基于CAN總線的遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)

摘要：介紹了CAN總線在遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出一種基于獨(dú)立的CAN控制器SJA1000和微控制器STC89C52的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)采集溫度精確、可靠性高，而且通信距離遠(yuǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場(chǎng)合。

溫度測(cè)量是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的問題，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探、國防科研等領(lǐng)域扮演著重要的角色，對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量顯得尤為重要，而在人工操作不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)、氣候惡略地帶，需要使用自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度的測(cè)量。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN)是一種串行雙向通信的總線。它采用多主工作方式，能夠支持分布控制和實(shí)時(shí)控制。CAN總線能在遠(yuǎn)距離傳輸上保持較高的通信速率，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可達(dá)110個(gè)。CAN總線協(xié)議建立在OSI模型基礎(chǔ)上的，已成為國際化標(biāo)準(zhǔn)并在工業(yè)測(cè)控和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

本文實(shí)現(xiàn)了一種遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)含有多個(gè)智能的測(cè)溫模塊，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置上的測(cè)溫模塊不僅可以獨(dú)立的進(jìn)行溫度測(cè)量采集，而且它們還可通過CAN總線連接起來集中的管理和監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

溫度采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。位于現(xiàn)場(chǎng)的智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成單個(gè)溫度采集模塊，諸多溫度采集模塊構(gòu)成了整個(gè)溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)通過CAN總線對(duì)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地采集和傳輸，發(fā)送到CAN總線上的數(shù)據(jù)可傳送到上位計(jì)算機(jī)，通過上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)由STC89C52微控制器和其外圍電路組成。外圍電路包含測(cè)溫電路、CAN總線接口電路、LCD顯示模塊等部分。下面就主要部分進(jìn)行詳細(xì)地介紹。

2.1 微處理器

本系統(tǒng)采用能夠兼容8051的STC系列中的STC89C52微處理器。STC89C52微處理器集成了微處理器模塊、存儲(chǔ)器模塊和輸入/輸出接口模塊的8位嵌入式微控制器芯片。其存儲(chǔ)器模塊包含8 kB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器、512數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及內(nèi)置4KB的EEPROM;輸入/輸出接口模塊包含4個(gè)8位并行的I/O端口、32個(gè)可編程的I/O引腳。

2. 2 測(cè)溫電路

測(cè)溫電路采用單總線器件DS18B20實(shí)現(xiàn)。DS18B20內(nèi)部集成了溫度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其溫度測(cè)量范圍包含在-55℃+125℃與之間。它在一定的溫度范圍其精度可達(dá)0.5℃ DS18B20采用單一總線方式傳輸，接線方式經(jīng)濟(jì)靈活，既降低了硬件的成本又提高了系統(tǒng)的可靠性。DS18B20通過位片序列號(hào)，可實(shí)現(xiàn)將多個(gè) DS18B20掛接在一根單總線上，因此可以將該溫度傳感器放在不同的地方，進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)溫度的采集。STC89C52可按照DS18B20的序列號(hào)得到不同節(jié)點(diǎn)上的溫度值。這是本文實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)的關(guān)鍵。DS18B20與STC 89C252的連接如圖2所示。數(shù)字輸入輸出端DQ與單片機(jī)的P2.3口相連。

2.3 CAN總線接口電路

本系統(tǒng)采用了CAN總線通信技術(shù)，以便于數(shù)據(jù)及時(shí)而有效的傳輸。CAN總線接口電路由CAN總線控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器82C50兩部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CAN總線控制器芯片SJA1000是一種獨(dú)立控制器。其具有完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性。CAN總線收發(fā)控制器82C50是CAN總線控制器與物理總線之間的接口。其具有差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收能力。CAN總線通信協(xié)議由CAN控制器芯片和接口芯片共同作用實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)在C語言編程設(shè)計(jì)中采用的是 BasicCAN協(xié)議模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：CAN總線接口軟件部分和溫度采集軟件部分。CAN總線接口軟件設(shè)計(jì)包括：SJA1000的初始化、CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和溫度的接收。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在STC系列單片機(jī)的C語言編程環(huán)境下編寫的。

3.1 CAN控制器SJA1000的初始化

CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行CAN控制器SJA1000初始化。SJA1000初始化是在復(fù)位情況下默認(rèn)的BasicCAN模式下進(jìn)行的。其主要包括設(shè)置CAN模式位選擇工作模式，設(shè)置相應(yīng)的寄存器定義接收濾波方式和總線定時(shí)器。另外還有中斷允許寄存器和輸出模式的設(shè)置等。

首先SJA1000在上電復(fù)位進(jìn)入默認(rèn)BasicCAN模式，設(shè)置總線定時(shí)寄存器BTR0和BTRl值。所有節(jié)點(diǎn)的這兩個(gè)總線定時(shí)寄存器設(shè)置都應(yīng)相同，否則系統(tǒng)可能無法通信。通過設(shè)置這兩個(gè)寄存器從而確定系統(tǒng)的通信波特率和同步跳轉(zhuǎn)寬度。在復(fù)位模式中總線定時(shí)寄存器可被讀/寫訪問。驗(yàn)收濾波器通過驗(yàn)收代碼寄存器ACR和驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR來設(shè)置。其次設(shè)置OCR確定CAN控制器輸出方式。SJA1000初始化完畢，系統(tǒng)即可成功傳輸報(bào)文。

3.2 CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送/接收子程序

CAN總線發(fā)送子程序完成報(bào)文的發(fā)送。CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程圖如圖4所示。程序先把待發(fā)送的信息按照要求的格式組成單幀報(bào)文，并將其寫入SJA1000的發(fā)送緩存寄存器。將SJA1000的命令寄存器CMR第0位置1提出發(fā)送請(qǐng)求，開始發(fā)送報(bào)文。

CAN總線數(shù)據(jù)接收子程序完成報(bào)文的接收。CAN總線接收子程序流程圖如圖5所示。接收數(shù)據(jù)采用中斷方式。當(dāng)SJA1000收到一幀報(bào)文時(shí)，將報(bào)文濾波后存放在接收緩沖器內(nèi)，再釋放接收緩沖區(qū)，等待下面的報(bào)文接收。程序在接收?qǐng)?bào)文時(shí)，還要處理單片機(jī)中斷關(guān)閉、錯(cuò)誤警告、數(shù)據(jù)溢出等各種情況。具體來講，首先將CPU關(guān)中斷，判斷狀態(tài)寄存器的RBS位是否為1，如果為1，就可以接收數(shù)據(jù);接收完之后釋放緩沖寄存器，開放CPU中斷。

3.3 溫度采集軟件

根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，單片機(jī)STC89C52控制DS18B20完成溫度采集。溫度采集軟件流程圖如圖6所示。讀寫前要對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化，初始化成功后發(fā)送溫度轉(zhuǎn)化指令。由此方可對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。主機(jī)使用時(shí)隙來讀寫DS18B20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位。

4 結(jié)束語

本文介紹了該系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)過程。其使用STC89C52作為主控芯片，配合DS18820溫度傳感器、CAN總線電路，實(shí)現(xiàn)基于CAN總線協(xié)議的遠(yuǎn)程溫度采集。實(shí)驗(yàn)表明，該溫度采集系統(tǒng)可采集多個(gè)遠(yuǎn)程溫度采集模塊的數(shù)據(jù)，每一溫度采集模塊都可對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集、遠(yuǎn)距離傳輸和數(shù)字顯示，系統(tǒng)通過CAN總線對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)地的監(jiān)控和管理。