基于STM32和CAN總線的溫度監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：介紹基于STM32和CAN總線的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，通過上位機與下位機的通信，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：STM32；CAN總線；Delphi；PT100；SD卡；FATFS文件系統(tǒng)

0 引言
    現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域通常要測量很多信號，并將其轉(zhuǎn)化為計算機可以識別的二進制信號，并利用計算機監(jiān)視和記錄各種測量的信號。這個過程就要涉及到信號的采集和處理。CAN總線是一種串行多主總線，它卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備
的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。本文介紹了基于STM32和CAN總線的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，通過上位機與下位機的通信，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并經(jīng)初步實驗達到了設(shè)計的要求。

1 系統(tǒng)總體方案概述
   系統(tǒng)總體框圖如圖l所示，本系統(tǒng)采用主站+從站的結(jié)構(gòu)，CAN主站主要實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的存儲以及CAN總線協(xié)議和串口協(xié)議之間的橋接，CAN 從站主要實現(xiàn)溫度的采集。CAN從站采集的溫度，經(jīng)過CAN總線傳送到CAN主站，主站將各從站的溫度值傳送到系統(tǒng)上位機中。上位機對各點的數(shù)據(jù)進行實時曲線顯示并進行存儲，上位機可以設(shè)定報警值，當節(jié)點溫度超過設(shè)定值的時候，上位機發(fā)出報警聲。在沒有上位機的場合，主站將數(shù)據(jù)以文本文檔的形式存儲在主站的SD卡中。



2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 CAN主站硬件設(shè)計
    主站電路如圖2所示，主要有電源模塊、STM32模塊、CAN收發(fā)器模塊、RS232串口模塊和SD卡模塊。


    其中STM32模塊由STM32F103RBT6和周邊時鐘、復(fù)位、調(diào)試等組成。電源模塊由外部輸入+5V電壓，經(jīng)線性壓降A(chǔ)MS1117-3.3V后供 STM32使用。CAN收發(fā)器模塊采甩NXP的高速收發(fā)器TJA1040，TJA1040是PCA82C250的替代品，它完全符合ISO 11898標準，具有高速、低功耗、低電磁輻射的優(yōu)點。RS232電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3232，它具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率以及增強型ESD保護等特性。采用專有的低壓差發(fā)送輸出級，+3.0 V至+5．5V供電時利用內(nèi)部雙電荷泵保證RS-232性能。工作時，電荷泵僅需要四個100 nF的小電容。SD卡模塊采用四線制SPI總線與SD卡相連接。
2．2 CAN從站硬件設(shè)計
    從站電路如圖3所示，主要有電源模塊、STM32模塊，CAN收發(fā)器模塊，PT100模塊和從站地址選擇模塊。
    其中電源模塊、STM32模塊和CAN收發(fā)器模塊與CAN主站相同。PT100模塊，采用傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過TL431穩(wěn)至2．5V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入STM32的AD輸入口。從站地址選擇模塊由8位撥碼開關(guān)組成，連接到 STM32 I／O的PC6-PC13。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件由CAN主站軟件、從站軟件以及Delphi上位機軟件構(gòu)成。其中CAN主站和從站程序用C語言編寫，上位機程序用Obieet Pascal編寫。
3．1 CAN主站軟件設(shè)計
    CAN主站的功能是發(fā)送遠程幀向從站查詢數(shù)據(jù)、通過AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果計算芯片內(nèi)部溫度傳感器的溫度值、接收從站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀、發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到上位機或存儲數(shù)據(jù)到SD卡。CAN主站程序如圖4所示。

    寫SD卡部分程序流程圖如圖5所示，SD卡部分主要用到了移植的FATFS文件系統(tǒng)提供的訪問FAT卷的應(yīng)用接口(Application Interface)。主要用到了以下函數(shù)：
    ·f_mount-注冊／注銷一個工作區(qū)域
    ·f_open-打開／創(chuàng)建一個文件
    ·f_close-關(guān)閉一個文件
    ·f_lseek-移動／寫指針，擴展文件大小
    ·f_puts-寫字符串
    ·f_printf-寫一個格式化字符串
3．2 CAN從站軟件設(shè)計
    CAN從站的主要功能是通過AD轉(zhuǎn)換器檢測PT100電橋的差分輸出電壓，然后計算得出此節(jié)點的溫度值，最后通過CAN總線傳送給CAN主站。其中只有在 CAN從站收到與自己節(jié)點號相同的主站發(fā)送的遠程幀的時候，從站CAN控制器才發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀。CAN從站程序流程圖如圖6所示。


3．3 Delphi上位機軟件設(shè)計
    本上位機軟件主要實現(xiàn)了五個功能：實時曲線顯示當前各從節(jié)點的溫度；打印實時曲線；將實時曲線保存為圖片；將實時曲線的數(shù)據(jù)保存為TXT文檔以及實時溫度超過報警值時報警。
    本系統(tǒng)上位機串口通訊控件采用SPCOMM，該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，支持多線程；提供了對串口的各種操作。圖形控件采用TChart，TCharc是Delphi里面一個標準的圖形顯示控件。它可以靜態(tài)設(shè)計(At Design Time)也可以動態(tài)生成。該系統(tǒng)設(shè)計采用的版本為TeeChart 7；實時曲線部分流程圖如圖7所示。上位機程序完成后界面如圖8所示。



4 結(jié)束語
    本文介紹了基于STM32和CAN總線的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，初步實驗證明，上述的硬件及軟件設(shè)計基本達到了設(shè)計要求。本系統(tǒng)適用于多節(jié)點、遠距離的場合，并具有實時性好、可靠性高的特點，具有一定的應(yīng)用價值。