Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển pic18f458 trong hệ thống điều khiển sử dụng giao thức truyền thông tin nối tiếp can

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -o0o - NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F458 TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀTHÔNG TIN NỐI TIẾP CAN LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Người hướng dẫn khoa học: PGS–TS Phạm Thị Ngọc Yến Hà Nội – 2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội -o0o - Nguyễn Trung Hiếu NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F458 TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG TIN NỐI TIẾP CAN Chuyên Ngành: Đo Lường Và Các Hệ Thống Điều Khiển Luận văn thạc sĩ khoa học Người hướng dẫn: PGS–TS Phạm Thị Ngọc Yến Hà Nội – 2004 LỜI CẢM ƠN Sau tháng thực tập nghiên cứu trung tâm nghiên cứu MICATrường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F458 TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG TIN NỐI TIẾP CAN” Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới toàn tập thể cán nghiên cứu thuộc trung tâm MICA- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt thầy cô giáo: PGS-TS Phạm Thị Ngọc Yến (người hướng dẫn trực tiếp), Ts Castelli, Th.s Nguyễn Thị Lan Hương, Ts Nguyễn Quốc Cường, Th.s Nguyễn Việt Tùng nhiều cán nghiên cứu đồng nghiệp khác giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Xin bày tỏ lòng biết ơn tới ban giám hiệu, ban chủ nhiệm khoa Tin HọcTrường Cao Đẳng Điện Lực, nơi công tác tạo điều kiện, giúp đỡ động viên tơi xuốt q trình học tập chương trình đào tạo thạc sỹ vừa qua Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, anh chị, bạn bè người ủng hộ, khích lệ để tơi n tâm nghiên cứu, làm việc trưởng thành ngày hôm (Một lần xin cảm ơn tất cả, xin cảm ơn !) Hà Nội 29/10/2004 Nguyễn Trung Hiếu Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thông nối tiếp sử dụng giao thức CAN MỤC LỤC: Trang phụ bìa LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ…………………………………………… MỞ ĐẦU ……… ………… .1 .4 ….7 Sự đời giao thức CAN ứng dụng .9 ngày thực tế ngành công nghiệp 1.1 Sự đời giao thức CAN………………………………… …… 1.2 Các ứng dụng giao thức CAN ngày ………11 thực tế ngành công nghiệp Sự phát triển cơng nghệ tính thiết yếu cần phải ứng …… 11 dụng sản phẩm có đặc tính kỹ thuật mạnh vào thực tế CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ GIAO THỨC CAN (Controller Area Network) 1.1 Một số khái niệm CAN bus………………… 1.2 Các dạng frame truyền CAN…………………… 1.2.1 Dạng frame liệu (Data frame)…………………… 1.2.2 Dạng frame yêu cầu xa (Remote frame)…………… 1.2.3 Dạng frame lỗi (Error Frame)……………………… 1.2.4 Frame tải (Overload Frame)…………………… 1.2.5 Khoảng liên kết frame (Interframe space)…………… 1.3 Các chế phát lỗi sử dụng giao thức CAN 1.3.1 Cơ chế phát lỗi Cyclic Redundancy Check (CRC) 1.3.2 Cơ chế phát lỗi Acknowledge……………………… 1.3.3 Cơ chế kiểm tra frame (Frame Check)……………… 1.3.4 Cơ chế giám sát bit (bit monitoring) ………………… 1.3.5 Cơ chế kểm tra bit nhồi (bit stuffing check)………… 1.4 Kiểm soát lỗi giao thức CAN…………………… 1.5 Các phiên giao thức CAN…………………… 1.6 Cơ chế đồng đường bus…………………………… 1.6.1 Khái niệm mã Non Return to Zero……………… 1.6.2 Khái niệm bit nhồi (stuffing bit)………………… 1.6.3 Đồng đường bus……………………………………… 1.7 Kiến trúc bit truyền giao thức CAN…………… 1.8 Chuẩn kết nối vật lý CAN……………………… CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHÍP VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F458 CHẾ TẠO VỈ THU THẬP TÍN HIỆU NHIỆT ĐỘ CĨ CỔNG TRUYỀN THƠNG TIN NỐI TIẾP ………13 …… 13 …… 15 …… 15 …… 17 …… 17 …… 18 …… 19 …… 20 …… 20 …… 21 …… 21 …… 21 …… 22 …… 22 …… 23 …… 24 …… 24 …… 24 …… 25 …… 26 …… 31 …… 34 Học Viên: Nguyễn Trung Hiếu – Chuyên ngành: Kỹ thuật đo & Các hệ thống điều khiển -1- Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thông nối tiếp sử dụng giao thức CAN CAN (gọi tắt vỉ thu thập tín hiệu) 2.1 Họ chip vi điều khiển PIC18F458 đặc tính kỹ thuật …… 34 2.2 Module CAN Chip vi điều khiển PIC18F458 Microchip 2.2.1 Tổng quan module CAN chip vi điều khiển PIC18F458 2.2.2 Các đệm truyền/nhận……………………………… 2.2.3 Các ghi Module CAN…………………… 2.2.4 Các chế độ hoạt động module CAN PIC18F458 2.2.5 Quá trình truyền điện module CAN………… 2.2.6 Quá trình nhận điện module CAN………… 2.2.7 Các mặt nạ lọc chấp nhận điện…………… 2.2.8 Đặt tốc độ truyền……………………………………… 2.2.9 Đồng bộ……………………………………………… 2.2.10 Các yêu cầu thiết lập tham số cho phân đoạn thời gian 2.2.11 Các ghi định cấu hình thời gian bit………… 2.2.12 Phát lỗi………………………………………… 2.2.13 Các ngắt CAN…………………………………… 2.3 Thiết kế mạch phần cứng vỉ thu thập tín hiệu nhiệt độ có cổng giao tiếp CAN sử dụng chíp vi điều khiển PIC18F458 (gọi tắt vỉ thu thập tín hiệu) 2.3.1 Sơ đồ khối vỉ thu thập nhiệt độ có cổng giao tiếp CAN …… 38 2.3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý vỉ thu thập tín hiệu nhiệt độ truyền tin nối tiếp thông qua CAN bus 2.3.2.1 Mạch nguyên lý khối chức biến đổi tín hiệu nhiệt độ từ 0oC 100oC sang tín hiệu điện áp chuẩn hóa có giải từ 0Volt 5Volt 2.3.2.2 Mạch nguyên lý khối chức đặt baud rate ID cho vỉ thu thập tín hiệu 2.3.2.3 Mạch nguyên lý cho khối tín hiệu đầu số (Digital outputs) 2.3.2.4 Mạch nguyên lý cho khối phối ghép CAN Transceiver… 2.3.2.5 Mạch nguyên lý cho khối phối ghép truyền RS232 sử dụng MAX232 2.3.2.6 Mạch nguyên lý phối ghép cho Vi điều khiển PIC18F458 2.3.2.7 Mạch nguyên lý khối cấp nguồn ni cho vỉ thu thập tín hiệu truyền tin nối tiếp CAN 2.3.3 Sơ đồ thiết kế lắp ráp mạch in cho vỉ thu thập tín hiệu 2.4 Viết phần mềm điều khiển hoạt động cho Card thu thập tín hiệu nhiệt độ truyền tin nối tiếp thông qua CAN bus …… 59 …… 38 …… 38 …… 39 …… 40 …… 43 …… 45 …… 47 …… 49 …… 53 …… 53 …… 54 …… 54 …… 56 …… 57 …… 57 …… 61 …… 62 …… 63 …… 63 …… 64 …… 64 …… 64 …… 65 …… 67 Học Viên: Nguyễn Trung Hiếu – Chuyên ngành: Kỹ thuật đo & Các hệ thống điều khiển -2- Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thông nối tiếp sử dụng giao thức CAN 2.4.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển cho vỉ thu thập tín hiệu 2.4.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình khởi tạo hệ thống 2.4.3 Lưu đồ thuật toán chương trình truyền liệu lên mạng CAN 2.4.4 Lưu đồ thuật tốn chương trình đọc liệu từ mạng CAN CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM LABVIEW VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW TRONG THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƯỜI NGƯỜI SỬ DỤNG 3.1 Phần mềm Labview 6.1 phần mềm công cụ NI-CAN for Windows 2000/ NT/XP/Me/9x V2.0 3.1.1 Phần mềm Labview 6.1……………………………… 3.1.1.1 Labview gì?……………………………………… 3.1.1.2 Thế gọi thiết bị ảo VI (Virtual Instrument) 3.1.1.3 Môi trường làm việc Labview………………… 3.1.1.4 Các tùy chọn trợ giúp Labview………………… …… 67 …… 68 …… 69 …… 70 …… 72 …… 72 …… 72 …… 72 …… 72 …… 74 ………81 3.1.2 Phần mềm công cụ NI-CAN for Windows 2000/ ………81 NT/XP/Me/9x V2.0 3.1.2.1 Tổng quan phần mềm công cụ NI-CAN……………… ………81 3.1.2.2 Lựa chọn Frame API cho Labview để viết chương trình ứng dụng 3.2 Viết giao diện máy tính PC sử dụng phần mềm Labview6.1 mềm công cụ NI-CAN for Windows2000/ NT/XP/Me/9x V2.0 3.2.1 Bước 1: Tạo New Project Labview………… 3.2.2 Bước 2: Thiết kế giao diện cửa sổ Front Panel… 3.2.3 Bước 3: Viết mã lệnh cửa sổ Block Diagram… 3.3 Kết nối mô hệ thống truyền tin nối tiếp qua CAN bus đề tài tốt nghiệp CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 4.1 Kết đạt đề tài……………………………… 4.2 Hướng phát triển đề tài…………………………… KÊT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO: PHỤ LỤC: …… 83 …… 83 …… 84 ………85 ………92 ………96 ………98 ………98 ………98 …… 99 …… 100 ………101 Học Viên: Nguyễn Trung Hiếu – Chuyên ngành: Kỹ thuật đo & Các hệ thống điều khiển -3- Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thông nối tiếp sử dụng giao thức CAN DANH MỤC HÌNH VẼ: Hình1.1 Hình1.2 Hình1.1.1 Hình1.1.2 Hình1.1.3 Hình1.1.4 Hình1.2.1 Hình1.2.2 Hình1.2.3 Hình1.2.4 Hình1.2.5 Hình1.3.1 Hình1.3.2 Hình1.3.3 Hình1.4.1 Hình1.5.1 Hình1.6.1 Hình1.6.2 Hình1.6.3 Hình1.7.1 Hình1.7.2 Hình1.7.3 Hình1.7.4 Hình1.7.5 Hình1.7.6 Hình1.7.7 Hình1.7.8 Hình1.7.9 Hình1.7.10 Hình1.7.11 Hình1.7.12 Hình1.8.1 Hình1.8.2 Hình1.8.3 Hình1.8.4 Hình1.8.5 Hình2.1.1 Hình2.1.2 Hình2.2.1 Phương thức kết nối điểm-điểm Phương thức kết nối bus Kết nối node CAN lên Bus Bảng logic Wired_End Thể hai trạng thái đường truyền CAN Ví dụ chế chiếm đường truyền Dạng frame liệu Dạng frame yêu cầu từ xa Dạng frame lỗi Dạng frame tải Khoảng liên kết frame Cơ chế phát lỗi CRC Cơ chế phát lỗi Acknowledge Cơ chế phát lỗi kiểm tra frame giám sát bit Các trạng thái lỗi bên node CAN Các phiên giao thức CAN Cơ chế mã hóa NRZ Cơ chế sử dụng bít nhồi Các chế đồng bus Phân chia thời gian bit truyền CAN Phân đoạn đồng nhận Phân đoạn thời gian truyền CAN Phân đoạn Phase buffer segment Phân đoạn Phase buffer segment Cơ chế kéo dài phân đoạn phase buffer segment Cơ chế rút ngắn phân đoạn phase buffer segment Một cách phân chia thời gian bit khác hay sử dụng Điểm lấy mẫu bit truyền sớm Điểm lấy mẫu bit truyền muộn Biểu đồ quan hệ tốc động truyền độ dài đường truyền Biểu đồ phân lớp giao thức CAN Chuẩn kết nối vật lý CAN Cơ chế truyền hai dây có khả chống nhiễu tốt Cấu trúc kết nối đường truyền CAN theo chuẩn ISOIS11898 Chuẩn mức tín hiệu đuờng truyền CAN Chuẩn kết nối connector CAN Sơ đồ chân DIP Chip PIC18F458 Sơ đồ khối bên PIC18F458 Sơ đồ khối module CAN PIC18F458 Học Viên: Nguyễn Trung Hiếu – Chuyên ngành: Kỹ thuật đo & Các hệ thống điều khiển -4- Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thông nối tiếp sử dụng giao thức CAN Hình2.2.2 Hình2.2.3 Bảng2.2.1 Hình2.2.4 Hình2.2.5 Hình2.2.8 Bảng2.2.2 Hình2.3.1 Hình2.3.2 Hình2.3.3 Hình2.3.4 Hình2.3.5 Bảng2.3.1 Hinh2.3.6 Hình2.3.7 Hình2.3.8 Hình2.3.9 Hình2.3.10 Hình2.3.11 Hình2.3.12 Hình2.3.13 Hình2.4.1 Hình2.4.2 Hình2.4.3 Hình2.4.4 Hình2.4.5 Hình3.1.1 Hình3.1.2 Hình3.1.3 Hình3.1.5 Hình3.1.6 Hình3.1.7 Hình3.1.8 Hình3.1.9 Hình3.1.10 Hình3.1.11 Hình3.1.12 Hình3.2.1 Hình3.2.2 Hình3.2.3 Hình3.2.4 Hình3.2.5 Hình3.2.6 Sơ đồ khối đệm truyền module CAN Sơ đồ khối đệm nhận module CAN Bảng thật cho Filter/Mask Cơ chế lọc chấp nhận ID module CAN Phân chia thời gian bit CAN Các trạng thái lỗi PIC18F458 Bảng mã ngắt tương ứng vơi bit ICODE Sơ đồ khối Card thu thập tín hiệu truyền tin nối tiếp Thể Switch Sơ đồ mạch nguyên lý cho vỉ thu thập tín hiệu Khối đo, biến đổi chuẩn hóa tín hiệu đo nhiệt độ Mạch ghép nối đặt bus rete ID cho Card Bảng mã hóa tốc độ truyền thơng qua switch Mạch ghép nối tín hiệu vào số Mạch ghép nối phối ghép đường truyền CAN Mạch ghép nối phối ghép đường truyền RS232 Mạch ghép nối phối ghép cho chip PIC Mạch cấp nguồn nuôi 12 (V) Sơ đồ thiết kế mạch in, mặt vỉ thu thập tín hiệu Sơ đồ thiết kế mạch in, mặt vỉ thu thập tín hiệu Vỉ thu thập tín hiệu nhiệt độ có cổng giao tiếp CAN Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển Lưu đồ thuật toán ctc khởi tạo Lưu đồ thuật toán truyền điện Sơ đồ khối frame truyền CAN Lưu đồ thuật toán nhận điện Một cửa sổ front panel labview Một block diagram tương ứng với front panel Cửa sổ khởi động chương trình Labview Bảng cơng cụ Bảng điều khiển Bảng hàm Cửa sổ trợ giúp Thể vị trí điều khiển CAN Các điều khiển CAN Thể vị trí hàm CAN Các hàm CAN Card giao diện PCI-CAN Cửa sổ khởi đầu Labview Cửa sổ Name the VI Labview Trang giao diện người sử dụng viết phần mềm LABVIEW Giao diện đặt liệu truyền CAN Giao diện đặt thông số mạng Học Viên: Nguyễn Trung Hiếu – Chuyên ngành: Kỹ thuật đo & Các hệ thống điều khiển -5- Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thơng nối tiếp sử dụng giao thức CAN Hình3.2.7 Hình3.2.8 Hình3.2.9 Hình3.2.10 Hình3.2.11 Hình3.2.12 Hình3.2.13 Hình3.2.14 Hình3.2.15 Hình3.2.16 Hình3.2.17 Hình3.3.1 Hình 4.1 : Giao diện thể liệu nhận từ mạng CAN Giao diện vẽ đồ thị tín hiệu nhiệt độ Cột nhiệt kế Giao diện thay đổi trạng thái DO Lưu đồ thuật tốn chương trình máy tính Mã lệnh thực mở giao diện mạng Mã lệnh thực truyền liệu Mã lệnh thực đọc liệu từ mạng Mã lệnh thực đọc liệu từ mạng liệu thực tế = Mã lệnh đóng giao diện mạng Mã lệnh tổng thể viết cho máy tính Mơ hình kết nối CAN bus Card thu thập tín hiệu nhiệt độ có cổng giao tiếp CAN Học Viên: Nguyễn Trung Hiếu – Chuyên ngành: Kỹ thuật đo & Các hệ thống điều khiển -6- Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thông nối tiếp sử dụng giao thức CAN MỞ ĐẦU Những người làm kỹ thuật lĩnh vực Đo lường, Điều khiển tự động Công nghệ thông tin hẳn không xa lạ với khái niệm thông tin thông tin công nghiệp: Thông tin khái niệm quan trọng khoa học kỹ thuật, giống vật chất lượng Các kiện đầu vào/ra hệ thống kỹ thuật vật chất, lượng thông tin Một hệ thống xử lý thông tin hệ thống truyền tin hệ thống kỹ thuật mà đại lượng cần quan tâm đầu vào đầu thông tin Tuy nhiên đa số hệ thống kỹ thuật thường có đầu vào đầu hỗn hợp (vật chất, lượng thông tin) Thông tin thước đo mức nhận thức, hiểu biết vấn đề, kiện hệ thống Thông tin giúp phân biệt mặt vấn đề, trạng thái vật hay nói cách khác, thơng tin loại trừ tính bất định Nếu vật chất lượng tảng vật lý hóa học thơng tin chủ thể công nghệ thông tin tin học Thơng tin cịn sở cho giao tiếp, thơng qua giao tiếp mà đối tác có thêm hiểu biết lẫn vấn đề, kiện hệ thống Vậy cịn thơng tin công nghiệp? thông tin công nghiệp dạng thơng tin phạm vi để cập nhỏ hơn, hẹp hơn, phức tạp so với thơng tin nói chung, chủ yếu dạng thơng tin số liệu (tín hiệu số tương tự, số liệu thống kê, tính tốn …) nhằm phản ảnh thân hệ thống công nghiệp Nhu cầu trao đổi thông tin thành phần cá thể tổng thể, theo vấn đề khoa học kỹ thuật loài người phát triển cách nhanh chóng tất yếu dẫn đến hình thành hệ thống thông tin khác nhau: hệ thống điện đài, điện thoại, mạng máy tính…và thơng tin cơng nghiệp khơng nằm ngồi vịng phát triển Học Viên: Nguyễn Trung Hiếu – Chuyên ngành: Kỹ thuật đo & Các hệ thống điều khiển -7- ... Các hệ thống điều khiển - 11 - Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thông nối tiếp sử dụng giao thức CAN làm nhiệm vụ điều khiển hoạt động toàn hệ thống, hệ thống điều khiển mà ta nói hệ thống. .. Nguyễn Trung Hiếu NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F458 TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG TIN NỐI TIẾP CAN Chuyên Ngành: Đo Lường Và Các Hệ Thống Điều Khiển Luận văn... thông tin thông qua bus Học Vi? ?n: Nguyễn Trung Hiếu – Chuyên ngành: Kỹ thuật đo & Các hệ thống điều khiển - 10 - Ứng dụng vi điều khiển PIC18F458 truyền thông nối tiếp sử dụng giao thức CAN CAN hệ