发布时间 : 星期一 文章基于can总线的温度测控系统的设计本科本科毕业论文更新完毕开始阅读
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CAN的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制(Logical Link control，LLC)完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(Medium Access control，MAC)子层完成数据打包/解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。
CAN的分层结构如图3.1所示：
图3.1 CAN的分层结构
3.2 ARM处理器简介 3.2.1 ARM处理器的特点
作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM CPU的关键优点是能兼顾到高性能、低功耗和低价格。首先在低功耗(MIPS/W—百万条指令每秒/瓦)方面具有业界领先的性能。ARM的高性能表现为其体系结构是基于RISC流水线架构，它的指令系统和相关译码机制比那些采用微程序的复杂指令系统的计算机(CISC)简单得多。这个简化带来三个优点:指令的高吞吐率；极其有效的实时中断响应；体积小、性价比高的处理器宏单元。
3.2.2 STM32F103处理器
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本论文中选用ARM微处理器STM32F103。STM32F103系列的处理器集成了高性能的ARM Cortex-M332比特RISC内核，工作频率为72MHz，高速率的嵌入式内存(FLASH Memory达到512K，SRAM达64K）．I/O接口丰富，外围有两个APB总线，所有的设备提供3个12比特的数模转化器，4个常规模的16比特的延时器乘两个PWM延时器，具有标准先进的通信接口：两个I2C总线，三个SPI接口，两个I2S总线，一个SDIO接口，五个USART，并且内部集成了USB和CAN控制器。它的工作温度范围在-40-105℃，工作电压为2.0到3.6伏，可以工作在省电模式下的低电压．STM32F103系列的处理器的封装形式多样，从64引脚到144引脚，可阻根据不同的设备选择不同的外围需要。 3.2.3 STM32F103的主要构成
1、嵌入Flash和SDRAM的ARM Cortex-M332比特RISC内核。ARM Cortex-M332比特RISC处理器是最新代的嵌入式处理器，它已经发展成为以减少管脚数量和低功耗的低成本平台来满足MCU实现，而却有着出色的计算功能和先进的中断响应机制，可以兼容所有的ARM工具和软件。
2、嵌入式的Flash存储器。32字节的存储器可以有效地存储程序和数据。 3、CRC（循环冗余检查）单元。CRC检查器用于从一个32比特数据字里得到一个CRC码和一个外围的发生器，CRC技术在其他的应用中用于不同的数据传送和完整存储，在软件运行过程中产生一个信号来跟连接时产生的参考信号比较，并存储在内存区域。
4、内嵌的SARM。10字节的空间可以保证不需要等待CPU时钟而读写数据。 5、内部和外部中断控制器。内部中断控制器可以解决43路中断，拥有16级的优先权，外部中断控制器通过19路触发器产生外部中断请求，每一路独立的配置选择触发事件。
6、电源提供策略。正常模式，SLOW模式，空闲模式和掉电模式。
7、DMA。灵活的7路DMA可以处理存储器之间和存储器与外围之间的转换，每一路通过软件触发来用于硬件的DMA请求。
8、具有日历功能的RTC时钟。RTC提供时钟日志功能，报警中断，和周期性的中断。
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9、I2C总线。I2C可以工作在多主模式和被动模式下，提供标准和快速模式。 10、CAN控制器。满足CAN2.0A/B协议，可以接收发送11比特标识符的标准数据帧和29比特的扩展帧，有三个传送盒，两个用于接收FIFO。
11、ADC。两个12比特的数模转化器，自动转化输入的模拟信号，可以用于DMA控制器和触摸屏接口。
12、串行线和JATG调试接口(SWJ-DP)。ARM的SWJ-DP接口可以实现串行线和JATG的调试。
13、GPIO（通用输入输出口）。每一个GPIO可以通过软件实现作为输出、输入和外围的转换功能，大多的管脚都具有数模转换功能。
14、看门狗定时器。 3.3 PID控制简介 3.3.1 模拟PID控制
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t）与输出u(t）的关系为：
u(t)=KP[e(t)+1/ Ti*∫e(t)dt+Td*de(t)/dt] ，式中积分的上下限分别是0和t。 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)= KP[1+1/( Ti*s)+Td*s] 其中KP为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。
PID调节的实质：根据输入的偏差信号，按比例、积分、微分的函数关系进行计算，其运算结果用于输出控制。
PID控制的应用很广泛，使用方便，只需设定参数Kp、Ti、Td,三者都是可调的，传统的PID控制具有适应性强鲁棒性强等优点，但是它不能控制复杂的过程。典型的PID控制结构如图3.2所示：
图3.2 PID控制结构
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3.3.2 比例（P）、积分(I)、微分(D)控制
1、比例控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，即GC(s)=KP ,其中KP为比例系数。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比例控制只改变系统的增益而不影响相位，在系统的稳态误差和稳定性上作用，比例系数影响着系统的响应速度，如果想增大开环增益就可以增大比例系数，减少稳态误差，从而提高控制精度，但是因此会产生很大的超调量而付出稳定性下降的代价，或者造成闭环系统不稳定，所以在控制系统中，比例控制一般不会单独使用，可采用比例微分控制。
2、积分控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制是指系统中具有积分控制规律的控制，它的传递函数为：GC(s)= Ti/s，其中Ti是积分系数。对于一个控制系统，如果进入稳态后还有稳定误差的话，那么这个系统称为有差系统，为了消除这个稳定误差，那么就会在控制中加入积分项，积分的时间决定了误差的大小，时间增加，积分就会加大，误差相应的减小，通常情况下，积分控制的主要目的是系统没有稳定误差，但是积分会产生相位滞后而使系统的稳定性变差，加入积分项实际上就是加入了极点，可以使系统没有稳定误差，可是会使瞬态响应造成影响。
3、微分控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分的作用是察觉系统偏差信号的变化率，提前控制偏差的变化，可以在偏差没出现时就可以把误差消除掉。它的传递函数为：GC(s)= Tdτs。由于可以预见偏差，所以在时间常数τ选择合适的前提下，可以减少超调量，提高系统的性能，但是微分控制对外界干扰也有放大作用，因此它会对系统的抗干扰性造成影响，由于微分反映的是变化率，因此当信号没有变化时，它没有调节作用，它也不在控制系统中单独使用，通常结合比例微分或PID控制。
总之，比例环节可以在系统产生偏差时，可以产生控制作用，以减少偏差。积分环节主要可以消除稳定误差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间的长短，时间越长，作用越弱。微分环节可以反映偏差的变化趋势，给出提前量，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。