，在CiADSP-401中对标准的I/O模块做了规定，CiADSP-4XX系列规范是设备相关的规范标准，对不同的标准设备做了统一的规定。
在这个部分为每一种常规的设备指定了相关的应用对象、增强的出错对象还有默认的PDO映射关系，它包括了强制对象、可选对象和生产商指定的对象。
设备描述子层使用了对象字典中的6000h到9FFFh的范围。
下面将分别对上述的3个部分的内容进行探讨，分别是设备的对象字典、通信协议栈和设备描述的相关内容：
6.2.1对象字典的建立
通过第三章中的描述可知，对象字典是连接设备的网络层和应用层的中介，对象字典包含了设备相关的所有数据，包括设备的过程数据、配置数据还有网络通信相关的各项参数，因此设备的对象字典的建立是非常重要的。
设备的对象字典一般是保存在格式为EDS的电子文档中，提供对设备各项参数的查找。
设备的对象字典可以通过多种语言来实现，但目前常用的还是以ANSIC源代码的格式来实现。
因为这种方式比较便于系统的调用和集成编译。
为了快速的建立一个符合规定的设备对象字典，可以使用一些开发工具，比如SYSTECelectronicGmbH公司的ODBUILDER软件，使用该软件可以方便的添加和修改对象字典中的条目，同时还可以检查对象字典中的兼容性，最为主要的功能是通过该工具可以方便的生成符合要求的对象字典的C语言源文件。
图8是使用该软件建立通用I/O设备对象字典的一个例子。
图8ODBuilder建立的标准I/O模块的OD
在按照设备描述的先关要求建立了满足I/O标准模块要求的对象字典之后，接下来最为主要的任务是实现CANopen协议的协议栈软件，目前市场上有很多商用的CANopen协议栈软件，比如上面提到的SYSTECelectronicGmbH就提供相关的产品，但是往往都比较昂贵，网络上也有很多开源的CANopen协议栈软件可以下载。
我们可以通过对这些开源的协议栈软件进行修改来实现自己希望完成的功能，再通过试验来检查它的稳定性和可靠性。
6.2.2协议栈软件结构
通常完整的协议栈软件需要包括很多的内同，包括网络管理相关内容，比如NMT控制从站的状态，发送SYNC对象，实现心跳报文，节点保护功能等等。
节点配置相关的内容，实现SDO的接受和发送。
过程数据的传递，实现PDO的发送接收等等。
对于本文提到的标准输入输出模块来说，只需要按照从节点的要求来设计。
实现的复杂程度比网络的主节点要低很多。
为了能够发送测量的结果，必须实现PDO的发送功能，为了能够对节点进行相关的过程参数的配置，必须实现SDO功能，同时为了能够相应主节点对节点的控制，还需要实现NMT主从通信模式中的从节点的相关内容。
对于输入输出模块而言，要实现的接受功能有过程数据的接受（RPDO），状态机信号的接受，还有服务数据的接受SDO，同步信号的接受（SYNC），NMT的错误控制接受等等。
对于整个系统来说需要一个能够接受这些报文，并且可以按照不同的报文调用不同的处理函数来完成相关的处理。
在软件实现时可以实现下面的函数来处理不同的报文。
NMT状态机信号接受处理proceedNMTstateChange（）;
同步信号接受处理proceedSYNC（）;
PDO接受proceedPDO（）;
SDO接受proceedSDO（）;
NMT错误控制信号接受proceedNMTerror（）;
下面是从站中报文接受处理的流程图：
图9从站报文接受处理流程图
在接受到不同的报文之后进行后续的处理，不同的通信模式采用不同的处理方式，比如接受到PDO的数据之后，将数据保存到对象字典之后就可以了。
当接受到一个请求发送PDO的报文，就需要访问对象字典，调用相关的函数，比如COB-ID生成函数、PDO报文的生成函数，组成相应的报文再进行发送。
不同的通信方式不同的报文对象都有不同的处理方式，这也是协议栈需要解决的任务。
下面就PDO的实现流程给出相应的流程图。
当接受到PDO请求的报文时，根据协议要求和对象字典中的映射关系通信参数建立相应的PDO报文，发送请求响应。
还有就是PDO以周期性的方式主动的发送。
图10是发送和接受PDO报文的流程图：
图10发送和接受PDO报文的流程图
在流程图中使用的PDOmGR是PDO管理接口函数，用于完成PDO的发送和接受之间的协调，使PDO的发送和接受不会发送冲突。
可以看出设备在接受时，可能接受到的是PDO的请求，可以通过相应的响应函数完成PDO报文的应答，还有一种接受到的是PDO的数据报文，这种情况只要将报文中的相关数据，通过proceedPDO方法将数据对象存储到对象字典中就可以了。
在发送是也有两种情况，一是发送PDO报文的请求发送报文，可以直接将相关信息通过sendPDO（）来发送，另一种是发送PDO的数据报文，需要调用buildPDO（）这个函数来建立PDO，它需要完成设置COBID、设置PDO号、还要通过映射参数完成数据的映射，根据通信参数设置传输类型，调整低位字节首先发送等等内容。
6.2.3I/O模块的设备描述
对于标准的输入输出设备，CiA提供了相应的规范标准，按照这样的规范标准设计对象字典中的对象，可以实现现场总线设备的互用性和互可操作性。
对于标准的I/O设备CiA的DSP-401规范做了相应的规定。
由数字标准输入设备描述的规范可以看出，对象字典中的不同的条目起到了不同的作用。
例如可以通过设置6005h这个对象，使设备具有输入改变时自动发送PDO的功能，也可以去除这个功能。
实现极性控制的6002h和6003h是可选对象，在设备中可以实现，也可以不实现。
TPDO可以在设备的输入发送变化时，也可以是在相应的计时器结束时，启动发送。
一个循环同步的TPDO在接受到设定的同步信号之后发送。
非循环的同步TPDO在接收到一个远程帧或者输入发送变化时，在下一个同步信号之后发送。
标准模拟输入的设备描述在默认情况下，标准的模拟输入设备的TPDO是不会发送的，需要通过对象6423h进行设置。
标准设备描述为该模块提供了很多可选的发送触发对象，通过这些对象可以进行许多设置。
所有的上下限还有差值对象都可以用整型、无符号或者浮点型数据来实现。
综合上面的内容，CiA的设备描述提供了常用的设备需要实现的对象字典中的对象，以及他们之间的关系。
I/O模块的实现是CANopen网络集成化实现的重要部分，通过该模块可以将许多传统的现场设备通过I/O模块集成到CANopen的网络中去。
CiA的关于I/O设备的描述还有数字接受和模拟接受设备，由于本文讨论的是超声波液位探测仪表的CANopen实现，因此只对数字和模拟输入设备做了详细的讨论。
6.3本章小节
本章的主要内容是实现超声波液位探测仪表软硬件设计和CANopen通信功能。
首先本章对超声波液位探测仪表的相关原理做了简略的简绍，并且根据相关的软硬件要求设计了硬件和软件模块。
然后主要是讨论仪表的通信功能的实现。
通信功能实现的关键是通信模块的实现，对通信模块的硬件设计和软件设计详加讨论。
本文的前半部分着力于多种常用现场总线的研究和相关协议芯片的收集和相关特性的对比。
这为通信模块的硬件设计提供了相关的参考。
在完成硬件设计之后就是实现通信模块的软件，通过对于设备相关要求的分析，得出实现的关键是标准I/O模块的实现，由于该实现需要完成的是CANopen的从站设备，根据从站设备的要求，对整个软件的开发分为：
对象字典、协议栈软件的开发。
在设计对象字典时按照I/O标准设备的描述来建立相关的设备对象。
通过对这个开发例子的研究，为嵌入式开发技术在现场总线中的应用提供了一些参考。
为不同的总线协议的嵌入式开发提供了一种统一的具有参考意义的设计方法。
那就是通过使用相关的协议芯片来组成设备的通信模块，在通信模块上，通过嵌入式的方法实现相应的协议栈软件，完成协议相关的功能。
通过该方法可以将传统的仪表方便的集成到各种不同的现场总线中。
当然不同总线的具体开发流程是不完全相同的。
七、设计中的问题及解决方法
本文通过为超声波液位探测仪表集成CANopen现场总线网络功能的设计过程，展示了嵌入式开发技术在现场总线智能仪表设计开发过程中的要点和步骤，为现场总线设备的研究开发人员提供实际的参考。
论文对超声波液位探测仪表的检测原理做了详细的研究，并设计了超声波液位探测仪表的硬件主体图和软件主程序框图，分别给出了仪表的超声波发射电路和接收电路图以及超声波液位检测的子程序框图。
通过给仪表嵌入式集成CANopen的通信功能，详细的研究了协议栈软件的开发过程和软件的结构框图，并且结合相关的开发工具和CiA关于设备描述的相关要求设计了超声波液位探测仪表的对象字典（OD）。
现场总线仪表的嵌入式集成技术将会呈现两种发展方向：
一种是采用发展较为成熟的研究型企业的产品，这种方案的经济要求较高，但是可以为产品的研发提供较高的安全性和稳定性，产品的维护和升级也较为方便，提供了大量的集成开发环境，可以方便快速的开发相关的产品。
另一种是采用网络上的相关开源的软件代码，通过适当的移植集成开发相关产品，该方案的优点是开发成本低，但是产品的稳定性和安全性得不到保证，需要通过大量的试验来检测其性能。
产品的开发周期较长。
软硬件的快速发展，必将为现场总线嵌入式技术的发展提供强大的支持，工业控制要求的不断提升，也必将推动现场总线嵌入式集成技术的快速发展。
八、嵌入式系统学习心得
本论文是在张晓虎老师的悉心指导下完成的，在学习期间，我一直受到张老师在学术上的科研精神的影响，不断的提升自我。
他对学术认真负责的态度和对教学科研工作的敬业精神使我深深感动；
同时，他渊博的学识、严谨的治学态度、求实的科研作风给我留下了深刻的印象，使我终身受益。
同时，我要对支持过我的所有其他老师和同学致以诚挚的谢意。
磕碜设计就要结束了，这次的课程设计工作大大提高了我发现问题、分析问题和解决问题的能力，使我掌握了控制系统的软硬件开发和调试的方法，也加强了我勤奋严谨的科研作风，所有这些都将对我今后的工作、学习和生活产生积极的影响。
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