電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)論文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的PROFIBUS站點(diǎn)設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 論 文學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)240804061學(xué)院 淮陰師范學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化題 目基于單片機(jī)的profibus站點(diǎn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師熊樹 （姓 名） （專業(yè)技術(shù)職稱/學(xué)位） （姓 名） （專業(yè)技術(shù)職稱/學(xué)位）2011年5月摘 要：本文以某硬盤檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化改造工程為對(duì)象，針對(duì)該系統(tǒng)設(shè)備分散，數(shù)據(jù)傳輸信息量大，實(shí)時(shí)性和可靠性要求高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可用于該系統(tǒng)的分布式控制基于profibus-dp協(xié)議的io從站。根據(jù)分布式控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)，對(duì)微控制器08051 f040和協(xié)議芯片sp03開發(fā)io從站的硬件電路、軟件設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。給出基于profiubsdp的分布式控制

2、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與調(diào)試的方法，經(jīng)測(cè)試表明，io從站與監(jiān)控計(jì)算機(jī)和plc通信正常、可靠，實(shí)時(shí)性滿足了控制系統(tǒng)的要求。關(guān)鍵詞：08051f040；profibus-dp；io從站；sp03 taking a hard disk detection system automation reconstruction project for object, aim at the system equipment scattered, data information, the real time and reliability requirements higher characteristic, desi

3、gn a kind of can be used for the distributed control system based on profibus-dp protocol of i/o from the station. according to the distributed control system of the whole structure, working principle and characteristics of the micro controller 08051 f040 and agreement chip sp03 development i/o from

4、 the hardware circuit and software stand design process are the design. based on profiubs are distributed control system-dp network configuration and commissioning method, by test show that the i/o from standing and monitoring computer and plc communication normal, reliable, and meet the real-time c

5、ontrol system requirements.1、 引言52、 脈沖渦流檢測(cè)的理論52.1無(wú)損檢測(cè)理論分析52.2激勵(lì)脈沖與脈沖渦流信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系73、 comsol multiphysics介紹83.1 comsol multiphysics產(chǎn)生的背景及其歷史83.2 comsol multiphysics特點(diǎn)84、 模型建立95、 仿真結(jié)果分析106、 matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理126.1 matlab產(chǎn)生的歷史背景126.2 matlab的語(yǔ)言特點(diǎn)136.3用matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合147、 參數(shù)優(yōu)化仿真157.1激勵(lì)線圈等效模型167.2優(yōu)化后的仿真結(jié)果分析188、 結(jié)論19參考

6、文獻(xiàn)191、引 言 硬盤檢測(cè)程序是硬盤出廠前不可缺少的步 驟，檢測(cè)的過程是批量進(jìn)行的，而每塊硬盤的檢測(cè)耗時(shí)不一致，這對(duì)檢測(cè)監(jiān)控人員來說工作量非常大。因此通過自動(dòng)化改造可以節(jié)省人力資源，同時(shí)提高檢測(cè)系統(tǒng)的工作效率。 該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：8組共32個(gè)測(cè)試機(jī)柜，4套裝卸機(jī)械手1套傳送機(jī)構(gòu)1套分揀機(jī)構(gòu)、控制主機(jī)和監(jiān)視計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)中存在大量的io信號(hào)，而且各套設(shè)備與控制主機(jī)之間需要滿足實(shí)時(shí)通信的要求，為了使系統(tǒng)正?？煽康倪\(yùn)行，可以采用以下兩種方法：1)采用傳統(tǒng)的plc構(gòu)成集散型控制系統(tǒng)：2)采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式io系統(tǒng)。 采用第一種方案存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、稀線復(fù)雜和維修不便等缺點(diǎn)，具

7、有明顯的局限性。而采用第二種方案基本局限于國(guó)外產(chǎn)品，如西門子公司的基于profibus分布式io控制系統(tǒng)，wago公司基于canbus、devicenet、profibus分布式i0控制系統(tǒng)，但價(jià)格較高。因此，本文設(shè)計(jì)了基于c805 if040的profibusdpi，o從站用于該系統(tǒng)的分布式控制。2.硬盤檢測(cè)控制系統(tǒng) 硬盤檢測(cè)控制系統(tǒng)由西門子plc、內(nèi)置profibus通信卡的監(jiān)控計(jì)算機(jī)和自行開發(fā)的io從站構(gòu)成，并由profibusdp電纜連接構(gòu)成分布式總線控制網(wǎng)絡(luò)，總體結(jié)構(gòu)如圖1右圖一： 所示分布在現(xiàn)場(chǎng)的io從站連接各套設(shè)備，并通過profibus總線通信接口與總線網(wǎng)絡(luò)相連；控制系統(tǒng)由西門

8、子plc作為一類主站，監(jiān)控計(jì)算機(jī)作為二類主站編程和運(yùn)行監(jiān)控程序并通過總線適配卡與現(xiàn)場(chǎng)i，o從站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，構(gòu)成分布式控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分布式控制和集中監(jiān)管監(jiān)控功能?？刂葡到y(tǒng)中的監(jiān)控計(jì)算機(jī)選用研華公司的工控機(jī)(ipc)；plc選用德國(guó)西門子的s7-300(cpu 3152dp)；總線適配卡選用西門子公司的cp561 1，用來完成現(xiàn)場(chǎng)總線和監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。各個(gè)io從站之間通過專用屏蔽電纜互聯(lián)構(gòu)成prof ibus總線網(wǎng)絡(luò)，總線兩端連接profibus總線終端器，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。 2.profibusdp智能從站總體設(shè)計(jì)profibus是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)di

9、n19245、歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50170，目前已成為中國(guó)唯一的現(xiàn)場(chǎng)總 線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gbt20540-2006。profibus作為一 種不依賴于制造廠商的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，已 廣泛應(yīng)用于制造加工自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和樓宇 自動(dòng)化等領(lǐng)域中。原則上，profibus協(xié)議在任何微處理器上都可以實(shí)現(xiàn)，在微處理器內(nèi)部或外部安裝異步串行 通信接口(uart)即可完成?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，在 開發(fā)profibusdp從站時(shí)有以下兩種方案可供選 擇：1)單片機(jī)+軟件；2)單片機(jī)+profibus通信專 用asic。比較兩種設(shè)計(jì)方案：第一種方案硬件設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，成本較低，但要求開發(fā)人員透徹了解profibusdp的技術(shù)細(xì)

10、節(jié)，傳輸速率低于500，而且程序編寫工作量較大，這樣從站可靠性也不高。第二種方案利用硬件實(shí)現(xiàn)協(xié)議功能，傳輸速率可以到達(dá)12m，雖然硬件成本有所增加，但可以降低開發(fā)難度、提高從站的可靠性。經(jīng)綜合考慮，本文采用第二種方案設(shè)計(jì)io從站。 2.1.i.o從站硬件設(shè)計(jì) 對(duì)于測(cè)試機(jī)柜，io從站的作用主要是監(jiān)控硬盤檢測(cè)是否結(jié)束并記錄測(cè)試結(jié)果給分揀機(jī)構(gòu)提供參考；機(jī)械手、分揀和傳送機(jī)構(gòu)由plc通過io從站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制，其中包含有多個(gè)控制氣缸的電磁換向閥、行程開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及傳感器信號(hào)。 io從站除了滿足如上控制要求外，還需要有profibusdp通信接口， 為了使從站具有較高的適應(yīng)性和可靠性，本文采用功

11、能模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由c8051f040單片機(jī)和完整封裝了profibus-dp協(xié)議芯片spc3構(gòu)成其核心部分，其它還有16路數(shù)字量輸入，輸出、8路模擬量輸入/2路模擬量輸出、基于spc3的profibus總線隔離驅(qū)動(dòng)、rs232、開關(guān)設(shè)置地址及電源模塊等部分組成，詳如圖2所示: 211微處理器與spc3的接口設(shè)計(jì)微控制器和spc3是io從站的核心，微處理應(yīng)能夠通過輸入輸出接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，并能夠通過協(xié)議芯片spc3與主站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，本文選用的微處理是美國(guó)公司c8051f040，其突出的優(yōu)點(diǎn)是有與mcs51指令集完全兼容的高速cip一51內(nèi)核(峰值速度可達(dá)25mips)、多達(dá)64位可編程io

12、口線、片內(nèi)集成看門狗定時(shí)器、64k可在系統(tǒng)編程的flash程序存儲(chǔ)器、128be易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4352(4kb+256b)的片內(nèi)刪、支持jtag調(diào)試等。c805 1f040的片上資源很豐富，包 括8組io端口、a，d和da轉(zhuǎn)換器、多個(gè)中斷源、 增強(qiáng)型通用異步接收器和發(fā)送器(uart)，非常適 用于工業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，而且采用這種系統(tǒng)級(jí) soc芯片，在很大程度上可以減少外圍元器件的 數(shù)量，從而減少元器件間的走線，提高系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性。協(xié)議芯片spc3，包含有方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等。最大傳輸速率可達(dá)12m，可以自動(dòng)檢測(cè)總線上傳輸速率。該芯片內(nèi)部含有1

13、5kb的雙口ram作為spc3與軟件程序的接口。此外，spc3從初始化到正常工作，都由芯片內(nèi)部集成的狀態(tài)機(jī)來控制，不需要過多的人為干預(yù)。只要按正確方法對(duì)spc3中的寄存器和數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行初始化后，對(duì)其雙口ram進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作即可完成從站與主站間的通訊。微控制器c8051f040與協(xié)議芯片spc3的接口電路設(shè)計(jì)參考spc3芯片手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)完成。 212輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的要求，io從站具有16路數(shù)字量輸入輸出，8路模擬量輸入和2路模擬量輸出。數(shù)字量輸入接口用于連接各種限位開關(guān)、繼電器、可控 硅或電磁閥門等，輸入信號(hào)一般為0-24v或012v 直流電壓信號(hào)，因此該通道的最主要問題是

14、隔離 問題，如隔離不好，較強(qiáng)的電磁干擾就會(huì)引入到 系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)的正常工作。所以數(shù)字量的輸 入需經(jīng)過光電耦合器tlp521后接入c8051f040 的輸入接口，從而保證系統(tǒng)工作的可靠性。數(shù)字 量輸出接口，主要用于控制電磁閥門、繼電器、 指示燈、聲光報(bào)警器等，一般只具有開、關(guān)兩種 狀態(tài)的設(shè)備。根據(jù)所用器件的不同，有繼電器輸 出、晶體管輸出和晶閘管輸出等多種形式，輸出 0-24v或o一5v直流電壓信號(hào)。為提高從站的穩(wěn)定 性和抗干擾能力，輸出接口也使用光電耦合器， 將微控制器c8051f040輸出接口與現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)載完 全隔離。在輸出通道與光電隔離電路之后，通過 使用輸出驅(qū)動(dòng)芯片uln2803來增強(qiáng)輸

15、出接口的驅(qū) 動(dòng)能力。模擬量輸入接口主要用于傳感器信號(hào)的 輸入，由于c8051f040芯片引腳有8個(gè)專用于模擬 輸入通道，是8路12位分辨率的逐次逼近寄存器型 adc的輸入端?；谶@一點(diǎn)，該通道只需要經(jīng)過i v轉(zhuǎn)換電路接入c805 1f040模擬輸入端口即可。另外805if040內(nèi)部有兩個(gè)12位的dac轉(zhuǎn)換器，每個(gè) dac都具有靈活的輸出更新機(jī)制，允許無(wú)縫的滿 度變化并支持無(wú)抖動(dòng)輸出更新。 213總線通信接口電路設(shè)計(jì)profibusdp的數(shù)據(jù)傳輸是通過rs485接口實(shí)現(xiàn)的，為消除來自總線的干擾，需要采用雙路電源供電，對(duì)通信信號(hào)的輸入輸出通道進(jìn)行光電 隔離。協(xié)議芯片spc3的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求(rts)

16、、數(shù) 據(jù)輸入(rxd)、數(shù)據(jù)輸出(txd)引腳經(jīng)隔離后與 總線驅(qū)動(dòng)器相連。rs485總線驅(qū)動(dòng)器一側(cè)與9針d 型插座相連，另一側(cè)通過光耦hcpl7101與spc3相 連。在設(shè)計(jì)中采用能夠滿足12m波特率的總線 驅(qū)動(dòng)芯sn65als1 176，接收器在總線開路、斷路 和空閑時(shí)有故障安全保護(hù)功能。該部分電路設(shè)計(jì) 可參考spc3手冊(cè)。 2.2 i，o從站軟件設(shè)計(jì) 在從站設(shè)計(jì)中，硬件的選擇和電路設(shè)計(jì)會(huì)直接影響從站性能的穩(wěn)定和通信速度，io從站要完成與主站的通信任務(wù)和相關(guān)控制功能，還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的配套軟件。由于spc3集成了profibusdp協(xié)議的狀態(tài)機(jī)，使得c8051f040的主要任務(wù)在于初始化和啟動(dòng)

17、spc3、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、診斷事務(wù)及中斷事務(wù)處理等。這些功能可以通過keilc51程序開發(fā)來實(shí)現(xiàn)，程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，包括主程序、spc3初始化程序、spc3中斷處理程序、io接口程序、和外部診斷程序等：1) userspc3。c主程序。這部分主要完成spc3的初始化、啟動(dòng)、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以及診斷等功能。 主程序首先對(duì)單片機(jī)和spc3進(jìn)行正確的初始化。單片機(jī)初始化包括端口配置和時(shí)鐘初始化。spc3初始化包括 設(shè)置協(xié)議芯片的中斷允許、寫入從站識(shí)別號(hào)和地址、設(shè)置spc3方式寄存器、設(shè)置診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)和初始化長(zhǎng)度，并根據(jù)以上初始值得出各個(gè)緩沖區(qū)的指針和輔助緩沖區(qū)的指

18、針。根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度，確定輸出緩沖區(qū)和輸入緩沖區(qū)及指針口。spc3的初始化流程如圖3示：初始化正確后，啟動(dòng)spc3，數(shù)據(jù)輸入和輸出(輸入和輸出相對(duì)于主站而言)放在主循環(huán)中。spc3在接收到由profibus主站發(fā)送的不同輸出數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輸出標(biāo)志位(位于中斷請(qǐng)求字單元)，mcu通過輪循標(biāo)志位來接收主站數(shù)據(jù)。向主站傳送輸入數(shù)據(jù)時(shí)，spc3將實(shí)際采集到的應(yīng)用數(shù)據(jù)不斷地填入輸入緩沖區(qū)，并通過主循環(huán)不斷地刷新，以確保所有的輸入數(shù)據(jù)是最新的。2)intspc3c中斷模塊。這個(gè)模塊主要處理分配從站參數(shù)、組態(tài)數(shù)據(jù)檢查和從站地址設(shè)定等功能。在profibusdp中主要有以下的中斷參 考 文 獻(xiàn)1 任吉林.電磁檢測(cè)m.北京:航空工業(yè)出版社,1998.2 smith r a, hugo g r. transient eddy current nde for ageing aircraf-t capabilities and limitationsj.in sight,2001,43(1):14-25.3 c lauzon t,thollon g, nicolas a. flaws c