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基于激光测距模块串口/PROFIBUS-DP从站接口通信设计

时间:2018-04-21 23:09来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇通信工程论文,通信工程(也作电信工程,旧称远距离通信工程、弱电工程)是电子工程的一个重要分支,电子信息类子专业,同时也是其中一个基础学科。
本文是一篇通信工程论文,通信工程(也作电信工程,旧称远距离通信工程、弱电工程)是电子工程的一个重要分支,电子信息类子专业,同时也是其中一个基础学科。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇通信工程论文,供大家参考。
 
1 绪 论
 
1.1 课题背景及研究意义
众所周知,就目前我国的制造规模与制造能力来说,在世界范围内可以说都是名列前茅的,尤其在近年以来,随着我国经济实力的不断提升,制造业变得越来越繁荣,整体实力变得越来越强大,已经成为世界制造业不可或缺的重要构成部分,同时也是促进世界制造业发展的重要推动力。极大地使中国的国际竞争力增强,出口增长迅速。来自中国政府网的数据,2016 年我国货物贸易进出口总值 24.33 万亿元人民币。不仅如此,可以预见的是在合作共同发展是当下以及未来经济发展的主流趋势,并且产业聚集效应会越来越明显,换句话说,就是实力越雄厚的企业一般越会聚集在一起,借助互相的优势共同实现发展。例如我们常说的产业园,经济发展示范基地以及试点单位等,这些企业占据了我国制造业的绝大部分份额。同时还具有以下特点:制造工艺先进、产品质量较高,制造成本较低以及种类齐全等。从某种程度上来说,不仅直接代表着我国制造业的发展水平,而且还是我国综合国力的重要体现。然而需要特别强调是尽管我国的制造业已经取得了长足的进步,制造规模与制造能力已经跃居为世界前列,但是就制造工艺来说,相比于西方发达国家,我国还存在不小的距离,尤其是高端技术,更是十分欠缺,严重阻碍了我国经济的长远健康发展。我们都曾听说过这样一个故事:“用 8 亿件衣服换一架客机”,这显示了我国当时高科技生产能力的落后、辛酸与无奈。世界上每生产 4 台电脑,就有 1 台出自中国的江苏。可是我们生产 1 台电脑竟只能赚 10 个苹果的钱!原因是制造工艺太过于低端,我们只能赚取少得可怜的加工费,而绝大部分经济收益都进入了西方国家 IT 公司的腰包。随着对外开放的不断深入,有一个名词逐渐成为了世界热议的焦点,那就是“中国制造”,几乎所有的人都承认这样一个事实:“中国制造”的商品已经销往全球,中国已经成了“世界工厂”。但实际上,这样的“制造”赚取的利润很低。因为这样的产品制造几乎没有涉及任何先进的制造工艺,所以也就无法赚取大额的经济利润。而这种制造方式也严重制约了我国制造业的健康长远发展。
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1.2 国内外研究现状和进展
现场总线技术起源于欧洲,现在西方那些发达国家拥有着最发达的技术。目前就所有的现场总线来说,要想实现快速发展,就必须要依托经济实力雄厚的公司才能够达成目标。以 PROFIBUS 的发展为例,其主要是凭借德国著名公司 SIEMENS作为依托,才得以实现迅猛地发展,最终完成全球高端市场的覆盖。再比如为我们所熟知的 WorldFIP 技术,是借助 Alstom 公司为依托,进而完成国际用户的链接。就目前的实际情况来说,国际竞争日趋激烈,各种新技术也层出不穷的被研发出来,因此更新换代的周期被急剧缩短,进而没有任何一种技术能够长时间占据绝对的上风而不被淘汰,也更不可能存在哪一种技术能够占据全部的市场份额。因此要想获得长远的发展,唯一的途径就是协同合作。采取协同合作的方式,最主要的目的就会促进多方之间优势互补,进而实现共同发展。在实际生产中可以发现:目前应用最广泛的工业技术是工业自动化技术,其被广泛地应用于不同的行业和领域。由于外界的操作环境以及操作工艺要求存在很大的差别,因此仅仅单纯使用某一种现场总线技术是无法应对当前所有的操作环境以及操作工艺要求的。相比于现代的互联网信息技术而言,现场总线技术的发展不仅受制于市场规律的存在,而且更重要的是很容易受到经济效益的影响。换句话说,互联网信息技术的发展是时代发展的必然产物,但是现场总线技术的发展则主要是看其是否能够给企业带来一定的经济利益。如果可以,则能够促进现场总线技术的发展,反之亦然。PROFIBUS 是通过西门子公司牵头,联合别的公司共同研发出来的,它是建立在过程控制现场总线技术这一基础之上的,上世纪 80 年代已经成为一种国际标准。凭借不同的适用范围为基础,主要存在以下几类:PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP 等,由于它具有总线设计开放化、通信协议公开化、产品不依赖于设备制造商等优点,得到全世界众多设备制造商的拥护和支持。在 20 世纪 80 年代,我们国家正式引进了 PROFIBUS 技术,在工业通讯、加工制造、过程控制、工厂自动化、交通电力等领域都得到了大量的使用。因由于PROFIBUS 总线产品有着非常广泛的需求,所以我们国家很多研究所以及那些实力相对比较雄厚的企业都在进行这一方面的研究。经过数年努力,国内只在 PROFIBUS从站开发研究上取得进展,对于主站的研发依然没有获得重大突破。截止到现在,PROFIBUS 核心技术还是被牢牢掌控在外国人手里。
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2 激光测距传感器分类及模块选型
 
2.1 激光测距分类
2.1.1 脉冲式激光测距
脉冲式激光测距,其具体的运行原理是凭借脉冲激光器为基础,向某一指定目标发射光脉冲,然后借助相关专业测量仪器,测量光束到达指定目标的时间以及反射时间,最后借助相关公式求得两者之间的距离(俗称时间法测量)。通过上图我们能够明显看到,脉冲激光测距系统主要由以下几部分构成:激光发射系统、开关控制系统、感应系统、接收系统以及显示设备等。凭借实际测验可知,借助此套设备整个测量精度在±5 米左右,然而假若采取相应的改进措施,则测量精度可以大幅提高,已知最高的精确度为±0.01m。就其应用领域来说,除了我们常见的卫星导航、军事领域以及气象领域,目前测量精度高的已可用于矿山、行车系统和一些工业场合。
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2.2 几种测距方法的比较
脉冲测距方式比较适合远距离测量,因此对于激光具有一定的要求:脉冲宽度较窄、聚焦性较强、脉冲飞行时间要远远大于脉冲宽度等,只有这样才能够保证测量结果的精确度。相位测距方式,测量精度较高,可达到 mm 级。适合中远距离测量,在采用合作目标反射器的情况下测程可以达到 200m,能够满足大部分的工业环境要求。三角法测距方式,测量精度很高可达到 um 级。但测程较小,适合中近距离测量,多应用于测量物体表面轮廓、距离、平整度等等。干涉法适合于表面光洁,变化微小的测量。缺点是造价比较高。首先,相位法测距,精度达到 mm 级,能够满足大部分的工业环境,具有广阔的应用空间;其次,由于应用广泛,近年来相位法测距模块的价格逐渐趋于合理(只有 RS232串口的模块),但国外同类带有 PROFIBUS 接口的模块价格依然高居不下。因此研发带有PROFIBUS 接口的激光测距设备,将会有很高的性价比,预计成本可以节省70%左右,能够适用于国内自动化领域,具有不错的经济效益和较强的竞争力。
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3 PROFIBUS 现场总线技术............ 14
3.1 现场总线简介 ............. 14
3.2 PROFIBUS 现场总线简介............ 14
3.3 PROFIBUS 现场总线基本特征.... 15
3.4 PROFIBUS 总线独有的特点........ 15
3.5 PROFIBUS 协议结构.......... 16
3.6 现场总线技术的发展方向 ............. 21
4 PROFIBUS-DP 主从站系统方案设计 ............. 22
4.1 总线存取基本理论 ..... 22
4.2 方案设计的理论依据 ........... 24
4.3 方案设计的实现方法 ........... 24
5 激光测距传感器 PROFIBUS-DP 从站接口设计 ...... 28
5.1 智能从站接口硬件设计总体规划........... 28
5.2 硬件电路各部分设计 .......... 29
5.3 硬件电路设计、测试步骤以及注意事项......... 40
5.4 智能从站接口软件设计 ....... 40
5.5 GSD 文件简介............ 45
 
5 激光测距传感器 PROFIBUS-DP 从站接口设计
 
5.1 智能从站接口硬件设计总体规划
电路组成包括如下部分:  选用德国 DEGO45 系列激光测距模块,输出接口有 RS232 和 RS422。我们采用RS232 串口 TTL 电平来进行设计,完成智能从站接口与接入设备电平之间的相互转换,接收以及发送 RS232 数据。  通过 8 位地址拨码开关和激光测距模块外围接口电路设计从站地址设置单元。  波特率选择开关电路。  MCU 与 SPC3 电路,负责实现 PROFIBUS-DP 总线通信协议转换功能和从站数据接收和发送等功能。  RS232 TTL 电平与 RS232 接口电平转换电路,用于监测模块传输数据和检验转换后的 PROFIBUS-DP 数据是否正确。  RS485 总线驱动电路,通过 RS485 芯片和光电耦合器相结合,对 RS485 传输数据进行电流隔离。选用传输速率高达 12Mbps 的高品质光电耦合器,以满足PROFIBUS 高传输速率的要求。  电源电路设计,为了实现电流隔离,保证总线信息和数据的无干扰传输,设计完全分离的双 5V 直流电源电路。于是,在参考 SIEMENS 公司的 DP 和 RS232 分散式 I/O 数据采集从站接口框架图基础之上,再结合本设计的具体要求,提出了“RS232 接口电路、MCU+SPC3、从站地址设置电路、波特率选择开关电路、带光藕直流隔离的 RS485 驱动电路、完全分离的双 5V 直流电源电路”的总体架构设计。
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总结
 
论文基于带有 RS232 串口的激光测距模块对 PROFIBUS-DP 总线接口进行了相关的研究。以“MCU+ASIC 协议芯片”方案作为硬件设计的基础,通过电路板的设计、制作、调试以及软硬件的结合完成了 PROFIBUS-DP 从站接口设计;然后搭建基于 PC 的 PROFIBUS-DP 主从站调试系统,通过串口调试软件监测激光测距模块输出的数据以及监测转换后的数据是否符合 PROFIBUS 规范;再将 3 台设备作为 DP从站组态到网络中;最后利用 WinCC 组态软件完成数据输出结果的显示。达到了实验设计的预期效果。由于时间有限,本设计仅仅对数据转换做了设计,可以进一步加入设备运行模式、错误代码、温度、报警等参数,便于主站更好地监测和控制从站设备。前面第 3章提到:目前来看,工业现场总线的发展方向是工业以太网,而 PROFIBUS 总线的发展方向将是 PROFINET。PROFIBUS 国际组织推出的 PROFINET,是把 PROFIBUS协议捆绑到标准 TCP/IP 上,并且利用网关或者是代理服务器来完成以太网与当前PROFIBUS 之间路由的功能,是新一代的基于工业以太网技术标准的自动化总线。[33][34]PROFINET 与 PROFIBUS 相比,具有全双工和高达百兆的传输速率等优势。所以说下一步研究的方向将是 PROFINET。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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