基于can总线的多点温度采集系统的设计

基于can总线的多点温度采集系统的设计内容摘要：

不会出现网络瘫痪。 (3) 严格的错误检测和界定。 CAN 通信协议的数据链路层的 MAC（介质访问控制层）子层具有严格的错误检测功能，包括监测、填充规则校验、帧校验、 15 位循环冗余码校验和应答校验。 CAN 的节点有能力识别永久性故障和暂时扰动，对错误做出界定，对己损报文进行标注，并自动最新发送，当故障计数大于 255 时，节点被 “脱离总线 ”，脱离总线状态不允许对总线有任何影响。 (4) 直接通讯距离最大可达 l0km，最高通讯速率可达 1Mbps，节点数可达 110 个，通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维。 (5) 可以点对点，点对多点及全局广播方式发送和接收数据。 (6) 全系统数据兼容，系统灵活。 在 CAN 系统中，一个 CAN 节点不使用有关系统结构的任何信息， 节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下接到 CAN 网络中。 在 CAN 网络中，可以确保报文同时被所有节点或没有节点接收。 (7) CAN 总线的实时性好。 CAN 协议规定以信息帧的方式按优先级的高低来传送信息，因此， CAN 总线的实时性好：一是信息帧短，不会因为连续长时间发送而影响其它节点访问总线；二是采用优先级仲裁，发生总线访问冲突时，优先级高的信息帧仍可继续发送，不像以太网那样，冲突的各节点均停下来，重新发送。 (8) CAN 总线测试系统成本低。 CAN 总线可采用双绞线作为信号传输线，同时其对环境的要求不高，因此设计成本相对比较低。 CAN 总线的应用与发展 CAN 总线最先由 Bosch 公司提出，起初应用在汽车业， 如今已广泛的应用在：自动控制、航空 、 航天 、航海、过程工业、机械工业 、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗毕业论文 9 器械及传感器等领域， 作为最有前途的现场总线， CAN 已 经成为全球范围内最重要的总线之一， 在 1999 年，接近 6 千万个 CAN 控制器投入应用。 CAN 具有广阔的发展前景，随着 CAN 总 线在汽车工业的广泛应用，大量潜在的新应用（例如娱乐）也随之出现， 同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对 CAN 的需求也正在稳健增长， 德国专业委员会 BIA 和德国安全标准权威 TUV 己经对一些基于 CAN 的保安系统进行了认证。 CAN OpenSafety 是第一个获得 BIA 许 可的 CAN 解决方案， DeviceNetSafety 也会马上跟进， 全球分级协会的领导者之一， Gennanischer Lloyd 正在准备提议将 CAN open 固件应用于海事运输 [19]。 毕业论文 10 第三章 系统硬件 设计 硬件设计 本系统 主要由一个主监视器和多个温度采集点组成， 使用了多个电路模块的硬件设计实现了多点温度采集的功能，主要完成数据采集及传输，数据的显示，电源供电等功能 [18]。 温室采集系统功能要求 本系统要求在温室内完成多点 的信号采集 ， 所采集的信号是从传感器输出的信号。 系统主要要求如下： (1) 能够在现场对各温度信号进行实时检测； (2) 主机 能够对采集的数据进行保存，并进行相应的数据处理； (3) 能够对单一 点 连续采集，也能够对多个 点 同时采集； (4) 具有较高的测量精度； (5) 能够与主机 进行通讯，进行数据的传递； (6) 具有现场总线接口，能通过现场总线进行数据的高速传递； (7) 方便易用，有较高的性价比。 硬件设计任务 本章硬件设 计主要为完成系统硬件的搭建，以满足系统任务要求， 在此多点温度采集 系统中，所设计的主 要任务为实现 CAN 通信，以接收通过 CAN 总线传送过来的信号，实时获取 现场的信号， 同时，需要保障系 统的可靠性和安全性， 需完成数据采集处理，数据传输以及液晶显示 等 功能。 硬件设计的原则 [20]： (1) 经济合理 在满足性能指标的前提下尽可能降低价格，获得更高性价比的产品。 (2) 安全可靠 选购的硬件要考虑环境温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下系统性能稳定、工作可靠。 要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工作。 要注意对交流电以及电火花的隔离，同时保证连接件的可靠接触。 毕业论文 11 软硬件功能分配 硬件需要实现的功能如下： (1) 现场端信号的采集、 A/D 转换、 CAN 总线信号的发送和接收等。 (2) 总线上数据的传输。 (3) 电源的持续供电。 (4) 主机的数据显示。 软件需要实现的功能如下： (1) 完成通信程序的设计，总线协议设计。 (2) 完成液晶显示 程序的设计。 (3) 完成数据的采集、处理 及 存储。 硬件 设计的 模块选择 硬件模块主要为 PIC18F4580 单片机，电源模块，传感器和放大电路， CAN 收发器，晶振电路，复位电路，液晶显示模块。 （ 1） PIC18F4580 单片机及其引脚 [21] 图 PIC18F4580 单片机引脚 PIC18F4580 单片机概述： 引脚 如图 所示。 主要引脚 ：电源和接地引脚 ，震荡器晶体引脚， 时钟复位引脚 ， I/O 输入输出引脚 ， A/D毕业论文 12 通道 引脚。 内部结构和功能特点 （ 1） 高性能 RISC CPU 高达 2MB 的程序存储器。 高达 4KB 的数据存储器。 高达 10MIPS 的执行速度。 DC~40MHZ 时钟输入。 16 位宽指令， 8 位宽数据通道。 带优先级的中断。 （ 2）外围功能 模块特性 最大拉电流 /灌电流可达 25mA。 3 个外部中断引脚。 TMR0：带有 8 位可编程前 分频器的 8 位 或 16 位 定时器 /计数器。 TMR1： 16 位定时器 /计数器。 TMR2：带有 8 位周期寄存器 的 8 位定时器 /计数器。 TMR3： 16 位定时器 /计数器。 （ 3） CAN 总线模块特性 符合国际标准 ISO CAN。 高达 1Mbps 的通信速率。 3 个带优先级的信息发送缓冲器。 6 个全 29 位接收过滤器。 优越的错误处理特性。 （ 4）特殊的单片机特性 上电复位 电路 （ POR）， 上电 延时 定时器（ PWRT）和振荡起振 定时器（ OST）。 带有片内 RC 振 荡器的监视定时器（ WDT）。 休眠（ SLEEP）省电方式。 通过 2 个引脚可进行 在线串行编程（ ICSP）。 （ 2） 晶振电路 毕业论文 13 图 晶振电路 PIC18F4580 的 XTAL1 脚为片内振荡电路的输入端， XTAL2 脚为片内振荡电路的输出端。 本文采用低功耗晶体振荡器方式（ LP 方式）， 晶振频率为 20MHZ， 因此在 30 脚和 31 脚外接晶振 和振荡电容，振荡电容的值一般取 15pF,如图 所示。 （ 3） 复位电路 图 复位电路 当芯片供电电源电压 VDD上升到一定值时，即产生一个上电复位（ POR）脉冲。 为了利用 POR 电路特性，可以直接 把 Vpp 引脚与电源 VDD相连。 这样可以节省通常用于建立上电复位延时所需要的外部 RC 元件。 VDD 的最小上升率必须满足要求。 图中 R1 为 10k ， R2为 33 ，供电电源为 5V，如图 所示。 （ 4） 电源 电路 毕业论文 14 图 电源电路 由于该系统使用的 PIC18F4580 芯片的工作电压为 5V的直流电，所以需要接一个电源电路，输入为 220V 的交流电，经过变压器 降压 和整流桥 整流 ，将交流电变为直流电， 使用 7805三端稳压器和电容组成稳压电路，其中 C1 用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，电容 C2 和 C3 用于消除输出电压中的高频噪声， 电路如图 所示。 （ 5） 传感器 电桥 和放大电路 图 传感器电桥和放大电路 本系统的多点温度采集使用铂电阻 Pt100，采用三线制的电桥电路， R1， R2， R3 均为100 ， 可以较好的消除引线电阻的影响，提高测量精度。 由于温室现场采集的温度范围大约为： 0oC～ 100oC，因此铂电阻的 范围 为 100 ~ ， 则 电桥电路输出的电压范围为0mV~400mV,由于 A/D 转换模块采用 LM324 组成差动放大电路 对电桥输出电压进行放大 ， 所以 A/D 转换模块的输入电压范围为 0～ 5V，因此放大倍数大约为 10 倍， 如图 所示。 （ 6） CAN 收发器 连接电路 毕业论文 15 图 CTM8251 收发器连接电路 PIC18F4580芯片中虽然内嵌 CAN控制器 ,但是必须与 CAN 收发器连接才能具备收发功能 ,在以往的设计中 CAN 收发器之间通常需要加 入 DC —DC电源隔离模块和高速光电耦合器组成的隔离电路 , 以确保在 CAN 总线遭受严重的干扰时控制器能够正常工作，然而考虑到复杂度、系统集成等因素 ,本设计中利用 CTM8251接口芯片来实现带隔离的 CAN 收发电路 ，CTM8251是一款带隔离的通用 CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的 CAN隔离及CAN收发器件，这些都被集成在不到 3平方厘米的芯片上，芯片的主要功能是将 CAN控制器的逻辑电平转换为 CAN总线的差分电平并且具有 DC 2500V的隔离功能， 如图。 （ 7）液晶显示电路 [21] 图 液晶显示电路 如图 所示为该液晶显示模块与 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毕业论文 16 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，故只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号。 MCG12864A83 共有两片 KS0108B 或兼容控制驱动器和一片 HD61203 或兼容驱动器。 MCG12864A83 模块共有 20 个引脚，其定义如下表： 序号 符号 状态 功能说明 1 CSA 输入 片选 1 2 CSB 输入 片选 2 3 VSS 数字地 4 VDD 逻辑电源 +5V 5 V0 对比度调节 6 D/I 输入 指令 /数据通道 7 R/W 输入 读 /写选择 8 E 输入 使能信号，数据在下降沿时被写入LCM；在高电平时被读出 LCM 9～ 16 DB0～ DB7 三态 数据线 17 LED+ LED 背光正电源端 18 LED LED 接地端 19 LED LED 接地端 20 LED+ LED 背光正电源端 总结 综上所述，将传感器采集到的现场信号经过电桥和放大电路后送入 A/D 转换模块， A/D 转换模块完成 A/D 转换，从站的 PIC18F4580 单片机将采集的信号通过 CTM8251 收发器发送至 CAN 总线，然后主站的 PIC18F4580 单片机通过 CTM8251 收发器接收信号，在液晶显示模块显示。 采用电桥电路和 LM324 放大电路 对信号进行采集和处理，使用内含 A/D 转换模块的 PIC18F4580 单片机 进行 A/D 转换，通过 CTM8251 收发器对信号进行接收和发送，最后通过 MCG12864A83 液晶显示模块进行显示。 毕业论文 17 第四章 软件设计 主程序 监视器主程序 该程序主要完成对远程采集的多点温度信号，通过 CTM8251 收发器的接收，在主机端使用 MCG12864A83 液晶显示模块的显示，初始化 A/D,I/O 等，流程图如 图 所示。 按 键 子 程 序C A N 总 线 接 收初 始 化开 始显 示 图 监视 器流程图 采集系统主程序 该 程序主要完成对信号的采集、 处理 和发送 ，初始化 A/D,I/O 等，流程图如图 所示。 C A N 收 发 器 发 送数 据 处。