基于CAN總線的遠程溫度采集系統(tǒng)

摘要：介紹了CAN總線在遠程溫度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出一種基于獨立的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)計以及軟件設(shè)計方法。實驗表明，該系統(tǒng)采集溫度精確、可靠性高，而且通信距離遠，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場合。

溫度測量是人們?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，對溫度進行準確的測量顯得尤為重要，而在人工操作不便的偏遠地區(qū)、氣候惡略地帶，需要使用自動測溫系統(tǒng)進行溫度的測量。

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時控制。CAN總線能在遠距離傳輸上保持較高的通信速率，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可達110個。CAN總線協(xié)議建立在OSI模型基礎(chǔ)上的，已成為國際化標準并在工業(yè)測控和工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

本文實現(xiàn)了一種遠程溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)含有多個智能的測溫模塊，在每個節(jié)點位置上的測溫模塊不僅可以獨立的進行溫度測量采集，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)場的智能節(jié)點構(gòu)成單個溫度采集模塊，諸多溫度采集模塊構(gòu)成了整個溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)通過CAN總線對各節(jié)點的數(shù)據(jù)進行實時地采集和傳輸，發(fā)送到CAN總線上的數(shù)據(jù)可傳送到上位計算機，通過上位計算機實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

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。其存儲器模塊包含8 kB內(nèi)部程序存儲器、512數(shù)據(jù)存儲器以及內(nèi)置4KB的EEPROM;輸入/輸出接口模塊包含4個8位并行的I/O端口、32個可編程的I/O引腳。

2. 2 測溫電路

測溫電路采用單總線器件DS18B20實現(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0.5℃ DS18B20采用單一總線方式傳輸，接線方式經(jīng)濟靈活，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，可實現(xiàn)將多個 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，進行多節(jié)點溫度的采集。STC89C52可按照DS18B20的序列號得到不同節(jié)點上的溫度值。這是本文實現(xiàn)遠程溫度采集系統(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。其具有差動發(fā)送和差動接收能力。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現(xiàn)，本系統(tǒng)在C語言編程設(shè)計中采用的是 BasicCAN協(xié)議模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本遠程溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩部分：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)計是在STC系列單片機的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)點的軟件設(shè)計首先要進行CAN控制器SJA1000初始化。SJA1000初始化是在復(fù)位情況下默認的BasicCAN模式下進行的。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)位進入默認BasicCAN模式，設(shè)置總線定時寄存器BTR0和BTRl值。所有節(jié)點的這兩個總線定時寄存器設(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)位模式中總線定時寄存器可被讀/寫訪問。驗收濾波器通過驗收代碼寄存器ACR和驗收屏蔽寄存器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)送請求，開始發(fā)送報文。

CAN總線數(shù)據(jù)接收子程序完成報文的接收。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SJA1000收到一幀報文時，將報文濾波后存放在接收緩沖器內(nèi)，再釋放接收緩沖區(qū)，等待下面的報文接收。程序在接收報文時，還要處理單片機中斷關(guān)閉、錯誤警告、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DS18B20進行初始化，初始化成功后發(fā)送溫度轉(zhuǎn)化指令。由此方可對DS18B20進行預(yù)定的操作。主機使用時隙來讀寫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)計及其實現(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，實現(xiàn)基于CAN總線協(xié)議的遠程溫度采集。實驗表明，該溫度采集系統(tǒng)可采集多個遠程溫度采集模塊的數(shù)據(jù)，每一溫度采集模塊都可對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行遠程采集、遠距離傳輸和數(shù)字顯示，系統(tǒng)通過CAN總線對其進行實時地的監(jiān)控和管理。