鄧攀登,陳永軍,徐璐 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué)),湖北武漢 430100長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北荊州 434023)

基于LIN總線的頁巖氣壓裂車溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧攀登,陳永軍,徐璐 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué)),湖北武漢 430100長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北荊州 434023)

LIN(Local Interconnect Network)局域互聯(lián)網(wǎng)作為一種低成本串行通訊協(xié)議,繼承了CAN總線的主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想,在不需要CAN總線帶寬的低端應(yīng)用場(chǎng)合發(fā)揮了巨大的作用?；贚IN總線協(xié)議,設(shè)計(jì)了一種頁巖氣壓裂車溫度測(cè)控系統(tǒng):采用AT89S52作為節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)主從節(jié)點(diǎn),1602液晶顯示器用來顯示設(shè)定及測(cè)量溫度,DS18B20作為溫度檢測(cè)傳感器,主從節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)基于LIN總線的溫度采集、設(shè)定、顯示以及控制等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,在頁巖氣開發(fā)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

頁巖氣壓裂車溫度測(cè)控系統(tǒng);LIN總線;AT89S52;1602液晶顯示器;DS18B20

隨著頁巖氣開采過程中對(duì)壓裂車電子控制單元的需求越來越大,總線控制是解決控制單元間導(dǎo)線數(shù)目問題的最佳方案,CAN總線作為最常用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一已廣泛應(yīng)用于壓裂車電子控制系統(tǒng)中。然而一些對(duì)速度帶寬及實(shí)時(shí)性要求不高的控制單元,如果依然按照CAN總線的節(jié)點(diǎn)要求設(shè)計(jì)便會(huì)帶來速度及成本上的浪費(fèi),因此需要考慮低成本且具有相同兼容性的總線。LIN總線作為CAN的低端延伸,主要在低成本底層控制應(yīng)用中發(fā)揮作用,很好的補(bǔ)充了CAN的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍,能夠有效的降低系統(tǒng)的成本。為此,筆者基于LIN總線,設(shè)計(jì)了一種頁巖氣壓裂車溫度測(cè)控系統(tǒng)。

1 LIN總線

LIN(Local Interconnect Network)局域互聯(lián)網(wǎng)作為一種低成本串行通訊協(xié)議,繼承了CAN總線的主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想,在不需要CAN總線帶寬的低端應(yīng)用場(chǎng)合發(fā)揮了巨大的作用。LIN網(wǎng)絡(luò)采用一主多從的結(jié)構(gòu),串行通訊基于通用SCI(UART)硬件接口,最快速度可達(dá)20kb/s,可以完全滿足輔助測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的需求。

一個(gè)完整的LIN的報(bào)文幀包括報(bào)文幀頭、幀內(nèi)響應(yīng)空間和報(bào)文響應(yīng)。LIN總線的報(bào)文幀格式如圖1所示,其中報(bào)文頭由同步間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和標(biāo)識(shí)符場(chǎng)組成:同步間隔場(chǎng)包含至少13位顯性(0)電平;同步場(chǎng)用于時(shí)鐘同步,格式為0× 55;標(biāo)識(shí)符場(chǎng)主要描述報(bào)文中數(shù)據(jù)含義,一個(gè)標(biāo)識(shí)符場(chǎng)又包含識(shí)別符位和奇偶校驗(yàn)位。報(bào)文響應(yīng)由數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)和場(chǎng)組成,數(shù)據(jù)場(chǎng)用來傳送指令及信息,一個(gè)報(bào)文幀可以傳輸0～8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù);校驗(yàn)和場(chǎng)通過將數(shù)據(jù)所有字節(jié)的和取反來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性[1]。

圖1 LIN總線的報(bào)文幀格式

2 系統(tǒng)框架

采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)微處理器,AT89S52單片機(jī)具有功耗低、高性能等優(yōu)點(diǎn),使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造,指令與引腳完全兼容工業(yè)用80C51。擁有8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash,廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)中[2-3]。

溫度測(cè)量模塊選用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20來檢測(cè)溫度。DS18B20是一種單線式溫度傳感器,支持3.0～5.5V的電壓范圍,具有抗干擾能力強(qiáng)、使用方便、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)溫范圍-55～+125℃,較寬的溫度測(cè)量范圍能夠滿足汽車車內(nèi)溫度測(cè)控系統(tǒng)的要求。DS18B20不需要任何外圍的元件輔助,能夠有效節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本[4]。

基于LIN總線的溫度測(cè)控系統(tǒng)采用一主多從的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)采用LIN總線協(xié)議進(jìn)行通訊,完成對(duì)多節(jié)點(diǎn)多路溫度的準(zhǔn)確測(cè)量與控制,系統(tǒng)整體方案框圖如圖2所示。

圖2 溫度測(cè)控系統(tǒng)整體方案框圖

主節(jié)點(diǎn)主要由AT89S52單片機(jī)、1602液晶顯示器、鍵盤以及串口-LIN轉(zhuǎn)換電路模塊構(gòu)成。鍵盤修改溫度設(shè)定值,經(jīng)AT89S52處理后用于發(fā)送與顯示,主節(jié)點(diǎn)將設(shè)定溫度數(shù)據(jù)與溫度讀取命令通過LIN總線發(fā)送至從節(jié)點(diǎn),并接收從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度測(cè)量值用于顯示。

從節(jié)點(diǎn)主要由AT89S52單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度傳感器以及帶過零檢測(cè)的固態(tài)繼電器構(gòu)成的加熱電路組成。從節(jié)點(diǎn)接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度設(shè)定數(shù)據(jù),定時(shí)采集DS18B20的測(cè)量溫度值發(fā)送回主節(jié)點(diǎn),同時(shí)進(jìn)行加熱制冷操作。

3 系統(tǒng)整體硬件電路

系統(tǒng)選用反相器與三級(jí)管組合構(gòu)成串口-LIN的轉(zhuǎn)換電路,將串口的TX、RX雙線轉(zhuǎn)換成一條LIN總線,可以方便實(shí)現(xiàn)串口與LIN的收發(fā)轉(zhuǎn)換,具體轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

主節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí),單片機(jī)RXD端口直接與LIN總線相連;發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),單片機(jī)TXD端口通過反向器和三極管實(shí)現(xiàn)端口與LIN總線邏輯同步。從節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí),LIN總線接至單片機(jī)INT0與RXD端口,通過外部中斷與定時(shí)器配合判斷是否開始接收LIN的一幀數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)發(fā)送方式與主節(jié)點(diǎn)相同[5-6]。

系統(tǒng)整體硬件電路圖如圖4所示。在溫度控制模塊中,用加熱指示燈模擬散熱風(fēng)扇,加熱控制端口通過光耦隔離后和固態(tài)繼電器相連控制加熱電阻絲工作,通過改變輸出PWM占空比大小來改變加熱速率。

圖3 串口-LIN轉(zhuǎn)換電路

圖4 系統(tǒng)硬件電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要由主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)的程序構(gòu)成。主節(jié)點(diǎn)程序包括主程序、初始化子程序、鍵盤子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序以及中斷服務(wù)子程序。從節(jié)點(diǎn)程序包括主程序、初始化子程序、INT0和T0中斷子程序、PWM占空比處理子程序、串口接收子程序、溫度采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序以及數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。

系統(tǒng)采用增量式控制方式,控制精度為0.5%。系統(tǒng)的關(guān)鍵程序?yàn)镈S18B20測(cè)溫子程序和數(shù)據(jù)收發(fā)子程序,發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)主從節(jié)點(diǎn)都可以按照串行異步通訊格式發(fā)送,而當(dāng)從節(jié)點(diǎn)需要接收數(shù)據(jù)時(shí),必須先判斷一次13位顯性電平是否存在,才能確定能否接收這一組數(shù)據(jù)幀。從節(jié)點(diǎn)判斷13位顯性電平的方法為:使能INT0中斷,若總線出現(xiàn)下降沿,則啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)至少13位的時(shí)間,定時(shí)結(jié)束后再次判斷總線電平,若仍為顯性電平,則判斷13位顯性電平存在。圖5是系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)主程序流程圖。主要作用是在總線上檢測(cè)到13位顯性電平后使能串口接收,并進(jìn)行同步場(chǎng)和標(biāo)識(shí)符場(chǎng)校驗(yàn),校驗(yàn)完成,接收控制命令及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖5 從節(jié)點(diǎn)主程序流程圖圖

圖6 從節(jié)點(diǎn)溫度檢測(cè)子程序流程圖

DS18B20數(shù)字溫度傳感器對(duì)于時(shí)序的要求很高,MCU對(duì)DS18B20的操作必須嚴(yán)格遵循操作順序,且在一個(gè)操作周期中盡量避免出現(xiàn)中斷等干擾,否則可能導(dǎo)致溫度測(cè)量失敗。圖6為從節(jié)點(diǎn)溫度檢測(cè)子程序流程圖。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)正常工作時(shí),采樣并控制一路溫度,按下鍵盤“設(shè)置”鍵,1602上設(shè)定溫度值閃爍顯示,此時(shí)可以選擇“+1”、“-1”按鍵改變溫度設(shè)定值,按下確認(rèn)鍵則確定修改溫度數(shù)據(jù)。圖7中鍵盤修改設(shè)定溫度為25.6℃,而DS18B20實(shí)際檢測(cè)溫度為25.5℃,實(shí)際值小于測(cè)量值,此時(shí)加熱指示燈點(diǎn)亮,同時(shí)P3.7口輸出PWM波占空比逐漸增大,提高加熱電阻發(fā)熱量,從而升高溫度。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試效果圖

6 結(jié)語

基于LIN總線協(xié)議的頁巖氣壓裂車溫度測(cè)控系統(tǒng)兼容標(biāo)準(zhǔn)LIN協(xié)議,可以通過轉(zhuǎn)換器接入到上層CAN總線網(wǎng)絡(luò),有利于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的合理配置。試驗(yàn)結(jié)果表明,所選擇的方法可行,測(cè)量溫度精確穩(wěn)定,控制效果明顯。同時(shí),采用簡(jiǎn)易電路搭建方式設(shè)計(jì)電路,既滿足了LIN總線應(yīng)用系統(tǒng)中低成本的要求,又保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,在頁巖氣開發(fā)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1]廖應(yīng)生,劉克.基于LIN總線的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)[J].機(jī)電技術(shù),2008(2):7-9.

[2]陳京培,徐永梅.基于AT89S52單片機(jī)的液晶顯示控制電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(22):22-25.

[3]張志良.單片機(jī)原理與控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[4]張海.基于AT89C51和DS18B20的最簡(jiǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(9):85-89.

[5]董普松.Protues在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(14):153-154.

[6]廖冬初,蔡華鋒.基于CAN總線的溫度測(cè)控系統(tǒng)研制[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2005,32(5):11-13.

[編輯] 洪云飛

TP391.9

A

1673-1409(2014)22-0045-04

2014-04-13

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05048);“非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心”資助項(xiàng)目(HBUOG-2014-11)。

鄧攀登(1990-),男,碩士生,現(xiàn)主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方面的研究工作。

陳永軍(1970),男,博士,教授,現(xiàn)主要從事電力電子與電氣傳動(dòng)方面的教學(xué)與研究工作;E-mail:395601308@qq.com。