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双路精密曲轴相位传感器设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

传感器作为当今世界重要的检测装置,各行各业都需要用来满足自身的信息处理和控制等要求,这对其性能的要求就越来越高。高需求不但推动了传感器本身行业将来将逐步朝着更加智能化、微型化方向发展,也带动着使用传感器的产业在技术上进行了创新,有利于经济快速发展和产业的快速推进。特别是在汽车领域涉及传感器的通信协议方面,更是需要追求其精确性和时效性。

本文研究的是基于汽车传感器通信协议方面的内容,汽车上位机所匹配的通信协议为KMA200协议,如今的状况是KMA200芯片已经逐渐因其功能单一化而濒临被淘汰,而KMA215芯片因其众多优点则越来越受到人们的青睐。为了保证汽车上位机与传感器之间的通信设备能够正常传输数据,就需要设计一份协议转换来将上位机的旧协议与新芯片的协议相匹配。 本文主要研究了一个基于STM32单片机的协议转换器系统,介绍了KMA200以及KMA215各自的芯片特点,分析了它们工作环境以及相关技术指标的异同,并对其主要程序转换功能进行了设计,解决了二者之间进行通讯的问题,基本达到了本课题研究的目的 ,能够应用于设备间进行协议转换,这为将来对协议转换器方面的数据采集和传输技术提供了一个可靠的解决方案。

关键词:单片机;通讯协议;协议转换;汽车传感器

Abstract

As an important detection device in the world today, sensors need to be used in all walks of life to meet their own information processing and control requirements, which requires higher and higher performance. The high demand not only promotes the development of sensor industry towards more intelligent and miniaturization, but also promotes the technological innovation of sensor industry, which is conducive to the rapid economic development and the rapid advancement of industry. Especially in the field of automotive communication protocols involving sensors, it is necessary to pursue their accuracy and timeliness.

This paper is based on the content of the automobile sensor communication protocol. The communication protocol matched by the upper computer is the KMA200 protocol. Now the situation is that the KMA200 chip is on the verge of being eliminated because of its single function, while the KMA215 chip is more and more popular because of its many advantages. In order to ensure that the communication equipment between the host computer and the sensor can transmit data normally, it is necessary to design a protocol conversion to match the old protocol of the host computer with the protocol of the new chip. This paper mainly studies a protocol converter system based on STM32 MCU, introduces the characteristics of KMA200 and KMA215 chips, analyses the similarities and differences of their working environment and related technical indicators, designs their main program conversion functions, solves the problem of communication between them, basically achieves the purpose of this research, and can be applied to equipment. The protocol conversion provides a reliable solution for data acquisition and transmission technology of protocol converter in the future.

Key Words:Single chip microcomputer; communication protocol; protocol conversion; automotive sensor

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题的背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 设计的任务和要求 3

1.4 论文结构安排 4

1.5 本章小结 4

第2章 方案选择与设计 5

2.1 技术方案 5

2.1.1硬件协议转换器 5

2.1.2软件协议转换器 6

2.2 方案选择 6

2.3 本章小结 6

第3章 系统实现原理 7

3.1 系统总体设计原理 7

3.2 KMA200协议 7

3.2.1 KMA200芯片概述 7

3.2.2 KMA200芯片工作原理 8

3.2.3 KMA200芯片结构 9

3.3 KMA215协议 11

3.3.1 KMA215芯片概述 11

3.3.2 KMA215芯片结构 11

3.3.3 KMA215芯片工作原理 12

3.4 本章小结 13

第4章 协议转换器硬件设计 14

4.1 STM32电路设计 14

4.2 KMA215接口电路设计 15

4.3 KMA200接口电路设计 16

4.3 本章小结 16

第5章 协议转换器软件设计 17

5.1 转换器模块的软件设计 17

5.2 输入接口程序设计 19

5.3 输出接口程序设计 20

5.4 中断程序设计 23

5.5 本章小结 24

第6章 总结与展望 25

参考文献 26

致谢 28

  1. 绪论

1.1 课题的背景、目的及意义

在飞速发展的21世纪,大多数科学和技术发展与传感器密不可分。传感器作为获取各式各样的信息的重要介质,其应用覆盖了我们生活的方方面面,无论是在生产活动还是研究自然规律方向上,传感器正逐步成为获取有效信息的重要手段和方法[1]。而在汽车方面,传感器也是其重要部件之一,不仅可以改善汽车底盘的制动效果,汽车的动力和排放方面的性能也得以提高,还在转向和安全方面的性能也得到极大提升。但是无论传感器应用于哪种场合,不管传感器采集到何种信息,最终的目的都是需要传输到上位机上,因为要了解现场的信息就需要实现信息的再现。目前虽然有多种汽车传感器的信号可以输出,但是其形式固定单一,并且一旦应用于较复杂的场景中,就需要使用不同接口类型的传感器,这样就会导致信息在与上位机进行传输的时候出现延迟或者降低其性能。如果只用一个传感器连接众多输出接口,会导致整个传感器系统本身所占空间变大,违背了传感器设计的初衷[2]。所以这些现实的问题都急需解决,现今国内外有很多公司在协议转换器和接口转换器等方向深入开发和研究,上位机和传感器之间的通讯问题有望得以高效解决。

在汽车领域中,各种传感器之间都具备自身所特有的协议,但由于在通讯行业中局限于管理水平较低和人力资源的缺乏,一方面不同公司为了自身利益不被丧失,制定了互不兼容的协议标准,另一方面不同芯片之间功能不同导致上位机与下位机所需要传输的协议不匹配,导致汽车不能够正常的检测以及显示正确的传感器所传输相关的数值。

本系统是基于stm32单片机把KMA215协议转换成KMA200协议,用来处理汽车上位机和传感器之间的通讯问题。该系统不但节约了成本,提高了传输效率,而且对其他传感器的协议转换也具有一定的参考意义。

1.2 国内外研究现状

由于传感器以及相关通讯协议在电控系统中发挥着巨大的作用,世界各国非常重视其理论研究、产品开发和新材料应用。

在国内,随着西门子、横河等重要的传感器企业逐个进入中国市场,给我国带来了较大的商业合作机遇。一方面这样的形势给我国汽车制造业和工业制造商等传感器的消费者带来了巨大利润,但是也对中国的传感器行业增添了不小的负担。中国的传感器产品制造本身也存在一些问题,包括制造技术比较落后、品种少、生产企业对先进的制造技术没有掌握好、性能好的传感器科研成果转化率较低等等。但归因于改革开放政策,我国传感器市场增长速度逐年增加,其增长速率超过了百分之三十[3]。发展迅速的传感器行业势头良好,广泛应用于工业制造方面和汽车产品等领域,其中汽车产品和电子通讯和专用设备达到了市场总额的五分之三。国内在传感器行业生产诚然有较大发展,但这远不能跟上形势的需求。自上世纪80年代末以来,我国汽车传感器仪表行业行业采用外国尖端技术以及与之相匹配的生产技术,让国内小批量和低水平的车型的需求得到了满足。但是因为起步较晚加之还没有形成系列化、配套化,仍然依附于汽车仪表企业,未形成独立的产业,只有零散的产品配套使用,例如曲轴位置传感器、车速传感器采用的是霍尔式或电磁式,在精确度、抗干扰性、耐环境能力差等方面存在弊端[4]。因此,当世界大部分国家传感器生产规模不断扩大,传感器技术发展迅速的情况下,我国也应该加大对研发传感器方面的投入,重点是加强传感器的创新开发和提高科研成果的转化率以及产业化问题。当前阶段,我国最重要的问题在于将传感器的可靠性和稳定性得以提高,使其达到商业化合格率标准。做这些的前提是需要有水平较高的自动化的工艺设备和先进的制造水平 ,因此解决传感器生产产业化的突出问题就需要在工艺设备上下大功夫。

在传感器协议方面,由于国内的研究起步比较晚,而且研究水平也不是很高,因此对于协议转换理论的研究极其稀缺,只有少部分文献对通信协议转换器的构造特点和性质提出了一些见解[5]。目前在在国内商业上浙大中控公司最具有代表性,因为它已经在HART和FFH总线与以太网之间实现了数据转换。现在主要的研究方向在于现场总线协议的单一性与以太网之间的通信之间进行转换的问题,由于目前现场总线的协议标准的繁杂性,如何在一个系统中实现多种协议的转换的问题需要在理论以及运用上进一步进行研究和开发。

在国外,美日英法等世界大国对传感器技术及其重视,传感器技术已被列入国家核心技术进行重点开发。美国在上世纪80年代早期就成立了国家技术小组,用来协助国家领导和国家企业部门与各大企业在传感器方面进行合作开发工作[2]。国外的企业和部门大多数领域采用的是光电传感器技术,比如在航空航天、军事技术、车辆工程以及检测技术等等。同样以美国为例,在航空航天方面研制出了红外测温传感器,它具有高精度和高耐性的特点,即使是在极其恶劣的坏境下仍然能够测出航空飞机各部件的实时温度。英国的城市交通管理大部分也是用红外光电传感器来检测各路段事故和指挥解除故障。同时,国外现今所生产的汽车中,大部分配置有新型的类似于测量发动机燃料特性和红外夜视装置的光电传感器。

国外在协议转换领域也进步趋缓。在上世纪80年代以前,由于协议转换理论的不一致,在协议转换方面也没有达成共识,因此几乎全部都是性能较差且无模式的协议转换器模型。1986年,Green率先提出了协议转换的基本理论,他还提出了构造协议转换器的基本方案[6]。几年后他的理论在实践中得到了大家的认同,人们将他的理论作为协议转换理论的基石,从此也为协议转换理论得到繁荣发展作下了铺垫。之后有人提出了一种构造协议转换器的方法,即通过寻找两种给定协议的映射[7]-[9]。但这种方法很难实现协议转换的自动化,因为这种方法通过人脑去寻找映射协议的方法。如果协议转换器要能够正常工作的基本要求得不到实现,加入手动调整控制成为了必然性。因此提出了一种转换种子(也叫有限状态机)的概念,它是协议转换器信息序列的约束条件[10],针对其提出的方法即为用两种协议和一个转换种子去构造协议转换器的算法[11]。有学者还提出了一种新的模型,该模型用作分析协议转换的两个主要特征:即翻译和同步[12]。其中翻译主要是检查处于两个协议之间的信息序列是不是有兼容,而同步主要是来提高协议转换的正确性。构造协议转换器的模块化方法,即将给定的协议分成几个模块,每个模块能够兼容,而兼容的功能就构成了功能转换器,将功能转换器组合就成了协议转换器[13]。上文所介绍的协议转换方法均为直接转换法,其前提是假设协议构造器用FIFO(First-In First-Out)队列进行协议转换。有文献还提出了一种转换模型是基于非直接转换的协议[14],它完成协议转换主要是通过在缓冲区插入一系列PUT和GET操作:非FIFO缓冲区用PUT函数将信息存入,而GET函数读出缓冲区中的数据。以上文献是对协议转换器的相关构造方法的大致介绍,而一种协议转换工具CUP得以提出[15]。西班牙Sevillana de Electricidad 电力运营公司和Seville 大学联合开发的CUP,是由其国内工业部通过西班牙国家电力研究计划所赞助。CUP不但可以实现SCADA系统多元件之间的通信,还可以被用来实现能量管理系统间的协议转换。CUP是通过服务适配器方式来实现协议转换功能,而不是采用传统的报文转换器方式,CUP还被成功的应用到西班牙南部电网,该电网是实时监控系统的。还有一种引用了由美国太平洋天然气电气公司发明的一种协议转换器,通过该转换器可以实现多种功能,例如对PLC、RTU、DCS等设备通信协议的转换,该设备还被成功运用到公司的一个SCADA系统[16]。一种协议转换方法还可以实现于现场总线与IP之间,这种方法是通过SNMP(Simple Network Management Protocol)中的协议代理实现的[17]。此外,德国SIEMENS公司和美国Rockwel1公司在协议转换技术已近趋近于成熟,德国SIEMENS公司实现了将以太网与现场层的Profibus总线进行协议转换,美国Rockwel1公司则成功应用了FFH1、DeviceNet、ControlNet等现场总线与以太网之间的互联技术。

1.3 设计的任务和要求

根据KMA200与KMA215芯片的性能要求,调研相关测试环境和技术参数,分析系统方案,提出相应设计结构。设计一款协议转换器,能将KMA215芯片通过单片机转换成KMA200的协议来与宝马上位机进行匹配,实现通讯数据传输及检测。

1.4 论文结构安排

本文根据目前在上位机与KMA215传感器之间通讯协议不匹配存在的问题,设计了一个KMA215协议转换成KMA200协议的协议转换器。本论文主要包含了以下章节内容。

第一章:介绍了课题的研究目的、背景和意义,对传感器以及其协议的发展状况,包含国内外现状也做了分析,根据论文的设计任务和要求,对其结构进行了安排规划。

第二章:介绍了硬件协议转换器和软件协议转换器两种方案,通过对二者实际应用性能对比,我并硬件转换器协议作为本文协议转换器的最终方案。

第三章:介绍了系统总体设计原理,并且对KMA200和KMA215两种协议工作的原理进行了介绍分析。

第四章:介绍了协议转换器的硬件设计模块,包括单片机的硬件模块和KMA200和KMA215芯片的硬件介绍。

第五章:介绍了协议转换器的软件设计模块。包括单片机通过串口接口采集KAM215芯片信息模块和KAM200通过SPI接口与其进行通信的程序设计。

第六章:介绍了对全文的方法总结和心得,包括本设计的缺点和不足,还对传感器以及相关协议未来的展望进行了分析。

1.5 本章小结

本章主要介绍了课题研究的背景、意义和目的,还对国内外传感器及其协议现状进行了了解。主要讲述了传感器的重要性,特别是在汽车领域的传感器,对其在中国和国外的应用进行了简单举例。针对传感器协议方面也提出了一些问题和需要改进的方向,也对协议转换器的重要性进行了阐述。最后对论文的设计要求以及结构安排进行了简要说明。

  1. 方案选择与设计

2.1 技术方案

两种不同协议之间要能够互相通信,一般情况下进行通信的双方会依照约定好的协议进行传输数据。但是在实际生活中,即便通信终端设备的功能一样,但由于厂家生产的型号各不相同,其对外协议也不一致,长期以来对通讯双方都造成不便。为了能够使两种设备间的相互操作,协议转换一直都是优选方案。其中能够实现协议转换最直接也是最有效的工具便是协议转换器,目前存在两种类型的协议转换器:硬件协议转换器和软件协议转换器[18]

2.1.1硬件协议转换器

将协议转换器装置连接在上位机和智能设备之间即为硬件协议转换器,其一端连接智能设备所对应的输出口,另一端连接上位机相应的接口(例如串口),以此可以达到通信接口和通讯协议转换的目的。硬件协议转换器是一个小型的微处理系统,所以其具有与上位机和智能设备两者都相匹配的接口。硬件协议转换器可以将远程终端或者智能设备的通信协议转换成与上位机相匹配的通讯协议,常见的硬件协议转换方法如图2.1所示,即在多个外设与主机之间增加一个协议转换器,据此来完成多个外设与主机之间的信息数据传输与交换[19]。但是硬件协议转换器也存在一些缺陷和不足,因为其实现功能比较少。硬件协议转换器只实现了一些串口的信息参数匹配转换以及数据的格式转换等少数功能。但是硬协议在应用于上位机与多个不同协议的智能终端相连接时,其转化效率较高。

图2.1 硬件协议转换器系统架构图

2.1.2软件协议转换器

在原理方面,软件协议转换器类似于硬件协议转换器,但是不同点在于,软协议不是在协议转换器中运行,而是将其协议转换软件和通讯软件采用嵌入式的方法,嵌入到上位机中运行。软件协议转换器通过了解智能设备的生产厂家所提供的通讯协议来编程,将其设备的参数数据输入到上位机中,这样就可以全面了解并检测到相关设备的工作情况[20]。软件协议转换器也有一些缺点,在应用于智能设备较多的时候,系统的可靠性和稳定性可能会降低。因此,软件协议转换器仅适用于把拥有相同的协议的设备连接到一个主机的场景之中[21]

2.2 方案选择

由于软件协议转换器仅适用于把具有相同的协议设备连接到上位机,而硬件协议转换虽然也有一些缺点,但是基本可以把不同协议进行转换达到与主机通信的目的。结合本文的课题任务是要把KMA215所带的协议转换成KMA200所具有的协议,所以可考虑加一个微处理器来进行做一个硬件协议转换器达到实验目的。再通过学习KMA200和KMA215两种芯片可以知道,KMA200采用的是SPI通信方式。结合大学本科所学知识,51单片机并不具备SPI通信方式的功能,而STM32单片机本身就带有SPI通信功能。因此本实验采用了stm32作为协议转换的微处理器,所选单片机类型为STM32F103ZET6来完成实验。

2.3 本章小结

本章通过对两种不同的协议转换器方案分析,即软件协议转换器和硬件协议转换器。对比两种方案,各有优缺点,其中硬件协议转换器的特点很适合本课题的研究,再结合课题所要用到的KMA200芯片支持SPI通讯,所以选择了STM32单片机作为微处理器。

  1. 系统实现原理

3.1 系统总体设计原理

本系统采用硬件协议转换器,即把单片机放在上位机与传感器之间,STM32作为一个微处理器[22].在该协议转换器中,单片机一方面要与KMA215芯片进行通信,即采集到KMA215相关数据,发送各种控制命令和数据采集命令来获取当前设备的运行参数;另一方面与上位机通信,单片机需要对KMA215芯片所采集到的数据及命令进行分析并转换处理。其转换的结构框图如图3.1所示。

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