【摘要】： 目前我国正在深山峡谷地区建设一批水电站,地质地形条件复杂,边坡的稳定性问题是这些工程项目所面临的共同技术难题。安全监测是掌握边坡稳定状况的有效手段。但边坡监测和常规大坝监测相比有其特殊性,实现自动化监测存在技术上需要克服的问题。 本文针对青海拉西瓦水电站大坝右岸高边坡安全监测的需要设计了一个大型远程监控网络系统。整个系统包含通讯系统、上层软件和底层测量模块三个部分。本文重点介绍通讯系统和上层管理软件的相关内容。 考虑到拉西瓦水电站高边坡安全枢纽监测系统的特殊性:测点多、仪器设备多,而且测量设备之间距离差异较大,距离主控制室较远(长达5Km)。因此,本文选择CAN总线作为通信系统报文协议的载体,主要实现两方面的功能:一方面将上层用户的命令传送给底层测量模块;另一方面将底层测量模块采集到的传感器数据准确无误的传送给上层管理软件,供上层用户分析和处理。 针对通信系统网络模块的设计,本文将介绍模块的硬件和软件设计。硬件设计方面,本文选取C8051F040微控制器作为通信系统的控制核心,还选取了一些新型高速、功能强大的外围芯片,使硬件设计更为合理、简单和可靠。由于拉西瓦水电站边坡监测系统覆盖面大(10Km×10Km),为了提高通信系统网络的抗干扰性并保证适当高的通信速率,需要在网络中加中继器。本文首次在通信系统网络中采用基于SPI的双MCU的CAN网络中继器模块,以实现对通信链路中的信号放大,并对数据报文进行路由和转发。此方法在国内尚处在试验阶段,但其意义却显得非常重要。软件设计方面,根据CAN2.0A、CAN2.0B和SPI的协议规范,充分利用报文的帧格式,设计合理的通信协议,完成了主机节点、中继器和底层通讯节点的通讯软件设计。上层管理软件方面,本文介绍了串口通讯的相关内容。 此外,通过对远程网络等效电路的分析,并对所设计的系统进行测试实验,搭建模拟远程电路,没有发现丢包情况,并且76ms成功发送接收一次数据,如果加上中继器138ms成功发送接收一次数据,验证了通信系统网络模块具有良好的稳定性和实时性,已经基本满足高边坡安全监测系统的要求。 【关键词】：边坡 大型远程监控 F040 CAN 中继器 SPI
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP277
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2010.019407
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题的研究背景及意义11-12
• 1.2 控制系统的发展12
• 1.3 现场总线的定义和技术特点12-13
• 1.4 几种有影响的现场总线13-16
• 1.4.1 CAN总线14
• 1.4.2 PROFIBUS总线14
• 1.4.3 LON总线14-15
• 1.4.4 RS-485 总线15
• 1.4.5 基金会现场总线15-16
• 1.5 CAN总线与其他总线性能比较16-18
• 1.5.1 CAN总线与DCS、PLC控制系统性能比较16
• 1.5.2 CAN现场总线与RS-485 总线比较16-17
• 1.5.3 专用和通用CAN总线系统性能比较17-18
• 1.6 本文所做的主要工作18-21
• 第2章 控制器局域网技术规范21-31
• 2.1 CAN总线产生与发展21
• 2.2 CAN总线的相关概念21-23
• 2.3 CAN总线特性23-24
• 2.4 CAN总线的分层结构24-25
• 2.5 CAN总线报文传输25-27
• 2.5.1 帧格式25
• 2.5.2 帧类型25-27
• 2.6 CAN总线位数值表示27-28
• 2.7 传输距离与位速率28
• 2.8 多主和多节点接收28-29
• 2.9 数据安全性29
• 2.10 本章小结29-31
• 第3章 大型远程监控网络总体结构与硬件设计31-45
• 3.1 大型远程高边坡监控网络组成结构31-32
• 3.2 树型高边坡多个CAN总线系统结构32
• 3.3 硬件系统器件选择32-39
• 3.3.1 MCU的选择32-35
• 3.3.2 电压转换芯片A5111735-36
• 3.3.3 CAN总线收发芯片SN65HVD25136
• 3.3.4 双通道数字隔离器ADuM120136-37
• 3.3.5 CP2101 特性和原理37-39
• 3.4 CAN节点的设计39-43
• 3.4.1 主机节点功能设计39-40
• 3.4.2 主机节点硬件电路设计40-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第4章 系统通讯软件规划与实现45-67
• 4.1 C_CAN设计方法45-46
• 4.2 C8051F040 中的CAN控制器46-49
• 4.2.1 C8051F040 中的CAN简介46-47
• 4.2.2 C8051F040 的CAN寄存器分类47
• 4.2.3 C8051F040 CAN控制器时序47-49
• 4.3 上层控制界面与通信协议的设计49-55
• 4.3.1 上层控制界面设计49-52
• 4.3.2 通讯协议的设计52-55
• 4.3.2.1 发送帧格式53
• 4.3.2.2 应答帧格式53-54
• 4.3.2.3 底层传感器上传数据帧格式54-55
• 4.4 CAN总线通讯程序设计55-66
• 4.4.1 系统初始化和交叉开关引脚分配55-58
• 4.4.2 系统CAN消息配置和初始化程序58-61
• 4.4.3 与CAN有关的程序61-64
• 4.4.4 主机CAN节点软件设计64-65
• 4.4.5 底层节点通讯软件设计65-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第5章 控制器局域网总线中继器设计67-81
• 5.1 CAN总线中继器概述67-69
• 5.1.1 中继器种类67-68
• 5.1.2 中继器的优缺点68
• 5.1.3 CAN总线中继器总体设计方案68
• 5.1.4 CAN总线中继器硬件设计要求68-69
• 5.2 串行外设接口SPI介绍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 从方式72-73
• 5.3.3 SP10 中断源73
• 5.3.4 SP10 操作73
• 5.3.5 串行时钟时序73-74
• 5.4 双MCU的CAN总线中继器硬件系统设计74-77
• 5.4.1 中继器CAN总线传输模块设计75
• 5.4.2 中继器SPI模块设计75-77
• 5.5 中继器的通讯协议设计77
• 5.5.1 中继主节点77
• 5.5.2 中继从节点77
• 5.6 中继器MCU状态控制设计77-79
• 5.6.1 MCU0 的设计78
• 5.6.2 MCU1 的设计78-79
• 5.7 中继器系统的实时性分析79
• 5.8 本章小结79-81
• 第6章 控制器局域网总线通讯平台搭建及系统分析81-95
• 6.1 远程通讯网络搭建和测试设计81-89
• 6.1.1 远程通讯网络等效电路设计和分析81-84
• 6.1.2 远程监控系统测试与分析84-88
• 6.1.3 CAN总线远程控制网络的性能总结88-89
• 6.2 控制器局域网总线多主通讯的原理和测试结果分析89-92
• 6.2.1 位仲裁的原理89-90
• 6.2.2 测试结果分析90-92
• 6.3 提高系统实时性的方法92-93
• 6.4 本章小结93-95
• 第7章 结论与展望95-97
• 7.1 结论95
• 7.2 展望95-97
• 附录 1 主机节点模块电路原理图97-98
• 附录 2 中继器模块电路原理图98-99
• 附录 3 底层模块主板电路原理图99-100
• 参考文献100-101
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果101-102
• 致谢102