基于CAN總線的多路溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計主機硬件

1、 基于CAN總線的多路溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 學生姓名：朱廣東 指導教師：黃震梁 浙江樹人大學信息科技學院 電子信息工程114班 摘 要以嵌入式處理器為核心，總結(jié)CAN總線通信技術(shù)，設(shè)計一套由一個主機，兩個從機組成了溫度采集的系統(tǒng)，兩個從機使用Pt100溫度傳感器來采集各自部分的溫度值，通過CAN總線將兩個從機的溫度數(shù)據(jù)傳輸給主機，主機接收到從機數(shù)據(jù)，并將各個從機的溫度值顯示在LCD液晶屏上。關(guān)鍵詞：溫度采集；ARM7；CAN總線；1引言 1.1CAN總線研究背景與意義 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工

2、等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難采用CAN總線對溫度迸行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 控制器局部網(wǎng)(CANCONTROLLER AREA NETWORK)是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越性能，現(xiàn)己廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。CAN總線從形成并

3、應用于汽車工業(yè)至今，其突出的特點和優(yōu)異的性能使它的應用范圍不斷的擴大。目前在機械工業(yè)、紡織工業(yè)、機器人、醫(yī)療器械、傳感器、智能小區(qū)管理和家用電器等領(lǐng)域都得到了應用和發(fā)展。而且CAN也是目前為止唯一具有國際標準的現(xiàn)場總線，因此CAN具有廣闊的前景。CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。概括起來有下列一些突出的特點：1CAN總線為多主工作方式，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不是傳統(tǒng)的主從方式。2在報文標識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸。 3CAN采用非破壞

4、總線仲裁技術(shù)。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡負載很重的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓情況。 4CAN節(jié)點只需要通過對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。5CAN報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。并且CAN的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，具有極好地檢錯效果。 6CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響。 7CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信

5、數(shù)據(jù)塊進行編碼。使得網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上是不受限制的。但是，實際應用中CAN總線的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前節(jié)點數(shù)可達110個。 8CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜和光纖，選擇靈活。而且CAN總線結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)技術(shù)容易掌握。因此CAN總線具有很高的性價比。 本設(shè)計主要研究了基于CAN總線的溫度采集系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中各種控制場合中的應用。采用單片機外接傳感器的結(jié)構(gòu)框架，保證了系統(tǒng)對現(xiàn)場溫度信號采集的實時性和準確性，而數(shù)據(jù)的傳送采用CAN總線，為整個系統(tǒng)的實時性提供了堅實的通信保障。 1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，尚待研究的問題：溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用雖然已經(jīng)十分廣泛，

6、但從生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比有著較大差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于2O世紀9O 年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主。它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試確定。2.系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 2.1方案一：單片機AT89C51屬標準型，芯片價格低廉

7、，引腳與80C51完全兼容。片上外圍資源豐富，片內(nèi)具有41d3 的Flash ROM程序存貯空間，這不僅給程序修改帶來極大方便，而且避免了外部ROM擴展，降低了節(jié)點成 本和線路復雜性，提高了電路可靠性。另外AT89C51具有在片程序和ROM兩級保密系統(tǒng)，可防止程序被 非法剽竊。SJA1000是PHILIP公司推出的功能很強的CAN 控制器。片內(nèi)含信息緩沖、位流處 理、位定時邏輯、接收濾波、錯誤管理邏輯等電路，并配置有豐富的功能寄存器?？赏瓿蓴?shù)據(jù)成幀、總線填充、 錯誤檢測、總線仲裁及錯誤界定處理等CAN規(guī)范。2.2方案二：采用Luminary公司基于 ARM® CortexTM-M3

8、的控制器LM3S5749。 Luminary Micro Stellaris TM系列的微控制器是首款基于 ARM® CortexTM-M3 的控制器，它將高性能的 32 位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器應用中。這些堪稱先鋒的器件擁有與 8 位和 16 位器件相同的價格，卻能為用戶提供 32 位器件的性能，而且，所有器件都是小型封裝形式提供。Luminary Micro 提供一套完整的解決方案以便快速進入市場，包括用戶開發(fā)板、白皮書和應用手冊，以及強大的支持、銷售和分銷商網(wǎng)絡。我們所設(shè)計的溫度采集系統(tǒng)中只有兩路從機，所需的資源不是很多，采用AT89C51單片機作為微控制已經(jīng)足夠

9、了。由于單片機AT89C51不具有CAN總線控制器，所以SJA1000作為CAN總線的控制器，82C250作為CAN收發(fā)器。3 .總框圖硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)圖1 系統(tǒng)總框圖 根據(jù)圖1，系統(tǒng)主要分為主機部分和從機部分，主機部分可以分為6大模塊：微處理器模塊，電源模塊，LCD顯示模塊，報警模塊，按鍵模塊，CAN控制模塊；從機部分可以分為4大模塊：電源模塊，數(shù)碼管顯示模塊，溫度傳感器模塊，CAN控制器模塊。下面介紹具體模塊的硬件電路。4. 主機的電路設(shè)計： 4.1微處理器PIC18F4580 單片機 圖2 微控制器PIC18F4580單片機PIC18F4580 單片機的特點：主要引腳：電源和接地引腳，

10、震蕩器晶體引腳，時鐘復位引腳，I/O輸入輸出引腳，A/D通道引腳。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能特點特殊的微控制器功能：C 編譯器優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可選擇擴展指令集；·100000擦除/ 寫入周期增強型閃存程序存儲器（標準）；·1000000 擦除/ 寫周期的數(shù)據(jù)EEPRCOM 存儲器（標準）；·閃存/ 數(shù)據(jù)EEP-ROM 存儲：大于40年；·在軟件控制下自編程；·中斷優(yōu)先級；·8 ×8 單周期硬件乘法器；·擴展看門狗定時器：可編程期由41ms至131s；·通過2 個引腳5V單電源內(nèi)電路串行編程（ICSPTM）；·通過

11、2 個引腳內(nèi)電路調(diào)試（ICD ）；·寬工作電壓范圍：（2.0 5.5V）；·ECAV模塊特點：信息比特率高達1Mbps ；·符合CAN2.0B 現(xiàn)行的規(guī)范；·完全逆向兼容PIC18XXX8CAN模塊；·3 個工作模式：傳統(tǒng)，增強型傳統(tǒng)，先進先出：3 個優(yōu)先專用傳輸緩沖器；·2 個專用接收緩沖器；·6 個可編程接收/ 發(fā)送緩沖器；·3 個全29位驗收膜；·16個全90位驗收過濾器配/ 動態(tài)結(jié)合；·設(shè)各網(wǎng)數(shù)據(jù)字節(jié)過濾支持；·遠程自動幀處理；·先進的錯誤管理功能 4.2電源模塊：

12、圖3電源模塊電源模塊為其他系統(tǒng)各模塊提供所需的電源。設(shè)計中除了要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還有在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路設(shè)計等方面進行優(yōu)化。全部硬件電路的電源都由7.2V的可充電蓄電池提供，其中包括單片機的5V電壓，CAN模塊等模塊。在本設(shè)計中我們選用LM7805三端穩(wěn)壓器來將電壓控制在5V，電路圖如上： 4.2.1 LM7805概述：電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管. 用78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有

13、過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正5V，7909表示輸出電壓為負9V。 因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 4.2.2 7805 管腳圖： 圖4 7805 管腳圖 4.2.3 7805電參數(shù)： 參數(shù)符號測試條件最小值典型值最大值單位輸出電壓VoTj=254.8 5.05.2V5.0mA<1o<1.0A,Po<15W Vi=7.5v to 20v4.755.005.25V線性調(diào)整率VoTj=25,Vi=7.5V to 25V4.

14、0100mVTj=25,Vi=8V to 12V1.650mV負載調(diào)整率VoTj=25,lo=5.0mA to 1.5A9100mVTj=25,lo=250mA to 750mA450mV靜態(tài)電流IQTj=255.08mA靜態(tài)電流變化率IQlo=5mA to 1.0A0.030.5mAVi=8V to 25V0.30.8mA輸出電壓溫漂Vo/Tlo=5mA0.8mV/ 輸出噪音電壓VNf=10Hz to 100KHz,Ta=2542V紋波抑制比RRf=120Hz,Vi=8V to 18V 6273輸入輸出電壓差Volo=1.0A,Tj=252V輸出阻抗Rof=1KHz15m短路電流1SCVi=

15、35V,Ta=25230mA峰值電流1PKTj=252.2A 表 1 7805電參數(shù) 4.2.4 7805特性曲線： 圖 5 7805特性曲線 4.3LED顯示模塊： 圖6 LED顯示模塊如圖6該液晶顯示模塊與PIC18F4580的接口電路。該顯示電路采用單片機的通用I/O口對液晶的控制信號直接進行控制，同時將單片機的D口作為其數(shù)據(jù)總線。液晶的第五腳用于液晶顯示對比度的調(diào)節(jié)，它需要通過一個10K的可變電阻接到-12V的電源上。該液晶顯示模塊是使用KB0108及其兼容控制驅(qū)動器作為列驅(qū)動器，同時使用KS0107B及其兼容驅(qū)動器作為行驅(qū)動器的液晶模塊。由于KS0107B不與MPU發(fā)生聯(lián)系，故只要提

16、供電源就能產(chǎn)生行驅(qū)動信號和各種同步信號。MCG12864A8-3共有兩片KS0108B或兼容控制驅(qū)動器和一片HD61203或兼容驅(qū)動器。 4.3.1 LCD1602技術(shù)參數(shù)：顯示容量:16×2個字符 芯片工作電壓:4.55.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm 4.3.2 LCD1602引腳說明：1602LCD采用標準的14腳接口，各引腳接口說明如下表所示:編號符號引腳說明1VSS電源地2VDD電源正極3VL液晶顯示偏壓4RS數(shù)據(jù) 命令選擇5RW讀 寫選擇6E使能信號7D0數(shù)據(jù)8D1數(shù)據(jù)9D

17、2數(shù)據(jù)10D3數(shù)據(jù)11D4數(shù)據(jù)12D5數(shù)據(jù)13D6數(shù)據(jù)14D7數(shù)據(jù) 表2 LCD1602引腳說明第1腳：VSS為地電源。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：

18、E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 4.3.3 LCD1602的指令說明及時序：序號指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址 001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址1計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDR

19、AM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 表 3 內(nèi)部控制指令1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平） 指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置。 指令2：光標復位，光標返回到地址00H。 指令3：光標和顯示模式設(shè)置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。 指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令5：光標

20、或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。 指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。 指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。 指令8：DDRAM地址設(shè)置。 指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。 指令11：讀數(shù)據(jù) 4.4報警模塊： 圖7 報警模塊 在主機部分設(shè)有報警裝置，通過微控制器對接收到的兩個從機的溫度值進行處理，判斷是否超過報警溫度，如果有從機超

21、過報警溫度，主機就會觸發(fā)報警裝置，蜂鳴器就會發(fā)出警報聲。電路圖如上： 4.5按鍵模塊： 圖8按鍵模塊本系統(tǒng)采用的是獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。它軟件是采用查詢式結(jié)構(gòu)，首先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。鍵盤是人與微機打交道的主要設(shè)備，按鍵的讀取容易引起誤動作?？刹捎密浖ザ秳拥姆椒ㄌ幚?，軟件的觸點在閉合和斷開的時候會產(chǎn)生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不采取妥善處理的話，將引起按鍵命令錯誤或重復執(zhí)行，在這里采用軟件延時的

22、方法來避開抖動，延時時間20ms。按下某鍵時，對應的功能鍵解釋程序得到執(zhí)行，如操作者沒有釋放按鍵，則對應的功能會反復執(zhí)行，好象連續(xù)執(zhí)行，在這里我們采用軟件延時250ms，當按鍵沒釋放則執(zhí)行下一條對應程序。利用連擊功能，能實現(xiàn)快速調(diào)時操作。 單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU忙于各項任務時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式?？紤]儀表系統(tǒng)中CPU任務的份量，來確定鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式選取的原則是：既要保證能及時響應按鍵的操作，又不過多的占用CPU的工作時間。鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時掃描方式）、中斷掃描方式。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)

23、量較多的場合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上節(jié)省I/O口。電路圖如上： 4.6 CAN控制模塊： 圖9 CAN控制模塊CAN模塊是整個系統(tǒng)主要的通信核心，主要是傳輸主機和從機之間的數(shù)據(jù)，由單片機通過控制CAN控制器SJA1000,再由CAN收發(fā)器82C250將數(shù)據(jù)傳輸出去。 4.6.1 SJA1000概述：SJA1000 是PHIL IPS 公司設(shè)計生產(chǎn)的一種獨立式CAN 器件,它與CAN2. 0B 相兼容。同時支持11位(BasicCAN 模式) 和29 位(PeliCAN 模式) 識別碼。兩種模式可由軟件編程實現(xiàn)切換。 4.6.2 SJA1000硬件原理圖及說明： 圖 10 SJ

24、A1000硬件原理圖1. 接口管理邏輯負責解釋來自CPU 的命令,控制CAN 寄存器的尋址,向主控制器提供中斷信息和狀態(tài)信息。2. 發(fā)送緩沖器是CPU 與BSP (位流處理器) 之間的接口,能夠存儲發(fā)送到CAN 網(wǎng)絡上的完整信息。緩沖器長13 個字節(jié),由CPU 寫入、BSP 讀出。3. 接收緩沖器是接收過濾器和CPU 之間的接口,用來存儲從CAN 總線上接收的信息。接收緩沖器(RXB ,13 個字節(jié)) 的一個窗口,可被CPU 訪問。CPU 在此FIFO 的支持下,可以在處理信息的時候接收其他信息。4. 接收過濾器把它的數(shù)據(jù)和接收的識別碼的內(nèi)容相比較,決定是否接收信息。在純粹的接收測試中,所有信

25、息都保存在RXFIFO 中。5. 位流處理器是在發(fā)送緩沖器、RXFIFO 和CAN總線之間控制數(shù)據(jù)流的程序裝置。它還執(zhí)行錯誤檢測、仲裁、總線填充和錯誤處理。6. 位時序邏輯監(jiān)視串口的CAN 總線和處理與總線有關(guān)的位時序。它在信息開頭“弱勢- 支配”的總線傳輸時同步CAN 總線位流(硬同步) ,接收信息時再次同步下一次傳送(軟同步) 。BTL 提供了可編程的時間段來補償傳播延遲時間、相位轉(zhuǎn)換(如由于振蕩漂移) 和定義采樣點及每一位的采樣次數(shù)。7. EML 負責傳送層中調(diào)制解調(diào)器的錯誤管理。它接收BSP 的出錯報告,使BSP 和IML 進行錯誤統(tǒng)計。通常情況下,錯誤計數(shù)器計數(shù)達到255 時,將關(guān)閉

26、總線,并自動轉(zhuǎn)入復位狀態(tài),并產(chǎn)生錯誤中斷。經(jīng)過128 個周期的總線空閑后,重新開啟總線。當錯誤計數(shù)器計數(shù)達到96 時(警告限制) ,將產(chǎn)生錯誤中斷。 4.6.3收發(fā)器PCA82C250概述：PCA82C250收發(fā)器是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口，它們可以用高達1mbit/s 的位速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。 4.6.4PCA82C250工作模式：PCA82C250 共有三種不同的工作模式模式控制通過Rs 控制引腳提供。第一種模式是高速模式它支持最大的總線速度和或長度第二種是斜率模式當使用非屏蔽的總線電纜時可以考慮使用這種模式這種模式的輸出轉(zhuǎn)換速度可被故意降低以減少電磁輻射第三種是準備模式這種模式在電池供電的應用要求系統(tǒng)功率消耗非常低的應用中非常有 4.6.5位速度總線