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　　【摘要】： 目前我國正在深山峽谷地區建設一批水電站,地質地形條件復雜,邊坡的穩定性問題是這些工程項目所面臨的共同技術難題。安全監測是掌握邊坡穩定狀況的有效手段。但邊坡監測和常規大壩監測相比有其特殊性,實現自動化監測存在技術上需要克服的問題。 本文針對青海拉西瓦水電站大壩右岸高邊坡安全監測的需要設計了一個大型遠程監控網絡系統。整個系統包含通訊系統、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和上層管理軟件的相關內容。 考慮到拉西瓦水電站高邊坡安全樞紐監測系統的特殊性:測點多、儀器設備多,而且測量設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總線作為通信系統報文協議的載體,主要實現兩方面的功能: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據準確無誤的傳送給上層管理軟件,供上層用戶分析和處理。 針對通信系統網絡模塊的設計,本文將介紹模塊的硬件和軟件設計。硬件設計方面,本文選取C8051F040微控制器作為通信系統的控制核心,還選取了一些新型高速、功能強大的外圍芯片,使硬件設計更為合理、簡單和可靠。由于拉西瓦水電站邊坡監測系統覆蓋面大(10Km×10Km),為了提高通信系統網絡的抗干擾性并保證適當高的通信速率,需要在網絡中加中繼器。本文首次在通信系統網絡中采用基于SPI的雙MCU的CAN網絡中繼器模塊,以實現對通信鏈路中的信號放大,并對數據報文進行路由和轉發。此方法在國內尚處在試驗階段,但其意義卻顯得非常重要。軟件設計方面,根據CAN2.0A、CAN2.0B和SPI的協議規范,充分利用報文的幀格式,設計合理的通信協議,完成了主機節點、中繼器和底層通訊節點的通訊軟件設計。上層管理軟件方面,本文介紹了串口通訊的相關內容。 此外,通過對遠程網絡等效電路的分析,并對所設計的系統進行測試實驗,搭建模擬遠程電路,沒有發現丟包情況,并且76ms成功發送接收一次數據,如果加上中繼器138ms成功發送接收一次數據,驗證了通信系統網絡模塊具有良好的穩定性和實時性,已經基本滿足高邊坡安全監測系統的要求。 【關鍵詞】：邊坡 大型遠程監控 F040 CAN 中繼器 SPI
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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 控制系統的發展12
• 1.3 現場總線的定義和技術特點12-13
• 1.4 幾種有影響的現場總線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控制系統性能比較16
• 1.5.2 CAN現場總線與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 控制器局域網技術規范21-31
• 2.1 CAN總線產生與發展21
• 2.2 CAN總線的相關概念21-23
• 2.3 CAN總線特性23-24
• 2.4 CAN總線的分層結構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總線位數值表示27-28
• 2.7 傳輸距離與位速率28
• 2.8 多主和多節點接收28-29
• 2.9 數據安全性29
• 2.10 本章小結29-31
• 第3章 大型遠程監控網絡總體結構與硬件設計31-45
• 3.1 大型遠程高邊坡監控網絡組成結構31-32
• 3.2 樹型高邊坡多個CAN總線系統結構32
• 3.3 硬件系統器件選擇32-39
• 3.3.1 MCU的選擇32-35
• 3.3.2 電壓轉換芯片A5111735-36
• 3.3.3 CAN總線收發芯片SN65HVD25136
• 3.3.4 雙通道數字隔離器ADuM120136-37
• 3.3.5 CP2101 特性和原理37-39
• 3.4 CAN節點的設計39-43
• 3.4.1 主機節點功能設計39-40
• 3.4.2 主機節點硬件電路設計40-43
• 3.5 本章小結43-45
• 第4章 系統通訊軟件規劃與實現45-67
• 4.1 C_CAN設計方法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議的設計49-55
• 4.3.1 上層控制界面設計49-52
• 4.3.2 通訊協議的設計52-55
• 4.3.2.1 發送幀格式53
• 4.3.2.2 應答幀格式53-54
• 4.3.2.3 底層傳感器上傳數據幀格式54-55
• 4.4 CAN總線通訊程序設計55-66
• 4.4.1 系統初始化和交叉開關引腳分配55-58
• 4.4.2 系統CAN消息配置和初始化程序58-61
• 4.4.3 與CAN有關的程序61-64
• 4.4.4 主機CAN節點軟件設計64-65
• 4.4.5 底層節點通訊軟件設計65-66
• 4.5 本章小結66-67
• 第5章 控制器局域網總線中繼器設計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 中繼器的優缺點68
• 5.1.3 CAN總線中繼器總體設計方案68
• 5.1.4 CAN總線中繼器硬件設計要求68-69
• 5.2 串行外設接口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設計74-77
• 5.4.1 中繼器CAN總線傳輸模塊設計75
• 5.4.2 中繼器SPI模塊設計75-77
• 5.5 中繼器的通訊協議設計77
• 5.5.1 中繼主節點77
• 5.5.2 中繼從節點77
• 5.6 中繼器MCU狀態控制設計77-79
• 5.6.1 MCU0 的設計78
• 5.6.2 MCU1 的設計78-79
• 5.7 中繼器系統的實時性分析79
• 5.8 本章小結79-81
• 第6章 控制器局域網總線通訊平臺搭建及系統分析81-95
• 6.1 遠程通訊網絡搭建和測試設計81-89
• 6.1.1 遠程通訊網絡等效電路設計和分析81-84
• 6.1.2 遠程監控系統測試與分析84-88
• 6.1.3 CAN總線遠程控制網絡的性能總結88-89
• 6.2 控制器局域網總線多主通訊的原理和測試結果分析89-92
• 6.2.1 位仲裁的原理89-90
• 6.2.2 測試結果分析90-92
• 6.3 提高系統實時性的方法92-93
• 6.4 本章小結93-95
• 第7章 結論與展望95-97
• 7.1 結論95
• 7.2 展望95-97
• 附錄 1 主機節點模塊電路原理圖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
• 在讀期間發表的學術論文與取得的研究成果101-102
• 致謝102