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1、目 录一、设计要求1二、设计作用与目的1三、所用设备及软件1四、系统设计方案14.1 系统总体设计24.2 系统工作原理2五、系统硬件设计35.1 各单元电路设计35.1.1 超声波液位探测仪表的发射电路35.1.2 超声波液位探测仪表的接收电路3六、系统软件设计56.1 超声波液位探测仪表的软件设计56.2 通信模块的软件设计76.2.1 对象字典的建立86.2.2 协议栈软件结构96.2.3 I/O模块的设备描述116.3 本章小节12七、设计中的问题及解决方法13八、嵌入式系统学习心得13九、参考文献14基于嵌入式系统的现场总线的研究与应用一、设计要求本系统基于嵌入式微处理器和单片机，通
2、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
3、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，
4、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
5、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
6、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
7、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，
8、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
9、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
10、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
11、；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
12、，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
13、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P87C
14、591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6 CLK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
15、。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
16、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
