基于CAN總線的溫室測(cè)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

2．1 芯片介紹
選擇一款合適的MCU是系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保障。綜合功耗、性能和價(jià)格等各種因素的考慮，本系統(tǒng)采用Freescale公司的MC68S08QG8(以下簡(jiǎn)稱為QG8)作為系統(tǒng)控制信號(hào)采集的芯片。MC68S08QG8單片機(jī)采用高性能、低功耗HCS08飛思卡爾8位微控制器為內(nèi)核，是一款集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富、適用于各種場(chǎng)合的低價(jià)位單片機(jī)。MC68S08QG8除了提供Freescale豐富的外圍接口與HCS08內(nèi)核卓越性能的多功能組合外，還包括更長(zhǎng)的電池壽命(即使工作電壓低至1．8 V，也能發(fā)揮最大效能)、業(yè)界領(lǐng)先的Flash技術(shù)、3個(gè)通信接口(SCI、SPI和IIC)以及創(chuàng)新的開發(fā)支持等其他系列單片機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
智能節(jié)點(diǎn)中CAN控制器完成了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的所有功能，保證通信質(zhì)量。本系統(tǒng)選用了一種獨(dú)立的CAN協(xié)議控制器——Microchip公司的MCP2515。MCP2515完全支持CAN V2．0B技術(shù)規(guī)范，MCP2515還包含3個(gè)發(fā)送緩沖器和2個(gè)接受緩沖器，減少了單片機(jī)的管理負(fù)擔(dān)。與傳統(tǒng)上使用的CAN控制器SJA1000相比較，它與MCU的連接是通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(SPI)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣可以減少芯片使用的引腳，簡(jiǎn)化CAN總線的電路的連接，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
CAN總線收發(fā)器提供CAN控制器與物理總線之間的接口，是影響CAN總線網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性和電磁兼容性的主要因素。本系統(tǒng)采用Phlips公司的TJA1050作為總線收發(fā)器。TJA1050有兩種工作模式：高速和待機(jī)，其中待機(jī)模式可以防止由于CAN控制器失控而造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞。并且在TJA1050中還設(shè)計(jì)了一個(gè)超時(shí)定時(shí)器，用以對(duì)TXD的低電壓(此時(shí)CAN總線上為顯性位)進(jìn)行監(jiān)視。該功能可以避免由于系統(tǒng)硬件或者軟件故障而造成TXD端長(zhǎng)時(shí)問(wèn)為低電位時(shí)總線上所有其他節(jié)點(diǎn)也將無(wú)法通信的情況出現(xiàn)。這也是FJA1050與82C250相比較之后最大的改進(jìn)地方。
2．2 智能節(jié)點(diǎn)硬件電路
智能節(jié)點(diǎn)最小系統(tǒng)硬件電路如圖3所示，主要的連接有以下3個(gè)方面：

1)QG8的SPI接口使用4條信號(hào)線：主機(jī)輸出低有效片選信號(hào)線、主機(jī)輸出線SPSCK、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI以及主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO，分別于MCP2515的、SCK、SI、SO引腳連接。QG8的與MCP2515的中斷引腳相連，可以通過(guò)中斷來(lái)提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。
2)MCP2515的3個(gè)發(fā)送緩沖器TXBn請(qǐng)求發(fā)送引腳(4、5、6引腳)接到+5 V終端，兩個(gè)接收緩沖器RXBn中斷引腳(10、11引腳)空置。由于該測(cè)控系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的要求比較高，MCP2515的TxCAN和RxCAN并不是直接與SJA1050的TXD和RXD相連，而是通過(guò)6N137(高速光耦)后于SJA1050相連，這樣很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，進(jìn)一步提高了該系統(tǒng)的抗干擾能力。不過(guò)需要特別注意的是，光耦部分電路的兩個(gè)VCC、VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率電掾隔離模塊或帶多5 V隔離輸出地開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)。雖然這部分增加了接口電路的復(fù)雜性，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，從而也提高了測(cè)控系統(tǒng)的性能。
3)TJA1050的第8個(gè)引腳VREF是參考電壓，輸出可以空置。第5個(gè)引腳決定芯片的工作模式(高速和待機(jī)兩種模式)，圖中和地之間接47 kΩ的電阻進(jìn)入高速模式(也是正常工作時(shí)的模式)。本系統(tǒng)在CANH和CANL總線輸入端與地之間分別接了一個(gè)SA28A(瞬態(tài)抑制二極管)，當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，通過(guò)SA28A的放電可起到一定的保護(hù)作用。在CANH和CANL之間還接了一個(gè)120 Ω的終端電阻，可以在阻抗不連續(xù)時(shí)消除通信線路中產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)射。