基于LIN總線的頁巖氣壓裂車溫度測控系統(tǒng)設計

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(長江大學),湖北武漢 430100長江大學電子信息學院,湖北荊州 434023)

基于LIN總線的頁巖氣壓裂車溫度測控系統(tǒng)設計

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(長江大學),湖北武漢 430100長江大學電子信息學院,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)設計思想,在不需要CAN總線帶寬的低端應用場合發(fā)揮了巨大的作用。基于LIN總線協(xié)議,設計了一種頁巖氣壓裂車溫度測控系統(tǒng):采用AT89S52作為節(jié)點控制器設計主從節(jié)點,1602液晶顯示器用來顯示設定及測量溫度,DS18B20作為溫度檢測傳感器,主從節(jié)點可以實現(xiàn)基于LIN總線的溫度采集、設定、顯示以及控制等功能。試驗結(jié)果表明,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,在頁巖氣開發(fā)中具有較高的應用價值。

頁巖氣壓裂車溫度測控系統(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線數(shù)目問題的最佳方案,CAN總線作為最常用的現(xiàn)場總線之一已廣泛應用于壓裂車電子控制系統(tǒng)中。然而一些對速度帶寬及實時性要求不高的控制單元,如果依然按照CAN總線的節(jié)點要求設計便會帶來速度及成本上的浪費,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用中發(fā)揮作用,很好的補充了CAN的網(wǎng)絡應用范圍,能夠有效的降低系統(tǒng)的成本。為此,筆者基于LIN總線,設計了一種頁巖氣壓裂車溫度測控系統(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)設計思想,在不需要CAN總線帶寬的低端應用場合發(fā)揮了巨大的作用。LIN網(wǎng)絡采用一主多從的結(jié)構(gòu),串行通訊基于通用SCI(UART)硬件接口,最快速度可達20kb/s,可以完全滿足輔助測控網(wǎng)絡的需求。

一個完整的LIN的報文幀包括報文幀頭、幀內(nèi)響應空間和報文響應。LIN總線的報文幀格式如圖1所示,其中報文頭由同步間隔場、同步場和標識符場組成:同步間隔場包含至少13位顯性(0)電平;同步場用于時鐘同步,格式為0× 55;標識符場主要描述報文中數(shù)據(jù)含義,一個標識符場又包含識別符位和奇偶校驗位。報文響應由數(shù)據(jù)場和校驗和場組成,數(shù)據(jù)場用來傳送指令及信息,一個報文幀可以傳輸0～8個字節(jié)的數(shù)據(jù);校驗和場通過將數(shù)據(jù)所有字節(jié)的和取反來檢驗數(shù)據(jù)的正確性[1]。

圖1 LIN總線的報文幀格式

2 系統(tǒng)框架

采用ATMEL公司的AT89S52單片機作為節(jié)點微處理器,AT89S52單片機具有功耗低、高性能等優(yōu)點,使用高密度非易失性存儲器技術制造,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,廣泛應用于嵌入式控制系統(tǒng)中[2-3]。

溫度測量模塊選用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20來檢測溫度。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、使用方便、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點。測溫范圍-55～+125℃,較寬的溫度測量范圍能夠滿足汽車車內(nèi)溫度測控系統(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)濟成本[4]。

基于LIN總線的溫度測控系統(tǒng)采用一主多從的拓撲結(jié)構(gòu),主節(jié)點和從節(jié)點采用LIN總線協(xié)議進行通訊,完成對多節(jié)點多路溫度的準確測量與控制,系統(tǒng)整體方案框圖如圖2所示。

圖2 溫度測控系統(tǒng)整體方案框圖

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

從節(jié)點主要由AT89S52單片機、DS18B20數(shù)字溫度傳感器以及帶過零檢測的固態(tài)繼電器構(gòu)成的加熱電路組成。從節(jié)點接收主節(jié)點發(fā)送的溫度設定數(shù)據(jù),定時采集DS18B20的測量溫度值發(fā)送回主節(jié)點,同時進行加熱制冷操作。

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)點接收數(shù)據(jù)時,單片機RXD端口直接與LIN總線相連;發(fā)送數(shù)據(jù)時,單片機TXD端口通過反向器和三極管實現(xiàn)端口與LIN總線邏輯同步。從節(jié)點接收數(shù)據(jù)時,LIN總線接至單片機INT0與RXD端口,通過外部中斷與定時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)軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要由主節(jié)點與從節(jié)點的程序構(gòu)成。主節(jié)點程序包括主程序、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子程序。從節(jié)點程序包括主程序、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)的關鍵程序為DS18B20測溫子程序和數(shù)據(jù)收發(fā)子程序,發(fā)送數(shù)據(jù)時主從節(jié)點都可以按照串行異步通訊格式發(fā)送,而當從節(jié)點需要接收數(shù)據(jù)時,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,則啟動定時器定時至少13位的時間,定時結(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)點主程序流程圖。主要作用是在總線上檢測到13位顯性電平后使能串口接收,并進行同步場和標識符場校驗,校驗完成,接收控制命令及數(shù)據(jù)進行處理。

圖5 從節(jié)點主程序流程圖圖

圖6 從節(jié)點溫度檢測子程序流程圖

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

5 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)正常工作時,采樣并控制一路溫度,按下鍵盤“設置”鍵,1602上設定溫度值閃爍顯示,此時可以選擇“+1”、“-1”按鍵改變溫度設定值,按下確認鍵則確定修改溫度數(shù)據(jù)。圖7中鍵盤修改設定溫度為25.6℃,而DS18B20實際檢測溫度為25.5℃,實際值小于測量值,此時加熱指示燈點亮,同時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控系統(tǒng)兼容標準LIN協(xié)議,可以通過轉(zhuǎn)換器接入到上層CAN總線網(wǎng)絡,有利于系統(tǒng)網(wǎng)絡的合理配置。試驗結(jié)果表明,所選擇的方法可行,測量溫度精確穩(wěn)定,控制效果明顯。同時,采用簡易電路搭建方式設計電路,既滿足了LIN總線應用系統(tǒng)中低成本的要求,又保證了系統(tǒng)的可靠運行,在頁巖氣開發(fā)中具有較高的應用價值。

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

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

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

[4]張海.基于AT89C51和DS18B20的最簡溫度測量系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術,2007(9):85-89.

[5]董普松.Protues在單片機系統(tǒng)設計中的應用[J].現(xiàn)代電子技術,2008(14):153-154.

[6]廖冬初,蔡華鋒.基于CAN總線的溫度測控系統(tǒng)研制[J].計量與測試技術,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(2011ZX05048);“非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心”資助項目(HBUOG-2014-11)。

鄧攀登(1990-),男,碩士生,現(xiàn)主要從事檢測技術與自動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方面的教學與研究工作;E-mail:395601308@qq.com。