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

摘要：測(cè)控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是溫室作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效栽培的關(guān)鍵。針對(duì)當(dāng)前溫室測(cè)控系統(tǒng)中需要解決的各種問(wèn)題——降低成本、降低功耗、提高抗干擾能力、提高實(shí)時(shí)性和通信速率，提出了CAN總線在基于微控制器MC68S08QG8的測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了單個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議。運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：CAN總線；MC68S08QG8；測(cè)控系統(tǒng)；應(yīng)用層協(xié)議

CAN(Controller Area Network)總線又稱(chēng)為控制局域網(wǎng)，是一種多主方式串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。由于CAN總線具有造價(jià)低、通信速度快、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)行業(yè)、機(jī)械工業(yè)、家用電器及傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
溫室控制技術(shù)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，在目前的溫室系統(tǒng)中主要是靠RS-485總線來(lái)組成控制網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)和信息傳送到主控機(jī)中。其通信速率、節(jié)點(diǎn)連接數(shù)目都受到一定的限制。
本文提出了以CAN總線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的通信速率最高可達(dá)1 Mbps／40 m，掛接的設(shè)備可達(dá)110個(gè)。另外信號(hào)的傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。并且一旦網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，該節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以主動(dòng)切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)及通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，降低了惡劣環(huán)境對(duì)于溫室系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和擴(kuò)充性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
溫室測(cè)控系統(tǒng)采用分布式多主方式進(jìn)行通信。系統(tǒng)主要由主控上位機(jī)、CAN總線和多個(gè)智能測(cè)控模塊組成(注意：各個(gè)智能測(cè)控模塊之間存在強(qiáng)烈的相互關(guān)系)。通過(guò)對(duì)溫室內(nèi)外，特別是溫室內(nèi)部各種影響作物生長(zhǎng)的要素用相應(yīng)智能傳感器進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)CAN總線傳送給主控上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)打印、分析和處理、參數(shù)設(shè)置并且控制有關(guān)設(shè)備等工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室要素的調(diào)控，保證了作物生長(zhǎng)所需的環(huán)境。系統(tǒng)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1是溫室測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
溫室測(cè)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由多個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如圖2所示。本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩芯電纜(CANH和CANL)雙絞線連接。主要由微控制器MC68S08QG8，CAN通信控制器MCP2515和CAN收發(fā)器TJA1050組成。本文中微控制器MC68S08QQ8與控制器MCP2515是通過(guò)SPI口連接，測(cè)控節(jié)點(diǎn)通過(guò)微控制器MC68S08QG8的IIC口來(lái)連接的。智能節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是由溫室內(nèi)外所測(cè)控的環(huán)境要素來(lái)決定的，但是任意智能節(jié)點(diǎn)均可以像以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)那樣直接掛接在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，即在不犧牲可靠性的前提下進(jìn)一步擴(kuò)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。