引言

CAN(ControllerAreaNetwork)總線是一種用于智能化現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的通信總線，廣泛應用于分布式測控系統(tǒng)。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)研究的主要內容是設計一種可遠程采集溫度、濕度、照度等參數(shù)，由參數(shù)采集、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)、串行通信和上位機等部分組成，參數(shù)采集由數(shù)字溫度傳感器、濕度傳感器和光敏器件等組成。CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)使用獨立的SJA1000總線控制器，配合CAN接口驅動芯片PCA82C250，實現(xiàn)CAN節(jié)點與PC機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1系統(tǒng)總體設計

以CAN總線為通信載體的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方案中，系統(tǒng)上位機采用資源豐富的PC機，通過CAN主節(jié)點實現(xiàn)對遠端CAN節(jié)點的管理。系統(tǒng)中的遠端CAN節(jié)點具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制及CAN總線通信功能，通過CAN總線與監(jiān)控現(xiàn)場和其他測控節(jié)點傳送狀態(tài)和各種參數(shù)，并接收上位機的命令和數(shù)據(jù)來調整和改變控制狀態(tài)，CAN總線系統(tǒng)的組成結構如圖1所示。

2監(jiān)控節(jié)點的硬件設計

2.1CAN總線節(jié)點的組成

從系統(tǒng)設計成本及抗干擾能力出發(fā)，CAN節(jié)點的控制芯片采用宏晶公司的1T單片機STC12C5A60S2，具有增強型8051內核，高速、抗干擾、低功耗和在線編程等優(yōu)勢，CAN節(jié)點組成如圖2所示[4]。遠端CAN節(jié)點完成數(shù)字溫度采集、照度的模擬采集、濕度的頻率捕捉以及CAN通信，主節(jié)點還具有與上位PC機通信的功能。

2.2CAN現(xiàn)場總線

CAN總線遵從ISO/OSI模型，分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應用層，每一層與另一設備上相同的那一層通信。實際的通信發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，應用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領域的任何方案[5]。CAN能夠使用多種物理介質，其中最常用的是雙絞線，信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也叫“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時，通常電壓值為：CAN_H為3.5V、CAN_L為1.5V。

2.3基于SJA1000的CAN總線接口

SJA1000是應用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線控制器E具有完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性，經(jīng)過簡單總線連接的SJA1000完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，其軟硬件設計和PCA82C200的基本CAN模式(BasicCAN)兼容，同時新增加的增強CAN模式(PeliCAN)支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000主要功能由接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器、接收濾波器、位流處理器、位定時邏輯、錯誤管理邏輯等控制模塊組成。

本設計是基于SJA1000的CAN總線接口模塊，采用STC12C5A60S2單片機作為處理核心，PCA82C250作為CAN總線驅動器，整個模塊具有較好的通用性及可擴展性，電路如圖3所示。單片機現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過總線控制器SJA1000送給驅動器PCA82C250驅動CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3環(huán)境參數(shù)采集電路設計

環(huán)境參數(shù)采集部分需要完成溫度、濕度和照度等信號采集，由于傳感器類型和成本不同，溫度采用數(shù)字式單總線傳感器DS18B20,對于濕度和照度的采集分別采用模擬的HS1101和2DU10傳感器，通過A/D轉換為數(shù)字信號。

3.1溫度采集

DS18B20數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件組成測溫系統(tǒng)，具有線路簡單、使用方便的特點。由于DS18B20采用的是1-Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。而對單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，必須采用軟件的方法模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問，通過嚴格的通信協(xié)議保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù),在進行寫命令后，主機啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先，接口電路如圖4(a)所示。

3.2濕度采集

濕度采集使用HS1101傳感器，屬于電容式濕度傳感器,專利的固態(tài)聚合物結構，其工作機理是當電極間的感濕材料吸附環(huán)境中的水分時，介電常數(shù)隨之變化，等效電容C與環(huán)境中水蒸汽的關系表示為：

其中ε0是真空介電常數(shù)、、是感濕材料的介電常數(shù)、s是電容式傳感器有效面積、d為感濕膜厚度。在環(huán)境濕度檢測中，利用HS1101濕度傳感器的等效電容與濕度的關系組成振蕩器，將濕度與電容的關系轉化為濕度與頻率的關系，圖4(b)所示是由HS1101組成典型的555非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路,HS1101作為電容變量接在555的TR與TH兩引腳上，電阻R1、R2確定后，電路的振蕩頻率主要由HS1101的等效電容即濕度大小決定，通過頻率的測量即達到檢測濕度的目的。

3.3照度采集

照度采集使用2DU10硅光電池傳感器，其應用范圍0.4?1.1um,峰值波長在0.85um附近，適合在很寬的范圍內使用。2DU10的光照特性決定了其短路電流I與光強JQ)成線性關系，短路電流I滿足如下關系：

其中狀人)為人射光的單色能流密度，,為等效轉換率，在有效范圍內可認為n不變。2DU10硅光電池傳感器將環(huán)境光強對應的短路電流經(jīng)i/u轉換得到電壓信號u如下：

輸出電壓u經(jīng)運算放大器LM358_2A放大后送入A/D轉換電路得到數(shù)字與照度的關系，其電路工作原理如圖4(c)所示。

圖4環(huán)境參數(shù)采集電路

4系統(tǒng)軟件設計

SJA1000應用程序設計

CAN總線建立通信的過程包括系統(tǒng)上電和正常運行兩個階段。在系統(tǒng)上電階段，首先要對STC12C5A60S2進行初始化設置，其次需要根據(jù)模式的選擇對SJA1000的接收濾波、位定時邏輯等參數(shù)進行設置；在正常運行階段，要準備待發(fā)送的報文，同時完成報文的接收并對發(fā)生的錯誤進行處理［7］。

可見，SJA1000的應用程序被分為SJA1000初始化程序、報文發(fā)送程序和報文接收程序。

SJA1000初始化程序

單片機STC12C5A60S2在上電后首先運行其自身的復位程序，并在此后調用SJA1000的配置程序。配置程序在設置SJA1000的寄存器前，必須通過讀復位模式/請求標志來檢查SJA1000是否已處于復位模式，因為要寫入配置信息的寄存器僅在復位模式下進行。在復位模式下，單片機STC12C5A60S2需要配置SJA1000的控制段寄存器、模式寄存器、時鐘分頻寄存器、驗收碼寄存器和驗收屏蔽寄存器、總線定時寄存器以及輸出控制寄存器。根據(jù)分析,SJA1000的初始化程序如下:

〃****SJA1000初始化

SJAEntryResetMode()；

//sja1000進入復位模式

REG_CAN_CDR=0x88；

//時鐘分頻；CDR.3=1時時鐘關閉；

CDR.7=0時basicCAN；CDR.7=1時PeliCAN

SJASetBandRateStandard(ByteRate_100k)；

//16M晶振，波特率設置

REG_CAN_IER=0x01；

//.1=0--關閉發(fā)送中斷使能

REG_CAN_OCR=0xaa；

//配置輸出控制寄存器

REG_CAN_CMR=0x04；//命令寄存器；釋放接收緩沖器

SJASetAccCode(0x33,0x44，0x55,0x55)；

//濾波

SJASetAccMask(0xff,0xff,0xff，0xff)；

//屏蔽碼設置

SJAQuitResetMode()；

//退出復位模式

SJA1000報文發(fā)送程序

采用SJA1000的中斷請求控制報文的發(fā)送時，必須開放SJA1000的發(fā)送中斷使能和單片機STC12C5A56S2的外部中斷0,并設定SJA1000發(fā)送中斷的優(yōu)先級高于啟動發(fā)送。報文的發(fā)送過程分為兩個部分，一部分由STC12C5A56S2的主程序完成，另外一部分由SJA1000的發(fā)送中斷服務程序完成,這兩部分程序的流程圖如圖5(a)、(b)所示。

SJA1000報文接收程序

根據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范，報文的接收由CAN控制器SJA1000獨立完成，收到的報文放在接收緩沖器內，同時將狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標志RBS和接收中斷標志RI置位。如果報文接收被使能，單片機將接收緩沖器內的新報文讀出，并存儲到單片機的內存單元或外部數(shù)據(jù)存儲器中，然后釋放接收緩沖器。本設計采用中斷請求SJA1000的控制段狀態(tài)標志來控制，通過SJA1000中斷控制報文接收的程序流程圖如圖5(c)所示

(a)報文發(fā)送主程序(b)發(fā)送中斷子程序(c)中斷接收子程序

圖5SJA1000報文發(fā)送和接收程序流程圖

4.2PC機監(jiān)視界面設計

VisualBasic是Microsoft公司推出的Windows編程工具，亦是最經(jīng)典的可視化編程語言。本設計釆用VB標準模塊中的MSComm串口通信控件[8],完成CAN節(jié)點數(shù)據(jù)接收、分析并顯示，包括通信端口選擇、串行通信參數(shù)設置、串口控制以及數(shù)據(jù)顯示區(qū)等，本系統(tǒng)上位PC機監(jiān)視界面如圖6所示。

5結語

系統(tǒng)調試過程中按照模塊到系統(tǒng)的測試方法循序漸進。首先調試數(shù)據(jù)采集模塊，通過串口調試助手查看溫濕度的參數(shù)采集；然后調試CAN通信，通過數(shù)據(jù)傳輸測試CAN控制器以及CAN收發(fā)器工作狀況；最后聯(lián)調兩部分和串口通信。

圖6上位PC機監(jiān)視界面

在調試過程中，各節(jié)點能夠與上位PC機傳送數(shù)據(jù)，并接受來自上位機的命令，運行可靠。結果表明：系統(tǒng)檢測可靠、操作簡單、人機界面友好，可達到設計的目標。

20211117_6194f6db34c70__基于CAN總線和VB的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設計