基于单片机的电动汽车平视显示器设计开题报告

1. 研究目的与意义

电动汽车平视显示器可以模拟开关、按钮、指示灯等电气元件。因此电动汽车平视显示器能在一定程度上取代传统控制面板的功能，节省了plc(programmable logic controller)的i/o模块、按钮开关、数字设定、指示灯以及报警控制等；具有简单图形处理能力，将工作过程中的参数转换为图像的形式；显示和储存重要信息，使工作人员的操作界面更加友好，随时掌握设备的运行状况；也可以对系统故障进行记录，便于设备维护人员获取故障信息，找到诊断方法，有利于系统的维护，减少系统停机时间，提高生产率。电动汽车平视显示器，界面友好、简单易用、形象直观逼真、功能强大、可靠性高、通用性强、适合工业环境，已被很多生产厂商采用。

传统的监控设备多是针对某一个具体的系统或者控制器而开发的，控制系统改变时相应上层的软硬件也必须作相应的改变，这给系统的开发和维护增加了难度，同时也使整个系统的开发成本增加，开发周期变长。若要使系统做到通用，则上层的监控设备上需要有大容量的存储芯片，装载尽可能多的通信协议，这种做法会增加系统的成本，且升级潜力不大，向上兼容几乎不可能。而我们使用soc（system on chip）单片机作中央控制单元，运用通信协议重构的办法，使通信协议和组态文件一起下载到电动汽车平视显示器中来解决对不同类型的控制器的通信兼容问题，按照接口信息最大化原则解决向上兼容的问题，且设备成本低廉。本课题的目地是开发一个通用型电动汽车平视显示器产品，同时探索控制系统的硬件软件综合设计的方法，并将协议重构的理论运用到实践中，为今后的深入研究打下一个初步基础。

2. 课题关键问题和重难点

论文以网络控制系统中控制节点——电动汽车平视显示器开发为研究对象，选用silicon公司的c8051f310为硬件核心，运用keil开发软件平台，在pc机上使用visual c 6.0开发组态软件，构建整个电动汽车平视显示器系统。

充分运用软硬件协同设计的方法，开发了电动汽车平视显示器软硬件平台。在硬件设计的过程中，从原理图的设计开始到pcb设计、制版的完成，每一步都考虑到硬件平台的可靠性、电磁兼容性的问题。选择元件时尽可能选择市场供货稳定，性价比高的元器件，保证软件设计需求的资源得以满足。在软件设计的过程中充分运用模块化的程序设计思想，顺利的实现了各模块，并对程序的优化做了大量的工作，大大提高了程序的执行效率，节省了程序空间。

3. 国内外研究现状（文献综述）

近年来，由于计算机的迅速普及和广泛应用，计算机网络技术蓬勃发展，计算机网络在人们的生产生活中越来越普及，影响日益广泛和重大。而将计算机网络技术全面引入控制系统则带来了控制系统的一系列变革。网络控制系统——“networked control system”，这个词于1998年出现在马里兰大学gregory c.walsh等人的论著中，asok.ray,luck,krtolica,chan和ozguner在相关文章中也用到了这个名词，而同济大学于之训等用了“网络控制系统”的术语，重庆大学张结斌用了“分布式网络控制系统”这样的术语。他们所描述的控制系统具有相似性，即网络化的结构、智能化的现场设备和现场化的控制功能等^[1][2][3]。早期的控制系统由于技术上的限制，采取了集中控制的方式，如组合模拟控制和集中式数字控制^[4]。计算机技术的发展使控制系统的控制方式发展到集散控制系统dcs(distribute control system)。从控制形式上说，集散控制系统是一种主从式的控制系统，系统的控制和管理功能都集中于主站，从节点只相当于一个执行器。这种集散式控制系统的突出缺点是系统的控制风险高，整个系统的可靠性和安全性都维系于主站点。若主站点出现故障，整个系统也就陷于瘫痪。另外，控制系统布线复杂、抗干扰性差、灵活性和扩展性不够^[5]。控制系统从诞生起就产生了信息交流和共享的问题，只是由于技术的原因，早期的控制系统采取的是一种封闭结构。随着计算机和网络通讯技术的发展以及控制和管理要求的提高，控制系统正由封闭的集中体系加速向开放分布式体系发展^[6]。20世纪80年代发展起来的现场总线技术导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集散式全分布控制系统——现场总线控制系统fcs(fieldbus control system)^[7][8][9]。fcs突破了dcs系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案；同时把dcs集中与分散相结合的集散控制系统结构，变成了新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能^[10][11]。这样，fcs系统的可靠性和安全性以及系统的灵活性是显而易见的。但是，现场总线控制系统同样也存在着诸如标准不统一、价格昂贵、可利用的资源少等缺点^[12]。计算机网络的发展使以太网进入工业控制现场已成为事实并将最终引领分布式控制系统向着工业以太网的方向发展^[13]。工业以太网是一种新型的基于网络的控制系统，目前还处于不断的完善和发展过程中^[14][15]。由于以太网具有价格低廉、传输速度高、用户基础广泛、网络抗干扰能力强等突出优点，目前不仅在办公和商业局域网中取得了巨大的成功，而且在工业现场的控制网络中，在pc到pc、plc到plc以及监控层中也有广泛的应用并正在向着工业现场应用的传感器层发展^[16][17]。而开放的嵌入式网络控制系统正是适应控制系统向工业以太网发展的一种控制器形式^[6][18]。开放的嵌入式网络控制系统可以将控制功能下放到底层的现场节点，通过现场的智能节点来完成控制和通讯的任务，同时也可以满足控制系统网络化和通讯的要求，方便的实现信息集成和制造信息化。分布式控制系统的主要控制功能下放到现场智能节点，所以系统设计的重点也就是智能节点的设计。智能节点的控制功能和性能将决定整个控制系统的性能^[19]。电动汽车平视显示器作为控制网络节点，不仅可以将采集的数据加以处理和显示，同时还具备一定的控制功能。总之，网络控制系统是计算机控制系统的进一步发展，是计算机网络在控制领域的扩展和应用，是计算机网络、通讯技术和控制技术互相融合的产物，是自动控制系统的发展方向^[20][21][22]。

[1]montestruque,antsaklis.stability of model-based networked control systems withtime-varying transmission times.automatic control,2004,49(9):1562~1572

[2]walsh,g.c.,hong ye.scheduling of networked control systems.control systemsmagazine,ieee,2001,21(1):57~65

4. 研究方案

本文以网络控制系统节点——电动汽车平视显示器的开发为具体的研究对象，选取c8051f310单片机作为硬件平台核心，采用keil开发软件平台，实现了一个通用电动汽车平视显示器。论文首先介绍网络控制系统的发展历程以及电动汽车平视显示器的应用现状及发展概况，然后介绍电动汽车平视显示器的功能及体系结构，在体系结构中概述系统的软、硬件设计框架。本文的重点是介绍电动汽车平视显示器的硬件平台开发、软件平台开发、可重构通信原理与实现。在硬件平台开发中着重介绍硬件平台的设计原则以及硬件各模块的设计原理与分析；在软件平台开发中介绍了组态文件结构设计以及软件各模块的设计与实现和软件优化；在可重构通信的原理与实现中着重介绍可重构通信在电动汽车平视显示器中的实现。本课题的目地是开发一个通用型电动汽车平视显示器产品，同时探索控制系统的硬件软件协同设计的方法，并将重构通信原理运用到实践中，为今后的深入研究打下基础。电动汽车平视显示器以其友好的人机交互功能，具有灵活性、可靠性及其它强大的功能等，在许多领域尤其是控制复杂、需要随时观察和改变控制参数的系统中已逐步取代传统的控制面板和显示仪表而迅速普及，并必将获得更为广泛的应用。市面上充斥着大量的专用电动汽车平视显示器，让用户眼花缭乱，以至不知道哪种更符合自身的需要，开发一种能够适用于各种应用场合的电动汽车平视显示器已形成了一种呼声。本文在这样的背景下，全面考察通用电动汽车平视显示器的市场前景，开发了基于c8051f系列单片机的电动汽车平视显示器，对其技术进行了全面的研究，具体工作主要体现在以下几个方面：

(1)从通信的分层模型出发，深入探讨了通信模型中的可重构因素，提出了可重构通信设计方法，并给出了具体的实现；同时运用该方法解决了通用电动汽车平视显示器对专用电动汽车平视显示器的兼容问题。(2)深入的分析了通用电动汽车平视显示器的功能需求，考虑产品开发成本等各项因素，提出了以c8051f310单片机为cpu的解决方案。它集成了uart接口、spi接口，尤其是高速的spi接口，为扩展flash存储器提供了极大的方便，系统原理简单，可靠性高。(3)充分运用软硬件协同设计的方法，开发了电动汽车平视显示器软硬件平台。在硬件设计的过程中，从原理图的设计开始到pcb设计、制版的完成，每一步都考虑到硬件平台的可靠性、电磁兼容性的问题。选择元件时尽可能选择市场供货稳定，性价比高的元器件，保证软件设计需求的资源得以满足。在软件设计的过程中充分运用模块化的程序设计思想，顺利的实现了各模块，并对程序的优化做了大量的工作，大大提高了程序的执行效率，节省了程序空间。

5. 工作计划

第一阶段：2023.1.2——2023.1.15完成译文翻译查阅文献；

第二阶段：2023.1.16——2023.2.5指导老师审核译文和开题报告，根据指导老师意见完成修改；

第三阶段：2023.2.6——2023.3.19收发器等硬件选型及搭建，采集车辆相关参数；