基于CAN总线的多路温度采集系统的设计主机硬件

1、 基于CAN总线的多路温度采集系统的设计 学生姓名：朱广东 指导教师：黄震梁 浙江树人大学信息科技学院 电子信息工程114班 摘 要以嵌入式处理器为核心，总结CAN总线通信技术，设计一套由一个主机，两个从机组成了温度采集的系统，两个从机使用Pt100温度传感器来采集各自部分的温度值，通过CAN总线将两个从机的温度数据传输给主机，主机接收到从机数据，并将各个从机的温度值显示在LCD液晶屏上。关键词：温度采集；ARM7；CAN总线；1引言 1.1CAN总线研究背景与意义 在现代化的工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工

2、等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难采用CAN总线对温度迸行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。 控制器局部网(CANCONTROLLER AREA NETWORK)是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能，现己广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。CAN总线从形成并

3、应用于汽车工业至今，其突出的特点和优异的性能使它的应用范围不断的扩大。目前在机械工业、纺织工业、机器人、医疗器械、传感器、智能小区管理和家用电器等领域都得到了应用和发展。而且CAN也是目前为止唯一具有国际标准的现场总线，因此CAN具有广阔的前景。CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。概括起来有下列一些突出的特点：1CAN总线为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不是传统的主从方式。2在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输。 3CAN采用非破坏

4、总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动地退出发送，而高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况。 4CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。5CAN报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。并且CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，具有极好地检错效果。 6CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响。 7CAN协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信

5、数据块进行编码。使得网络内的节点个数在理论上是不受限制的。但是，实际应用中CAN总线的节点数主要取决于总线驱动电路，目前节点数可达110个。 8CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆和光纤，选择灵活。而且CAN总线结构简单，开发技术容易掌握。因此CAN总线具有很高的性价比。 本设计主要研究了基于CAN总线的温度采集系统在工业领域中各种控制场合中的应用。采用单片机外接传感器的结构框架，保证了系统对现场温度信号采集的实时性和准确性，而数据的传送采用CAN总线，为整个系统的实时性提供了坚实的通信保障。 1.2国内外的研究现状和发展趋势，尚待研究的问题：温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，

6、但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于2O世纪9O 年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。2.系统的总体设计方案 2.1方案一：单片机AT89C51属标准型，芯片价格低廉

7、，引脚与80C51完全兼容。片上外围资源丰富，片内具有41d3 的Flash ROM程序存贮空间，这不仅给程序修改带来极大方便，而且避免了外部ROM扩展，降低了节点成 本和线路复杂性，提高了电路可靠性。另外AT89C51具有在片程序和ROM两级保密系统，可防止程序被 非法剽窃。SJA1000是PHILIP公司推出的功能很强的CAN 控制器。片内含信息缓冲、位流处 理、位定时逻辑、接收滤波、错误管理逻辑等电路，并配置有丰富的功能寄存器。可完成数据成帧、总线填充、 错误检测、总线仲裁及错误界定处理等CAN规范。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，它将高性能的 32 位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器应用中。这些堪称先锋的器件拥有与 8 位和 16 位器件相同的价格，却能为用户提供 32 位器件的性能，而且，所有器件都是小型封装形式提供。Luminary Micro 提供一套完整的解决方案以便快速进入市场，包括用户开发板、白皮书和应用手册，以及强大的支持、销售和分销商网络。我们所设计的温度采集系统中只有两路从机，所需的资源不是很多，采用AT89C51单片机作为微控制已经足够

9、了。由于单片机AT89C51不具有CAN总线控制器，所以SJA1000作为CAN总线的控制器，82C250作为CAN收发器。3 .总框图硬件电路设计与实现图1 系统总框图 根据图1，系统主要分为主机部分和从机部分，主机部分可以分为6大模块：微处理器模块，电源模块，LCD显示模块，报警模块，按键模块，CAN控制模块；从机部分可以分为4大模块：电源模块，数码管显示模块，温度传感器模块，CAN控制器模块。下面介绍具体模块的硬件电路。4. 主机的电路设计： 4.1微处理器PIC18F4580 单片机 图2 微控制器PIC18F4580单片机PIC18F4580 单片机的特点：主要引脚：电源和接地引脚，

10、震荡器晶体引脚，时钟复位引脚，I/O输入输出引脚，A/D通道引脚。内部结构和功能特点特殊的微控制器功能：C 编译器优化结构，可选择扩展指令集；·100000擦除/ 写入周期增强型闪存程序存储器（标准）；·1000000 擦除/ 写周期的数据EEPRCOM 存储器（标准）；·闪存/ 数据EEP-ROM 存储：大于40年；·在软件控制下自编程；·中断优先级；·8 ×8 单周期硬件乘法器；·扩展看门狗定时器：可编程期由41ms至131s；·通过2 个引脚5V单电源内电路串行编程（ICSPTM）；·通过

11、2 个引脚内电路调试（ICD ）；·宽工作电压范围：（2.0 5.5V）；·ECAV模块特点：信息比特率高达1Mbps ；·符合CAN2.0B 现行的规范；·完全逆向兼容PIC18XXX8CAN模块；·3 个工作模式：传统，增强型传统，先进先出：3 个优先专用传输缓冲器；·2 个专用接收缓冲器；·6 个可编程接收/ 发送缓冲器；·3 个全29位验收膜；·16个全90位验收过滤器配/ 动态结合；·设各网数据字节过滤支持；·远程自动帧处理；·先进的错误管理功能 4.2电源模块：

12、图3电源模块电源模块为其他系统各模块提供所需的电源。设计中除了要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还有在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路设计等方面进行优化。全部硬件电路的电源都由7.2V的可充电蓄电池提供，其中包括单片机的5V电压，CAN模块等模块。在本设计中我们选用LM7805三端稳压器来将电压控制在5V，电路图如上： 4.2.1 LM7805概述：电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管. 用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有

13、过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正5V，7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。 4.2.2 7805 管脚图： 图4 7805 管脚图 4.2.3 7805电参数： 参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输出电压VoTj=254.8 5.05.2V5.0mA<1o<1.0A,Po<15W Vi=7.5v to 20v4.755.005.25V线性调整率VoTj=25,Vi=7.5V to 25V4.

14、0100mVTj=25,Vi=8V to 12V1.650mV负载调整率VoTj=25,lo=5.0mA to 1.5A9100mVTj=25,lo=250mA to 750mA450mV静态电流IQTj=255.08mA静态电流变化率IQlo=5mA to 1.0A0.030.5mAVi=8V to 25V0.30.8mA输出电压温漂Vo/Tlo=5mA0.8mV/ 输出噪音电压VNf=10Hz to 100KHz,Ta=2542V纹波抑制比RRf=120Hz,Vi=8V to 18V 6273输入输出电压差Volo=1.0A,Tj=252V输出阻抗Rof=1KHz15m短路电流1SCVi=

15、35V,Ta=25230mA峰值电流1PKTj=252.2A 表 1 7805电参数 4.2.4 7805特性曲线： 图 5 7805特性曲线 4.3LED显示模块： 图6 LED显示模块如图6该液晶显示模块与PIC18F4580的接口电路。该显示电路采用单片机的通用I/O口对液晶的控制信号直接进行控制，同时将单片机的D口作为其数据总线。液晶的第五脚用于液晶显示对比度的调节，它需要通过一个10K的可变电阻接到-12V的电源上。该液晶显示模块是使用KB0108及其兼容控制驱动器作为列驱动器，同时使用KS0107B及其兼容驱动器作为行驱动器的液晶模块。由于KS0107B不与MPU发生联系，故只要提

16、供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号。MCG12864A8-3共有两片KS0108B或兼容控制驱动器和一片HD61203或兼容驱动器。 4.3.1 LCD1602技术参数：显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm 4.3.2 LCD1602引脚说明：1602LCD采用标准的14脚接口，各引脚接口说明如下表所示:编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压4RS数据 命令选择5RW读 写选择6E使能信号7D0数据8D1数据9D

17、2数据10D3数据11D4数据12D5数据13D6数据14D7数据 表2 LCD1602引脚说明第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚：

18、E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 4.3.3 LCD1602的指令说明及时序：序号指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址 001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址1计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDR

19、AM读数11读出的数据内容 表 3 内部控制指令1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平） 指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。 指令2：光标复位，光标返回到地址00H。 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标

20、或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 指令7：字符发生器RAM地址设置。 指令8：DDRAM地址设置。 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。 指令11：读数据 4.4报警模块： 图7 报警模块 在主机部分设有报警装置，通过微控制器对接收到的两个从机的温度值进行处理，判断是否超过报警温度，如果有从机超

21、过报警温度，主机就会触发报警装置，蜂鸣器就会发出警报声。电路图如上： 4.5按键模块： 图8按键模块本系统采用的是独立式键盘结构，每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。它软件是采用查询式结构，首先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。键盘是人与微机打交道的主要设备，按键的读取容易引起误动作。可采用软件去抖动的方法处理，软件的触点在闭合和断开的时候会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不采取妥善处理的话，将引起按键命令错误或重复执行，在这里采用软件延时的

22、方法来避开抖动，延时时间20ms。按下某键时，对应的功能键解释程序得到执行，如操作者没有释放按键，则对应的功能会反复执行，好象连续执行，在这里我们采用软件延时250ms，当按键没释放则执行下一条对应程序。利用连击功能，能实现快速调时操作。 单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU忙于各项任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中CPU任务的份量，来确定键盘的工作方式。键盘的工作方式选取的原则是：既要保证能及时响应按键的操作，又不过多的占用CPU的工作时间。键盘的工作方式有：查询方式（编程扫描，定时扫描方式）、中断扫描方式。矩阵式键盘适用于按键数

23、量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上节省I/O口。电路图如上： 4.6 CAN控制模块： 图9 CAN控制模块CAN模块是整个系统主要的通信核心，主要是传输主机和从机之间的数据，由单片机通过控制CAN控制器SJA1000,再由CAN收发器82C250将数据传输出去。 4.6.1 SJA1000概述：SJA1000 是PHIL IPS 公司设计生产的一种独立式CAN 器件,它与CAN2. 0B 相兼容。同时支持11位(BasicCAN 模式) 和29 位(PeliCAN 模式) 识别码。两种模式可由软件编程实现切换。 4.6.2 SJA1000硬件原理图及说明： 图 10 SJ

24、A1000硬件原理图1. 接口管理逻辑负责解释来自CPU 的命令,控制CAN 寄存器的寻址,向主控制器提供中断信息和状态信息。2. 发送缓冲器是CPU 与BSP (位流处理器) 之间的接口,能够存储发送到CAN 网络上的完整信息。缓冲器长13 个字节,由CPU 写入、BSP 读出。3. 接收缓冲器是接收过滤器和CPU 之间的接口,用来存储从CAN 总线上接收的信息。接收缓冲器(RXB ,13 个字节) 的一个窗口,可被CPU 访问。CPU 在此FIFO 的支持下,可以在处理信息的时候接收其他信息。4. 接收过滤器把它的数据和接收的识别码的内容相比较,决定是否接收信息。在纯粹的接收测试中,所有信

25、息都保存在RXFIFO 中。5. 位流处理器是在发送缓冲器、RXFIFO 和CAN总线之间控制数据流的程序装置。它还执行错误检测、仲裁、总线填充和错误处理。6. 位时序逻辑监视串口的CAN 总线和处理与总线有关的位时序。它在信息开头“弱势- 支配”的总线传输时同步CAN 总线位流(硬同步) ,接收信息时再次同步下一次传送(软同步) 。BTL 提供了可编程的时间段来补偿传播延迟时间、相位转换(如由于振荡漂移) 和定义采样点及每一位的采样次数。7. EML 负责传送层中调制解调器的错误管理。它接收BSP 的出错报告,使BSP 和IML 进行错误统计。通常情况下,错误计数器计数达到255 时,将关闭

26、总线,并自动转入复位状态,并产生错误中断。经过128 个周期的总线空闲后,重新开启总线。当错误计数器计数达到96 时(警告限制) ,将产生错误中断。 4.6.3收发器PCA82C250概述：PCA82C250收发器是协议控制器和物理传输线路之间的接口，它们可以用高达1mbit/s 的位速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据。 4.6.4PCA82C250工作模式：PCA82C250 共有三种不同的工作模式模式控制通过Rs 控制引脚提供。第一种模式是高速模式它支持最大的总线速度和或长度第二种是斜率模式当使用非屏蔽的总线电缆时可以考虑使用这种模式这种模式的输出转换速度可被故意降低以减少电磁辐射第三种是准备模式这种模式在电池供电的应用要求系统功率消耗非常低的应用中非常有 4.6.5位速度总线