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　　【摘要】： 目前我國正在深山峽谷地區(qū)建設(shè)一批水電站,地質(zhì)地形條件復(fù)雜,邊坡的穩(wěn)定性問題是這些工程項目所面臨的共同技術(shù)難題。安全監(jiān)測是掌握邊坡穩(wěn)定狀況的有效手段。但邊坡監(jiān)測和常規(guī)大壩監(jiān)測相比有其特殊性,實現(xiàn)自動化監(jiān)測存在技術(shù)上需要克服的問題。 本文針對青海拉西瓦水電站大壩右岸高邊坡安全監(jiān)測的需要設(shè)計了一個大型遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包含通訊系統(tǒng)、上層軟件和底層測量模塊三個部分。本文重點介紹通訊系統(tǒng)和上層管理軟件的相關(guān)內(nèi)容。 考慮到拉西瓦水電站高邊坡安全樞紐監(jiān)測系統(tǒng)的特殊性:測點多、儀器設(shè)備多,而且測量設(shè)備之間距離差異較大,距離主控制室較遠(長達5Km)。因此,本文選擇CAN總線作為通信系統(tǒng)報文協(xié)議的載體,主要實現(xiàn)兩方面的功能:一方面將上層用戶的命令傳送給底層測量模塊;另一方面將底層測量模塊采集到的傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的傳送給上層管理軟件,供上層用戶分析和處理。 針對通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計,本文將介紹模塊的硬件和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計方面,本文選取C8051F040微控制器作為通信系統(tǒng)的控制核心,還選取了一些新型高速、功能強大的外圍芯片,使硬件設(shè)計更為合理、簡單和可靠。由于拉西瓦水電站邊坡監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋面大(10Km×10Km),為了提高通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性并保證適當(dāng)高的通信速率,需要在網(wǎng)絡(luò)中加中繼器。本文首次在通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中采用基于SPI的雙MCU的CAN網(wǎng)絡(luò)中繼器模塊,以實現(xiàn)對通信鏈路中的信號放大,并對數(shù)據(jù)報文進行路由和轉(zhuǎn)發(fā)。此方法在國內(nèi)尚處在試驗階段,但其意義卻顯得非常重要。軟件設(shè)計方面,根據(jù)CAN2.0A、CAN2.0B和SPI的協(xié)議規(guī)范,充分利用報文的幀格式,設(shè)計合理的通信協(xié)議,完成了主機節(jié)點、中繼器和底層通訊節(jié)點的通訊軟件設(shè)計。上層管理軟件方面,本文介紹了串口通訊的相關(guān)內(nèi)容。 此外,通過對遠程網(wǎng)絡(luò)等效電路的分析,并對所設(shè)計的系統(tǒng)進行測試實驗,搭建模擬遠程電路,沒有發(fā)現(xiàn)丟包情況,并且76ms成功發(fā)送接收一次數(shù)據(jù),如果加上中繼器138ms成功發(fā)送接收一次數(shù)據(jù),驗證了通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊具有良好的穩(wěn)定性和實時性,已經(jīng)基本滿足高邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)的要求。 【關(guān)鍵詞】：邊坡 大型遠程監(jiān)控 F040 CAN 中繼器 SPI
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TP277
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2010.019407
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 課題的研究背景及意義11-12
• 1.2 控制系統(tǒng)的發(fā)展12
• 1.3 現(xiàn)場總線的定義和技術(shù)特點12-13
• 1.4 幾種有影響的現(xiàn)場總線13-16
• 1.4.1 CAN總線14
• 1.4.2 PROFIBUS總線14
• 1.4.3 LON總線14-15
• 1.4.4 RS-485 總線15
• 1.4.5 基金會現(xiàn)場總線15-16
• 1.5 CAN總線與其他總線性能比較16-18
• 1.5.1 CAN總線與DCS、PLC控制系統(tǒng)性能比較16
• 1.5.2 CAN現(xiàn)場總線與RS-485 總線比較16-17
• 1.5.3 專用和通用CAN總線系統(tǒng)性能比較17-18
• 1.6 本文所做的主要工作18-21
• 第2章 控制器局域網(wǎng)技術(shù)規(guī)范21-31
• 2.1 CAN總線產(chǎn)生與發(fā)展21
• 2.2 CAN總線的相關(guān)概念21-23
• 2.3 CAN總線特性23-24
• 2.4 CAN總線的分層結(jié)構(gòu)24-25
• 2.5 CAN總線報文傳輸25-27
• 2.5.1 幀格式25
• 2.5.2 幀類型25-27
• 2.6 CAN總線位數(shù)值表示27-28
• 2.7 傳輸距離與位速率28
• 2.8 多主和多節(jié)點接收28-29
• 2.9 數(shù)據(jù)安全性29
• 2.10 本章小結(jié)29-31
• 第3章 大型遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計31-45
• 3.1 大型遠程高邊坡監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)31-32
• 3.2 樹型高邊坡多個CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)32
• 3.3 硬件系統(tǒng)器件選擇32-39
• 3.3.1 MCU的選擇32-35
• 3.3.2 電壓轉(zhuǎn)換芯片A5111735-36
• 3.3.3 CAN總線收發(fā)芯片SN65HVD25136
• 3.3.4 雙通道數(shù)字隔離器ADuM120136-37
• 3.3.5 CP2101 特性和原理37-39
• 3.4 CAN節(jié)點的設(shè)計39-43
• 3.4.1 主機節(jié)點功能設(shè)計39-40
• 3.4.2 主機節(jié)點硬件電路設(shè)計40-43
• 3.5 本章小結(jié)43-45
• 第4章 系統(tǒng)通訊軟件規(guī)劃與實現(xiàn)45-67
• 4.1 C_CAN設(shè)計方法45-46
• 4.2 C8051F040 中的CAN控制器46-49
• 4.2.1 C8051F040 中的CAN簡介46-47
• 4.2.2 C8051F040 的CAN寄存器分類47
• 4.2.3 C8051F040 CAN控制器時序47-49
• 4.3 上層控制界面與通信協(xié)議的設(shè)計49-55
• 4.3.1 上層控制界面設(shè)計49-52
• 4.3.2 通訊協(xié)議的設(shè)計52-55
• 4.3.2.1 發(fā)送幀格式53
• 4.3.2.2 應(yīng)答幀格式53-54
• 4.3.2.3 底層傳感器上傳數(shù)據(jù)幀格式54-55
• 4.4 CAN總線通訊程序設(shè)計55-66
• 4.4.1 系統(tǒng)初始化和交叉開關(guān)引腳分配55-58
• 4.4.2 系統(tǒng)CAN消息配置和初始化程序58-61
• 4.4.3 與CAN有關(guān)的程序61-64
• 4.4.4 主機CAN節(jié)點軟件設(shè)計64-65
• 4.4.5 底層節(jié)點通訊軟件設(shè)計65-66
• 4.5 本章小結(jié)66-67
• 第5章 控制器局域網(wǎng)總線中繼器設(shè)計67-81
• 5.1 CAN總線中繼器概述67-69
• 5.1.1 中繼器種類67-68
• 5.1.2 中繼器的優(yōu)缺點68
• 5.1.3 CAN總線中繼器總體設(shè)計方案68
• 5.1.4 CAN總線中繼器硬件設(shè)計要求68-69
• 5.2 串行外設(shè)接口SPI介紹69-71
• 5.3 C8051F040 的SPI功能概述71-74
• 5.3.1 SP10 主方式71-72
• 5.3.2 SP10 從方式72-73
• 5.3.3 SP10 中斷源73
• 5.3.4 SP10 操作73
• 5.3.5 串行時鐘時序73-74
• 5.4 雙MCU的CAN總線中繼器硬件系統(tǒng)設(shè)計74-77
• 5.4.1 中繼器CAN總線傳輸模塊設(shè)計75
• 5.4.2 中繼器SPI模塊設(shè)計75-77
• 5.5 中繼器的通訊協(xié)議設(shè)計77
• 5.5.1 中繼主節(jié)點77
• 5.5.2 中繼從節(jié)點77
• 5.6 中繼器MCU狀態(tài)控制設(shè)計77-79
• 5.6.1 MCU0 的設(shè)計78
• 5.6.2 MCU1 的設(shè)計78-79
• 5.7 中繼器系統(tǒng)的實時性分析79
• 5.8 本章小結(jié)79-81
• 第6章 控制器局域網(wǎng)總線通訊平臺搭建及系統(tǒng)分析81-95
• 6.1 遠程通訊網(wǎng)絡(luò)搭建和測試設(shè)計81-89
• 6.1.1 遠程通訊網(wǎng)絡(luò)等效電路設(shè)計和分析81-84
• 6.1.2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)測試與分析84-88
• 6.1.3 CAN總線遠程控制網(wǎng)絡(luò)的性能總結(jié)88-89
• 6.2 控制器局域網(wǎng)總線多主通訊的原理和測試結(jié)果分析89-92
• 6.2.1 位仲裁的原理89-90
• 6.2.2 測試結(jié)果分析90-92
• 6.3 提高系統(tǒng)實時性的方法92-93
• 6.4 本章小結(jié)93-95
• 第7章 結(jié)論與展望95-97
• 7.1 結(jié)論95
• 7.2 展望95-97
• 附錄 1 主機節(jié)點模塊電路原理圖97-98
• 附錄 2 中繼器模塊電路原理圖98-99
• 附錄 3 底層模塊主板電路原理圖99-100
• 參考文獻100-101
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果101-102
• 致謝102