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1、毕 业 论 文学生姓名学 号240804061学院 淮阴师范学院专 业电气工程及其自动化题 目基于单片机的PROFIBUS站点设计指导教师熊树 （姓 名） （专业技术职称/学位） （姓 名） （专业技术职称/学位）2011年5月摘 要：本文以某硬盘检测系统自动化改造工程为对象，针对该系统设备分散，数据传输信息量大，实时性和可靠性要求高等特点，设计一种可用于该系统的分布式控制基于PROFIBUS-DP协议的IO从站。根据分布式控制系统的整体结构、工作原理及特点，对微控制器08051 F040和协议芯片SP03开发IO从站的硬件电路、软件设计流程进行了设计。给出基于PROFIUBSDP的分布式控制
2、系统网络组态与调试的方法，经测试表明，IO从站与监控计算机和PLC通信正常、可靠，实时性满足了控制系统的要求。关键词：08051F040；PROFIBUS-DP；IO从站；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、 脉冲涡流检测的理论52.1无损检测理论分析52.2激励脉冲与脉冲涡流信号的对应关系73、 Comsol multiphysics介绍83.1 Comsol multiphysics产生的背景及其历史83.2 Comsol multiphysics特点84、 模型建立95、 仿真结果分析106、 MATLAB进行数据处理126.1 MATLAB产生的历史背景126.2 MATLAB的语言特点136.3用MATLAB进行数据拟合147、 参数优化仿真157.1激励线圈等效模型167.2优化后的仿真结果分析188、 结论19参考
6、文献191、引 言 硬盘检测程序是硬盘出厂前不可缺少的步 骤，检测的过程是批量进行的，而每块硬盘的检测耗时不一致，这对检测监控人员来说工作量非常大。因此通过自动化改造可以节省人力资源，同时提高检测系统的工作效率。 该系统主要由以下几部分组成：8组共32个测试机柜，4套装卸机械手1套传送机构1套分拣机构、控制主机和监视计算机。系统中存在大量的IO信号，而且各套设备与控制主机之间需要满足实时通信的要求，为了使系统正常可靠的运行，可以采用以下两种方法：1)采用传统的PLC构成集散型控制系统：2)采用基于现场总线的分布式IO系统。 采用第一种方案存在系统不开放、硬件投资大、稀线复杂和维修不便等缺点，具
7、有明显的局限性。而采用第二种方案基本局限于国外产品，如西门子公司的基于PROFIBUS分布式IO控制系统，WAGO公司基于CANbus、DeviceNET、PROFIBUS分布式I0控制系统，但价格较高。因此，本文设计了基于C805 IF040的PROFIBUSDPI，o从站用于该系统的分布式控制。2.硬盘检测控制系统 硬盘检测控制系统由西门子PLC、内置PROFIBUS通信卡的监控计算机和自行开发的IO从站构成，并由PROFIBUSDP电缆连接构成分布式总线控制网络，总体结构如图1右图一： 所示分布在现场的IO从站连接各套设备，并通过PROFIBUS总线通信接口与总线网络相连；控制系统由西门
8、子PLC作为一类主站，监控计算机作为二类主站编程和运行监控程序并通过总线适配卡与现场I，O从站进行实时通信，构成分布式控制，从而实现系统的分布式控制和集中监管监控功能。控制系统中的监控计算机选用研华公司的工控机(IPC)；PLC选用德国西门子的S7-300(CPU 3152DP)；总线适配卡选用西门子公司的CP561 1，用来完成现场总线和监控计算机之间的协议转换。各个IO从站之间通过专用屏蔽电缆互联构成PROF IBUS总线网络，总线两端连接PROFIBUS总线终端器，用来提高系统的稳定性，增强系统的抗干扰能力。 2.PROFIBUSDP智能从站总体设计PROFIBUS是作为德国国家标准DI
9、N19245、欧洲标准EN50170，目前已成为中国唯一的现场总 线国家标准GBT20540-2006。PROFIBUS作为一 种不依赖于制造厂商的开放式现场总线标准，已 广泛应用于制造加工自动化、过程自动化和楼宇 自动化等领域中。原则上，PROFIBUS协议在任何微处理器上都可以实现，在微处理器内部或外部安装异步串行 通信接口(UART)即可完成。基于上述特点，在 开发PROFIBUSDP从站时有以下两种方案可供选 择：1)单片机+软件；2)单片机+PROFIBUS通信专 用ASIC。比较两种设计方案：第一种方案硬件设计相对较简单，成本较低，但要求开发人员透彻了解PROFIBUSDP的技术细
10、节，传输速率低于500，而且程序编写工作量较大，这样从站可靠性也不高。第二种方案利用硬件实现协议功能，传输速率可以到达12M，虽然硬件成本有所增加，但可以降低开发难度、提高从站的可靠性。经综合考虑，本文采用第二种方案设计IO从站。 2.1.I.O从站硬件设计 对于测试机柜，IO从站的作用主要是监控硬盘检测是否结束并记录测试结果给分拣机构提供参考；机械手、分拣和传送机构由PLC通过IO从站实现现场控制，其中包含有多个控制气缸的电磁换向阀、行程开关、步进电机驱动器以及传感器信号。 IO从站除了满足如上控制要求外，还需要有PROFIBUSDP通信接口， 为了使从站具有较高的适应性和可靠性，本文采用功
11、能模块化设计，系统由C8051F040单片机和完整封装了PROFIBUS-DP协议芯片SPC3构成其核心部分，其它还有16路数字量输入，输出、8路模拟量输入/2路模拟量输出、基于SPC3的PROFIBUS总线隔离驱动、RS232、开关设置地址及电源模块等部分组成，详如图2所示: 211微处理器与SPC3的接口设计微控制器和SPC3是IO从站的核心，微处理应能够通过输入输出接口与现场设备相连，并能够通过协议芯片SPC3与主站进行实时通信，本文选用的微处理是美国公司C8051F040，其突出的优点是有与MCS51指令集完全兼容的高速CIP一51内核(峰值速度可达25MIPS)、多达64位可编程IO
12、口线、片内集成看门狗定时器、64K可在系统编程的FLASH程序存储器、128BE易失性数据存储器、4352(4KB+256B)的片内删、支持JTAG调试等。C805 1F040的片上资源很丰富，包 括8组IO端口、A，D和DA转换器、多个中断源、 增强型通用异步接收器和发送器(UART)，非常适 用于工业系统的自动控制，而且采用这种系统级 SOC芯片，在很大程度上可以减少外围元器件的 数量，从而减少元器件间的走线，提高系统的稳 定性和可靠性。协议芯片SPC3，包含有方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器、各种缓冲器指针和缓冲区等。最大传输速率可达12M，可以自动检测总线上传输速率。该芯片内部含有1
13、5KB的双口RAM作为SPC3与软件程序的接口。此外，SPC3从初始化到正常工作，都由芯片内部集成的状态机来控制，不需要过多的人为干预。只要按正确方法对SPC3中的寄存器和数据区进行初始化后，对其双口RAM进行数据的读写操作即可完成从站与主站间的通讯。微控制器C8051F040与协议芯片SPC3的接口电路设计参考SPC3芯片手册的标准电路设计完成。 212输入输出接口电路设计根据系统的要求，IO从站具有16路数字量输入输出，8路模拟量输入和2路模拟量输出。数字量输入接口用于连接各种限位开关、继电器、可控 硅或电磁阀门等，输入信号一般为0-24V或012V 直流电压信号，因此该通道的最主要问题是
14、隔离 问题，如隔离不好，较强的电磁干扰就会引入到 系统中，影响系统的正常工作。所以数字量的输 入需经过光电耦合器TLP521后接入C8051F040 的输入接口，从而保证系统工作的可靠性。数字 量输出接口，主要用于控制电磁阀门、继电器、 指示灯、声光报警器等，一般只具有开、关两种 状态的设备。根据所用器件的不同，有继电器输 出、晶体管输出和晶闸管输出等多种形式，输出 0-24V或O一5V直流电压信号。为提高从站的稳定 性和抗干扰能力，输出接口也使用光电耦合器， 将微控制器C8051F040输出接口与现场的负载完 全隔离。在输出通道与光电隔离电路之后，通过 使用输出驱动芯片ULN2803来增强输
15、出接口的驱 动能力。模拟量输入接口主要用于传感器信号的 输入，由于C8051F040芯片引脚有8个专用于模拟 输入通道，是8路12位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC的输入端。基于这一点，该通道只需要经过I V转换电路接入C805 1F040模拟输入端口即可。另外805IF040内部有两个12位的DAC转换器，每个 DAC都具有灵活的输出更新机制，允许无缝的满 度变化并支持无抖动输出更新。 213总线通信接口电路设计PROFIBUSDP的数据传输是通过RS485接口实现的，为消除来自总线的干扰，需要采用双路电源供电，对通信信号的输入输出通道进行光电 隔离。协议芯片SPC3的数据发送请求(RTS)
16、、数 据输入(RXD)、数据输出(TXD)引脚经隔离后与 总线驱动器相连。RS485总线驱动器一侧与9针D 型插座相连，另一侧通过光耦HCPL7101与SPC3相 连。在设计中采用能够满足12M波特率的总线 驱动芯SN65ALS1 176，接收器在总线开路、断路 和空闲时有故障安全保护功能。该部分电路设计 可参考SPC3手册。 2.2 I，O从站软件设计 在从站设计中，硬件的选择和电路设计会直接影响从站性能的稳定和通信速度，IO从站要完成与主站的通信任务和相关控制功能，还需要设计相应的配套软件。由于SPC3集成了PROFIBuSDP协议的状态机，使得C8051F040的主要任务在于初始化和启动
17、SPC3、数据的发送和接收、诊断事务及中断事务处理等。这些功能可以通过KeilC51程序开发来实现，程序采用结构化设计，包括主程序、SPC3初始化程序、SPC3中断处理程序、IO接口程序、和外部诊断程序等：1) USERSPC3。C主程序。这部分主要完成SPC3的初始化、启动、发送和接收数据以及诊断等功能。 主程序首先对单片机和SPC3进行正确的初始化。单片机初始化包括端口配置和时钟初始化。SPC3初始化包括 设置协议芯片的中断允许、写入从站识别号和地址、设置SPC3方式寄存器、设置诊断缓冲区、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区和初始化长度，并根据以上初始值得出各个缓冲区的指针和辅助缓冲区的指
18、针。根据传输的数据长度，确定输出缓冲区和输入缓冲区及指针口。SPC3的初始化流程如图3示：初始化正确后，启动SPC3，数据输入和输出(输入和输出相对于主站而言)放在主循环中。SPC3在接收到由PROFIBUS主站发送的不同输出数据时，会产生输出标志位(位于中断请求字单元)，MCU通过轮循标志位来接收主站数据。向主站传送输入数据时，SPC3将实际采集到的应用数据不断地填入输入缓冲区，并通过主循环不断地刷新，以确保所有的输入数据是最新的。2)INTSPC3C中断模块。这个模块主要处理分配从站参数、组态数据检查和从站地址设定等功能。在PROFIBUSDP中主要有以下的中断参 考 文 献1 任吉林.电
19、磁检测M.北京:航空工业出版社,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 Characterization with pulsededdy current N D T J . IEEE Transactions on Magnetics, 1999,35(3) : 1873- 1876.4 郑 岗,赵 亮.金属厚度的脉冲涡流无损检测研究J . 传感器与微系统,2006,25 (4):35-40.5 杨宾峰,罗飞路.脉冲涡流检测无损检测技术应用研究J .2004 (8) : 45 - 46.致 谢在本论文的写作过程中，我的导师魏东旭老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心的感谢。
