基于freescalehcs12系列单片机的结晶器振动控制系统can通信部分大学本科毕业论文.docx

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基于freescalehcs12系列单片机的结晶器振动控制系统can通信部分大学本科毕业论文

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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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注意事项

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1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

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3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

基于freescaleHCS12系列单片机的结晶器振动控制系统

——CAN通信部分

摘要

连铸是把液态钢用连铸机浇铸、冷凝、切割直接得到铸坯的工艺，他不仅是节约能源，提高成材率的重要措施，并且实现了炼钢浇铸的连续化、自动化，减轻了劳动强度，改善了环境，是炼钢生产的中心环节。

而结晶器是连铸机的关键设备，为了保证连铸生产的顺利进行，需要通过一个振动装置使结晶器按一定的规律振动。

本设计要着重研究的是结晶器振动控制系统的CAN通信部分。

CAN总线是目前应用非常广泛的现场总线之一。

CAN总线起初是被用于汽车监控和监控，但是由于CAN总线本身的独特的设计思想、良好的功能特性、极高的可靠性和现场抗干扰能力，其在工业控制领域也有广泛的应用。

本设计是基于freescaleHCS12系列16位微控制器MC9S12DG128的CAN通信，详细阐述了其硬件和软件的实现过程。

关键词：

连铸机；结晶器；CAN总线；MC9S12DG128单片机

BasedonthefreescaleHCS12seriesmicrocontrollermouldoscillationcontrolsystem——CANcommunicationpart

Abstract

Continuouscastingistechnicstocastingcondenseincisetheliquidsteelbycontinuouscastingmachinetobecastingblank,itisnotonlysavingenergy,improvingratioofsuccess,andanimportantmeasureofthecontinuoussteelcastingrealized,andreducethelaborintensityofautomation,improvetheenvironment,isacentralpartofthesteelmaking.Butthekeyiscastingmouldcastingproductionequipment,inordertoensurethesmooth,needthroughavibrationdevicemakesthecrystallizeraccordingtocertainrulesvibration.

ThisdesignwillputemphasisonCANcommunicationpartofmouldoscillationcontrolsystem.Thecanbusisveryextensivefieldbus.Thecanbuswasoriginallyusedinautomobilemonitoringandcontrol,butduetotheuniquethecanbusitselfthedesignthoughtandgoodfeatures,highreliabilityandanti-interferenceabilityinthefieldofindustrialcontrol,alsowidelyused.Thedesignisbasedonaseriesof16HCS12freescaleMC9S12DG128microcontrollerofcommunication,thispaperexpoundstheCANofthehardwareandthesoftwarerealization.

Keywords:

conticaster；Mould；CANbus；MC9S12DG128microcontroller

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第一章绪论1

1.1研究背景1

1.2本课题意义1

1.3本课题研究方向2

第二章结晶器振动控制系统及HCS系列单片机简介3

2.1结晶器的作用和发展历程3

2.2结晶器振动控制系统总体结构和工作原理4

2.3HCS12系列微控制器简介5

2.4HCS12系列单片机的内核及片上资源6

2.4.1MC9S12DG128单片机的内部结构及引脚功能6

2.4.2MC9S12DG128MCU的功能模块13

第三章CAN总线概述15

3.1概念15

3.2CAN总线的位数值表示17

3.3CAN总线的通信距离18

3.4CAN总线的分层结构19

3.5CAN报文的帧结构19

3.6位定时与同步23

3.7CAN总线高层协议介绍24

3.7.1概述24

3.7.2DeviceNet24

3.7.3CANOpen26

3.7.4SDS26

3.8MSCAN12模块简介27

3.8.1MSCAN12特性27

3.8.2外部引脚28

3.8.3报文存储结构28

3.8.4标识符验收滤波30

第四章硬件设计33

4.1硬件的基本组成33

4.2电路图33

4.3硬件模块和外围电路33

4.3.1总线收发器33

4.3.2时钟电路34

4.3.3电源电路35

4.3.4复位电路35

第五章CAN软件设计36

5.1MSCAN12初始化36

5.2发送子程序37

5.3接收子程序37

结论39

参考文献40

致谢41

附录A42

附录B47

第一章绪论

1.1研究背景

在连续铸钢的生产过程中，结晶器振动技术被广泛使用。

它的主要功能是使结晶器按给定的振幅、频率和波形偏斜特性沿连铸机外弧线运动。

其目的是便于“脱模”，防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出现粘挂漏钢事故。

在连铸结晶器振动技术的发展过程中，相继出现了同步振动、负滑动振动、正弦振动、非正弦振动等多种振动方式。

但迄今为止，工业中广泛使用的仍然是用直流电机或交流变频电机通过偏心凸轮驱动双摇杆机构实现结晶器正弦振动。

;结晶器振动控制的精度与稳定性是保障铸机稳定运行、安全高效生产的前提。

在连铸结晶器振动技术的发展过程中，相继出现了同步振动、负滑动振动、正弦振动、非正弦振动等多种振动方式。

但迄今为止，工业中广泛使用的仍然是用直流电机或交流变频电机通过偏心凸轮驱动双摇杆机构实现结晶器正弦振动。

这主要是因为用偏心凸轮实现正弦波振动波形精确，而且加工容易；同时，正弦波振动与铸坯拉速没有严格要求，即不像同步振动那样，要求结晶器下降速度与铸坯同步，上升比拉速大三倍；也不像负滑动振动那样，结晶器上、下振动与铸坯拉速有较严格的关系。

而且，正弦振动的结晶器速度和加速度分别按正弦和余弦规律变化，在上、下死点速度变化瞬间，冲击力不会过大，速度变化较平稳。

因此，近年来在板坯和方坯连铸机上得到了广泛应用。

1.2本课题意义

结晶器振动装置是连铸过程中的一个非常重要的生产装置，其目的是使结晶器按给定的振幅和频率沿着铸机半径作仿弧运动。

使脱膜更为容易，防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出现粘连漏钢事故。

由于加工不同的钢材需要结晶器按不同的频率和振幅进行振动，而原有的振动台台面在工作过程中没有在线监测振动的振幅，频率和相位装置，所有的振动台的调整都是离线进行的，这对于连续生产高质量产品的加工过程来说缺乏一定的科学性。

为此，建立一套实时在线连续振动监测系统对于提高产品质量，防止漏钢现象具有十分重要的意义。

1.3本课题研究方向

在本设计中，结晶器的振动由摩托罗拉公司生产的freescaleHCS12系列单片机进行控制。

freescaleHCS12系列单片机是基于16位CPU的控制器，其内部功能非常丰富。

HCS12系列拥有大容量内存（可达12KBRAM和256KB闪存）和5VDC工作电压。

HCS12系列的各种型号可工作在最高25MHZ的时钟频率下。

内部集成有模数转化系统（ATD）、脉冲宽度调制系统、CAN控制器，定时器系统配备一个8通道、16位的定时器。

我所做的CAN通信部分是结晶器振动系统的一部分，剩下的部分由另外三位同学完成。

CAN是ContmllerAtcaNctwork的英文缩写，属于现场总线的一种，是一种简化型网络结构，为了有别于LAN故称为控制器局域网。

本设计是基于freescaleHCS12系列16位微控制器MC9S12DG128的CAN通信，文中详细阐述了其硬件和软件的实现过程。

第二章结晶器振动控制系统及HCS系列单片机简介

2.1结晶器的作用和发展历程

进入21世纪以来，我国连铸技术处于高速发展时期，2001年全国生产钢15163万吨，全国连铸比达到89.68%，首次超过世界连铸平均水平。

结晶器振动技术是钢厂连铸生产的关键技术，对结晶器振动控制系统的研究具有重要的现实意义。

结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机心脏设备和关键技术。

回顾连续铸钢的发展历史，连续浇铸的生产方式首先是从有色金属开始的。

铸机采用的是垂直固定的结晶器，拉坯过程中，坯壳极易与结晶器壁发生粘结，从而导致拉不动或拉漏事故。

据有关文献记载，1913年瑞典人皮尔逊（A·H·Pehrson）曾提出结晶器应按照一定的振幅和频率做往复运动的想法，但真正将这一想法付诸实施的却是德国人容汉斯（S·Junghans）。

容汉斯开发的结晶器振动装置于1933年成功的应用于有色金属黄铜的连铸。

  1949年容汉斯的合作者美国人艾尔文·罗西（Irving·Rossi）获得了容汉斯振动结晶器的使用权，并在美国的阿·勒德隆钢公司（AlleghengLudlumSteelCorporation）的Watervliet厂的一台方坯试验连铸机上采用了振动结晶器。

与此同时，容汉斯振动结晶器又被应用于德国曼内斯曼（Mannesmann）公司胡金根厂（Huckiugen）的一台连续铸钢试验连铸机。

容汉斯振动结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使其在钢连铸中迅速得到了推广。

从此，结晶器振动便成了连铸生产的标准操作。

可以看出是振动的结晶器使连续铸钢生产实现了工业化。

结晶器由静止变为振动，引起了连铸工作者的广泛关注和兴趣，人们纷纷进行试验研究工作，对粘结性漏钢机理进行了研究，发展了各种结晶器振动规律。

最早出现的是矩形速度振动规律，基于“拉裂——焊合”理论，其特点是结晶器在下降时与铸坯做同步运动，然后以3倍的拉坯速度上升，即所谓的3:

1型振动方式。

这种振动方式对铸坯脱模是有效的，早期得到了应用。

但其主要缺点是机械加工比较困难，振动机构和拉坯机构之间要有严格的电器连锁，在上升和下降的转折点处速度变化很大，设备冲击大，不利于采用高频振动。

但这种波形的采用，使固定的结晶器变为振动的结晶器，使结晶器技术产生一个飞跃。

随着负滑动理论的出现，矩形速度规律被梯形速度规律所代替，其特点是结晶器向下运动过程中有较长一段时间其速度稍大于拉坯速度，即“负滑脱运动”，使坯壳中产生压应力，可以使拉裂的坯壳压合，使粘结的坯壳强制脱模，结晶器在上升、下降转折点处速度变化较缓和，提高了设备的平稳性，梯形波的出现使连铸的生产更加顺畅，这种速度波形沿用了很多年，负滑动理论一直沿用至今。

随着负滑动理论的不断发展和完善，出现了正弦速度规律，正弦振动速度规律采用偏心轮实现。

这种振动规律打破了结晶器和铸坯之间要有一定的速度关系的限制，着重发挥它的脱模作用，用偏心轮代替凸轮，正弦振动仍有一小段负滑动阶段，有利于脱模和拉裂坯壳的焊合，速度、加速度变化平缓，采用偏心轮设备简单，易于加工制造、安装和维护，运动精度高，设备运动平稳，冲击小，易于采用较高频率振动。

正弦振动目前仍被广泛应用。

非正弦振动速度波形的特点是：

结晶器向上运动到最大位移的时间比正弦振动有一段时间滞后，结晶器向上运动的速度小，向下运动的速度大。

其负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面振痕深度，正滑动时间长，可以增加保护渣的耗量，增强结晶器壁与坯壳间的润滑，正滑动速度差小，可以减小摩擦力，减小坯壳中的拉应力，减少拉裂；负滑动量大，即结晶器相对于铸坯向下运动的位移量大，有利于铸坯的强制脱模。

由于非正弦振动能够获得合理的工艺参数，适应高拉速，且能获得良好的表面质量，因此受到了人们的重视，被广大连铸工作者确认为是发展高效连铸的关键技术之一。

结晶器按照一定的规律进行振动需要有精确的控制，对结晶器振动的控制可以采用多种方式，本设计采用的是freescaleHCS12系列单片机。

2.2结晶器振动控制系统总体结构和工作原理

结晶器振动相当于一种脱模的作用，其目的是防止铸坯粘结而发生拉裂或漏钢，同时结晶器作上下振动时，能周期性地改变钢液面和结晶器壁的相对位置，有利于改善结晶器内壁表面的润滑状况，减小粘结阻力和摩擦阻力，还可改善铸坯的表面质量。

结晶器向上运动时，减少新生的坯壳与铜壁产生粘结，以防止坯壳受到较大的应力，使铸坯表面出现裂痕，在往下运动过程中，与铸坯速度相等时，坯壳与结晶器之间没有相对运动，因而钢水在此段时间内有机会形成足够强度的坯壳，从而保证钢坯的质量。

连铸结晶器振动计算机控制系统的总体结构如图2.1所示。

系统包括计算机和模拟量控制两大部分。

图2.1结晶器振动控制系统结构图

2.3HCS12系列微控制器简介

摩托罗拉68HC12/HCS12微控制器家族是基于16位CPU的控制器，他们的前身是68HC11。

68HC11是一种8位微控制器，自其在20世纪80年代中期发明后，已成为许多嵌入式系统的动力核心。

1996年，摩托罗拉开发了68HC12控制器家族，主要有两个不同的系列：

68HC12A4系列和68HC912B32系列。

自那以后，涌现出许多不同型号的68HC12微控制器。

68HC12A4系列主要运行于扩展模式，而B32系列主要用于单片机模式。

2002年摩托罗拉从68HC12微控制器生产线升级开发了HCS12产品系列。

HCS12软件兼容HCll，与HC12相比，该系列在总线速度、时钟、存储器、接口等方面均有变化。

首先HCS12采用摩托罗拉的第三代快闪存储器，容量32－512KB，具有快速编程能力、灵活的保护与安全机制，有利于软件版权的保护。

而且擦除和写入无需外加高电压；HCS12的RAM和EEPROM容量总体上高于HC12系列，分别为2-14KB和l-4KB。

在串行接口方面，HCS12最多可支持5个CAN总线接口、1个J1850接口、1个

总线接口、2个SCI接口、3个SPI接口，以后还计划增加USB和其他接口。

其次，HCS12时钟发生器模块内设PLL，内部时钟可软件调节。

HCS12的一些性能优于HC12系列，尤其是FLASH模块，采用了先进的0.25μm工艺，无需外加编程电压，最短整体擦除时间仅100ms，512字节页擦除时间仅20ms。

HCS12系列单片机有一个或多个内嵌的摩托罗拉可扩展控制器区域网络（msCAN）模块。

CAN起源于20世纪80年代中期的汽车工业，德国的Bosch公司最初为了汽车监控和控制系统设计了CAN总线，现在，世界上许多的著名汽车制造厂商都已经开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。

由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已经不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。

CAN已经形成国际标准，并已经被公认为几种最有前途的现场总线之一。

2.4HCS12系列单片机的内核及片上资源

在本设计中具体用到是HCS12系列单片机中的MC9S12DG128单片机，它是MC9S12系列单片机的一员。

下面将对MC9S12系列单片机做详细介绍。

MC9S12系列单片机采用了高性能的16位处理器HCS12，可提供丰富的指令系统，具有较强的数值运算和逻辑运算能力；期内大容量的FLASH存储器具有在线编程能力，EEP-ROM和RAM可存储各种控制参数。

MC9S12的低功耗晶振、复位控制、看门狗及实时中断等配置和功能更有助于系统的可靠运行。

MC9S12有多个系列几十个品种，而且仍在不断发展中。

该系列单片机有很高的集成度，片上集成了很多功能模块，丰富的外设资源使用户使用起来十分方便。

2.4.1MC9S12DG128单片机的内部结构及引脚功能

MC9S12系列单片机简称S12系列单片机。

典型的HC12总线频率为8MHz，而典型的S12总线速度为25MHz。

总线速度指的是CPU执行一条基本指令的速度。

CPU12是高速的16位处理单元，指令集兼容以前的版本M68HC12，M68HC12的源代码不经修改就能拿到CPU12内核的单片机上使用。

HC12和S12指令完全兼容，故在很多场合下，写成HCS12系列单片机。

从HC12到S12，单片机的功能有所增强，包括运行频率的提高和功能模块的增加、增强。

与多数单片机的仿真调试方式不同，MC9S12具有的背景调试模块为单片机的开发提供了便利，BDM能在单片机运行时对单片机动态调试。

丰富的外设和I/O资源是MC9S12系列单片机的一大特色。

多数引脚具有复用功能，给用户提供了很大的灵活性。

MC9S12系列单片机的A口、B口在扩展方式下作为分时复用的地址/数据总线，E口的部分口线作为控制总线，在系统扩展的时候使用。

每一种接口都具有双重功能，即通用I/O功能和特殊接口功能，在单片模式下，甚至A口、B口和E口的一部分也可以用作通用I/O口。

这些双重功能的I/O口本身及其控制逻辑完全集成在MCU内部，其体积、功耗、可靠性、应用简单方便程度都与用户扩充的I/O口有着重要的区别。

单线背景调试模式（BDM）和时钟监视部分用于开发支持和运行安全，更是他的特色。

内部Flash程序存储器容量达256KB，可以用来保存程序和原始数据，在正常工作是没有被改写的危险。

12KB的RAM存储器可以用作堆栈、保存中间结果及动态数据，甚至可以在调试时存放程序。

4KB的EEPROM可以保存组态、设置信息等半永久数据。

16位的CPU12具有16位乘法和32位除16位的整数乘除运算指令，内部设有指令队列，最小总线周期仅为40ns，I/O与存储器统一编址。

特有的BDM调试方式无需仿真器，可以实现硬件断点、条件断点、在线调试等全部调试功能，外部只需简单的接口和相应的软件即可。

内部集成了看门狗功能，可以保证程序跑飞后快速恢复。

时钟监视更具特色，它可以监视系统时钟的运行异常，例如时钟频率下降等，两者结合等于为系统安全加了双保险。

内部集成的外设除了常规的定时器、串行接口、并行接口以外，还包括ATD、ECT、SPI、BDLC、CAN等，其中ATD有16个10位模拟输入通道，内部具有多路器和采样保持，可以设定各种采样方式，可以采用中断方式工作。

定时器模块具有8个独立可编程通道，每个通道可以单独设置成输入捕捉/输出比较方式。

集成的串行接口SCI有2个，SPI有3个，工作方式及参数可以根据应用要求设置。

内部8个8位的PWM通道可以组合成4个16位通道。

BDLC和CAN总线接口使系统可以直接接入相应的小型局域网。

此外，MC9S12还具有暂停和等待模式，在满足要求的前提下，可以最大限度地降低功率消耗。

MC9S12有两种典型的封装形式，即LQFP112和QFP80。

其中除了地址、数据、控制等三总线外，主要是I/O引脚，多数引脚具有两种或更多功能。

1.电源相关引脚

（1）VDDR和VSSR——数字电源和接地引脚

外部电源和地引脚，提供I/O驱动和电压调整器的输入。

为了满足信号的快速上升要求，一般要求电源能提供瞬时大电流，因此要在两个之间放置旁路电容，并且要尽量靠近MCU，具体旁路要求取决于MCU引脚的负载。

（2）VDDX和VSSX——I/O电源和接地引脚

外部电源和地引脚，提供I/O驱动。

要在两个之间放置旁路电容，并且要尽量靠近MCU。

（3）VDDA和VSSA——ADC转换模块电源和接地引脚

为电压调整器和AD转换器提供电源和地，同时为内部电压调整器提供参考电压。

两个引脚之间需要放置旁路电容。

（4）VRH和VRL——ADC参考电源输入引脚

AD转换器的参考电压输入引脚，其精度和稳定性直接影响转换结