基于can总线的现场信息监控系统

基于can总线的现场信息监控系统内容摘要：

制和实时控制的串行通信网络，具有可靠性高、成本低、传输距离远、传输速率快等优点，在国际上已经得到了广泛的应用。 CAN 总线 主要应用领域有：汽车制造、机器人、液压系统、分散性 I/O、工具机床等。 CAN 现场总线具有以下特点 ： 首先， CAN 总线协议废除了传 统的站地址编码，采用了对通信数据块进行编码的方式，这种方法可使网络内的节点个数在理论上不受限制，但在 实际应用中 ， 节点数目受网络硬件的电气特性所限制。 数据块的标识码由 11 位或 29 位二进制数组成，即可定义211 或 229 个不同的数据块。 这种按数据块编码的方式，可以使不同的节点可以同时接收到相同的数据， 容易构成冗余结构 ，这一点在分布式控制系统中非常有用。 CAN 总线采用多主竞争的工作方式和非破坏性总线仲裁技术，总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，各节点之间实现自由通信。 当多个节点 同时向总线发信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级较高的节点不受影响，内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 大大节省了总线冲突仲裁时间。 在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。 CAN 总线通信格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 每帧中数据字节数最多为 8 个， 可满足通常工业领域中控制命令 、 工作状态及测试数据的一般要求。 同时， 8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。 其次， CAN 总线通过 CAN 控制器接口芯片 PCA82C250 的两个输出端 CANH 和CANL 与物理总线相连，而 CANH 端的状态只能 是高电平或悬浮状态， CANL 端只能是低电平或悬浮状态。 这就保证不会出现 ，像 在 RS485 网络中当系统 发生 错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。 而且 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，因而具有很高的可靠性。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第二章 总体 方案 阐述 系统总体 框架设计 基于 CAN 总线的信息监控系统的 总体设计从结构上分为三个部分：企业级信息站、工程师站、智能节点部分。 总体方案如 图 所示： C A N 收 发 器光 电 隔 离 器C A N 控 制 器单片机温 度 传 感 器L E D显 示报 警键 盘报 警键 盘L E D显 示A T M E GA 8 LP C A 8 2 C 5 1光 电 隔 离 器S J A 1 0 0 0A D 5 9 0C A N 收 发 器上 位 机 C A N 总 线湿 度 传 感 器湿 敏 电 阻C A N 控 制 器单 片 机局 域 网P C 机P C 机R S 2 3 2 图 总体方案 结构 图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 设计方案说明 硬件部分 的 设计 说明 总体硬件包括从单片机系统、 CAN 模块、网络传输介质、 CANRS232 信号转换部分、 上位 机等。 单片机系统，即 智能节点由单片机 (ATMEGA8L，包含 AD转换、看门狗等 )、键盘、LED 显示、 CAN 总线接口等组成。 数据采集 采用自行设计的单片机系统 ，包括数据采集，数据初步处理与显示，键盘模块，通信 模块等。 CAN 总线网络采用总线型拓扑结构，两节点和监控 PC 机分别通过 CAN 接口模块连接到 CAN 总线网络上，采用双绞线通信，双绞线的两头各接一个 120Ω的 匹配电阻避免信号反射。 上位 机通过串行口与 CANRS232 转接卡相连， 并通过 CAN 总线与 CAN 节点通信。 软件部分 的设计 说明 上位机 的监控 软件采用 LabVIEW 编写，其功能是建立友好的人机交互界面；完成与智能节点的 数据通信，并 将采集的数据存入数据库，将数据以曲线、表格 的形式显示出来，也可以 查询历史数据。 当被测量超限时，可以进行声光报警，以引起操作人员的注意 ，采取适当措施， 并且 监控人员可以对下位机的部分参数进行修改； 下位机 的参数改动的时候 ，也可以上传到上位机，使上位机和下位机的参数同步。 CANRS232 信号转接卡的软件采用 C51 编写，它主要是完成 CAN 到串行口数据格式的双向转换，并完成数据收发的功能。 智能节点部分由于采用 ATMEGA8L 单片机，采用 C 语言编写程序， 它需要完成的功能有：数据采集、数据处理、数据显示、 CAN 通信等。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 CANRS232 通信 转换模块 的设计 CANRS232 的通信 转换原理 上位机通过 CANRS232 通信 转接卡连接到 CAN 总线网络上。 通信 转接卡 具有 CAN总线接口和 RS232C 接口，上位机通过 RS232C 接口和 通信 转接卡 连接， 通信 转接卡 通过 CAN 总线接口连接到 CAN 总线网 络上。 通信 转接卡 接口 如图 所示： 上位机串 行 接 口 C A N 接 口单片机C A N总 线 图 硬件接口框图 转接卡中的 微处理器 对 接收的串口数据进行处理后提取出数据字节 ，通过增加帧 信息、帧类型、字节长度和标识符等生成 CAN 报文格式，然后由 CAN 控制器的发送缓冲区发送出去；在 CAN 中断程序中，微处理器对接收的有效 CAN 报文进行解析，提取出字节长度和字节内容，通过增加数据头、数据尾和校验转换为 RS232 通信格式，完成数据传输。 通信转接卡的主要原理如 图 所示： C A N收 发器C A N控 制器单 片 机串行接口电平转换R S 2 3 2C A N 图 通信转接卡的原理图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） CANRS232 相关芯片介绍 本设计采用 SJA1000 作为 CAN 总线控制器， PCA82C251 作为 CAN 总线收发器，MAX232 作为串行接口芯片 ， 具体 芯片 介绍见下文。 CAN 总线控制器 SJA1000 SJA1000 是一种独立的 CAN 控制器，用于汽车和一般的工业环境中的局域网络控制。 它是 PHILIPS 公司的 PCA82C200 CAN 控制器（ BacisCAN）的替代产品， 而且它增加了一种新的工作模式（ PeliCAN），这种模式支持具有很多新特点的 协议，SJA1000 具有如下特性： ①． 和 PCA82C200 独立 CAN 控制器引脚和电气兼容。 ② ．具有 PCA82C200 模式（即默认的 BasicCAN 模式）。 ③ ．扩展的接收缓冲器（ 64 字节、先进先出 FIFO）。 ④ ．和 协议兼容（ PCA82C200 兼容 CAN 模式中的无源扩展帧）。 ⑤ ．同时支持 11 位和 29 位表示符。 ⑥ ．位速率可达 1Mbits/s。 ⑦ ．具有 PeliCAN 模式。 ⑧ ．可以和不同微处理器的接口。 ⑨ ．可编程的 CAN 输出驱动器配置。 图 SJA1000 芯片引脚图 CAN 总线收发器 PCA82C251 PCA82C251 是 CAN 控制器和物理总线之间的接口。 它对总线提供差动发送能力，对 CAN 控制器提供差动接收能力，可以在汽车和一般的工业应用上使用。 PCA82C251驱动电路内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源的正端或负端短AD 0AD 3AD 5AD 7/ RD/ WR/ RSTAD 6AD 4AD 2AD 1ALE / AS/ INT/ CSTX 0RX 0RX 1MO DETX 1 VSS 3VSS 2VSS 1VDD 1VDD 3VDD 217654328141312111092822232425262721151617181920XTAL 1XTAL 2CLKO UT内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 路。 虽然在这种故障条件出现时，功耗将增加，但这种特性可以阻止发送器输出级的破坏。 在节点温度大约超过 160℃时，两个发送器输出端的极限电 流将减少。 由于发送器是功耗的主要部分，因此芯片温度会迅速降低。 IC的其他所有部分将继续工作。 因此，当总线短路时，热保护十分重要。 PCA82C251采用双线差分驱动，也有助于抑制汽车等恶劣电气环境下的瞬变干扰。 PCA82C251 收发器的主要特点如下： ① ． 完全符合和“ ISO11898”标准。 ② ． 高速率（最高达 1Mbps）。 ③ ． 具有抗汽车环境中的瞬间干扰，保护总线能力。 ④ ． 斜率控制，降低射频干扰（ RFI）。 ⑤ ． 差分接收器，抗宽范围的共模干扰，抗电磁干扰（ EMI）。 ⑥ ． 热保护。 ⑦ ． 防止电池和地之间 的发生短路。 ⑧ ． 低电流待机模式。 ⑨ ． 未上电的节点对总线无影响。 图 PCA82C251芯片引脚图 ⑩ ． 可连接 110 个节点。 电平转换器件 MAX232 MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS232 标准串口设计的接口电路 ,使用 +5v单电源供电。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。 由 6 脚和 4 只电容构成。 功能是产生 +12V和 12V 两个电源，提供给 RS232 串口电平的需要。 CANHVC CR XDT XDGN D CANLVR EFRs14328567内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第二部分是数据转换通道。 由 1 1 1 14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（ R1IN）、 12 脚（ R1OUT）、 11脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（ R2IN）、 9 脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、7 脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、 T2IN 输入转换成 图 MAX232 芯片图 RS232 数据从 T1OUT、 T2OUT 送到电脑 DB9 插 头； DB9 插头的 RS232 数据从 R1IN、 R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、R2OUT 输出。 第三部分是供电。 15 脚 GND、 16 脚 Vcc（ +5V）。 CANRS232 硬件 电路设计 RS232 作为标准的计算机串行接口已被广泛使用，与此同时，随着现场总线技术的飞速发展，具有实时性好、可靠性高、结构简单等优点的 CAN 总线在测控系统中也越来越多地被采用，但由于两者的总线结构、通信协议及传输特点各不相同，因而给不同设备之间的连接带来诸多不便。 因此，如何以最简单的方式实现 CAN 节点与 RS232 串行口的通信就成为工程实践中一个不可回避的问题。 文中 采 用 不具备 CAN 通信 能力的 AT89S52 单片机作为微处理器，设计了一个简单、实用的通信转换模块。 该通信转换模块具有体积小、结构简单、通用性好、使用方便等特点。 下面将 CAN 接口 部分 的电路 和串 行接 口部分 的电路分成两部分进行 讨论。 CAN 接口 部分电路设计 CAN 通信 模块采用 Atmel 公司生产的 AT89S52 型单片机作为微处理器， SJA1000MAX 23214328765910111213141516C 1 +V +C 1 C 2 +C 2 V t 2 outr 2 invccgndt 1 outr 1 inr 1 outt 1 int 2 inr 2 out内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 和 PCA82C251 分别作为 CAN 控制器和驱动器。 CAN 接口 硬件电路如图 所示 ： A D 023A D 124A D 225A D 326A D 427A D 528A D 61A D 72C L K O U T7R S T17RD5WR6A L E3I N T16V D D 122V D D 218V D D 312。