基于CAN總線的溫室測控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

摘要：測控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是溫室作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效栽培的關(guān)鍵。針對當前溫室測控系統(tǒng)中需要解決的各種問題——降低成本、降低功耗、提高抗干擾能力、提高實時性和通信速率，提出了CAN總線在基于微控制器MC68S08QG8的測控系統(tǒng)中的應(yīng)用，詳細介紹了單個智能節(jié)點的硬件設(shè)計和軟件實現(xiàn)，設(shè)計了簡單的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議。運行結(jié)果表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、實時性強。
關(guān)鍵詞：CAN總線；MC68S08QG8；測控系統(tǒng)；應(yīng)用層協(xié)議

    CAN(Controller Area Network)總線又稱為控制局域網(wǎng)，是一種多主方式串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。由于CAN總線具有造價低、通信速度快、可靠性高、實時性強等突出優(yōu)點，在汽車行業(yè)、機械工業(yè)、家用電器及傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
溫室控制技術(shù)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，在目前的溫室系統(tǒng)中主要是靠RS-485總線來組成控制網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)和信息傳送到主控機中。其通信速率、節(jié)點連接數(shù)目都受到一定的限制。
    本文提出了以CAN總線構(gòu)成現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的通信速率最高可達1 Mbps／40 m，掛接的設(shè)備可達110個。另外信號的傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。并且一旦網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點故障時，該節(jié)點具有自動關(guān)閉輸出功能，以主動切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點及通信不受影響，具有較強的抗干擾能力，降低了惡劣環(huán)境對于溫室系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴充性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    溫室測控系統(tǒng)采用分布式多主方式進行通信。系統(tǒng)主要由主控上位機、CAN總線和多個智能測控模塊組成(注意：各個智能測控模塊之間存在強烈的相互關(guān)系)。通過對溫室內(nèi)外，特別是溫室內(nèi)部各種影響作物生長的要素用相應(yīng)智能傳感器進行測量，然后通過CAN總線傳送給主控上位機，上位機進行數(shù)據(jù)打印、分析和處理、參數(shù)設(shè)置并且控制有關(guān)設(shè)備等工作，從而實現(xiàn)對溫室要素的調(diào)控，保證了作物生長所需的環(huán)境。系統(tǒng)上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)出信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1是溫室測控系統(tǒng)總體設(shè)計圖。

2 硬件平臺設(shè)計
    溫室測控系統(tǒng)的硬件平臺主要由多個CAN智能節(jié)點構(gòu)成，如圖2所示。本系統(tǒng)節(jié)點采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，兩芯電纜(CANH和CANL)雙絞線連接。主要由微控制器MC68S08QG8，CAN通信控制器MCP2515和CAN收發(fā)器TJA1050組成。本文中微控制器MC68S08QQ8與控制器MCP2515是通過SPI口連接，測控節(jié)點通過微控制器MC68S08QG8的IIC口來連接的。智能節(jié)點的個數(shù)是由溫室內(nèi)外所測控的環(huán)境要素來決定的，但是任意智能節(jié)點均可以像以太網(wǎng)節(jié)點那樣直接掛接在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，即在不犧牲可靠性的前提下進一步擴展現(xiàn)場測控節(jié)點的數(shù)量。

2．1 芯片介紹
    選擇一款合適的MCU是系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保障。綜合功耗、性能和價格等各種因素的考慮，本系統(tǒng)采用Freescale公司的MC68S08QG8(以下簡稱為QG8)作為系統(tǒng)控制信號采集的芯片。MC68S08QG8單片機采用高性能、低功耗HCS08飛思卡爾8位微控制器為內(nèi)核，是一款集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富、適用于各種場合的低價位單片機。MC68S08QG8除了提供Freescale豐富的外圍接口與HCS08內(nèi)核卓越性能的多功能組合外，還包括更長的電池壽命(即使工作電壓低至1．8 V，也能發(fā)揮最大效能)、業(yè)界領(lǐng)先的Flash技術(shù)、3個通信接口(SCI、SPI和IIC)以及創(chuàng)新的開發(fā)支持等其他系列單片機不可比擬的優(yōu)勢。
    智能節(jié)點中CAN控制器完成了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的所有功能，保證通信質(zhì)量。本系統(tǒng)選用了一種獨立的CAN協(xié)議控制器——Microchip公司的MCP2515。MCP2515完全支持CAN V2．0B技術(shù)規(guī)范，MCP2515還包含3個發(fā)送緩沖器和2個接受緩沖器，減少了單片機的管理負擔。與傳統(tǒng)上使用的CAN控制器SJA1000相比較，它與MCU的連接是通過行業(yè)標準串行外設(shè)接口(SPI)來實現(xiàn)的，這樣可以減少芯片使用的引腳，簡化CAN總線的電路的連接，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
    CAN總線收發(fā)器提供CAN控制器與物理總線之間的接口，是影響CAN總線網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性和電磁兼容性的主要因素。本系統(tǒng)采用Phlips公司的TJA1050作為總線收發(fā)器。TJA1050有兩種工作模式：高速和待機，其中待機模式可以防止由于CAN控制器失控而造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞。并且在TJA1050中還設(shè)計了一個超時定時器，用以對TXD的低電壓(此時CAN總線上為顯性位)進行監(jiān)視。該功能可以避免由于系統(tǒng)硬件或者軟件故障而造成TXD端長時問為低電位時總線上所有其他節(jié)點也將無法通信的情況出現(xiàn)。這也是FJA1050與82C250相比較之后最大的改進地方。
2．2 智能節(jié)點硬件電路
    智能節(jié)點最小系統(tǒng)硬件電路如圖3所示，主要的連接有以下3個方面：

    1)QG8的SPI接口使用4條信號線：主機輸出低有效片選信號線、主機輸出線SPSCK、主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI以及主機輸入／從機輸出數(shù)據(jù)線MISO，分別于MCP2515的、SCK、SI、SO引腳連接。QG8的與MCP2515的中斷引腳相連，可以通過中斷來提高系統(tǒng)實時性。
    2)MCP2515的3個發(fā)送緩沖器TXBn請求發(fā)送引腳(4、5、6引腳)接到+5 V終端，兩個接收緩沖器RXBn中斷引腳(10、11引腳)空置。由于該測控系統(tǒng)對于環(huán)境的要求比較高，MCP2515的TxCAN和RxCAN并不是直接與SJA1050的TXD和RXD相連，而是通過6N137(高速光耦)后于SJA1050相連，這樣很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點的電氣隔離，進一步提高了該系統(tǒng)的抗干擾能力。不過需要特別注意的是，光耦部分電路的兩個VCC、VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率電掾隔離模塊或帶多5 V隔離輸出地開關(guān)電源模塊實現(xiàn)。雖然這部分增加了接口電路的復(fù)雜性，但是卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性，從而也提高了測控系統(tǒng)的性能。
    3)TJA1050的第8個引腳VREF是參考電壓，輸出可以空置。第5個引腳決定芯片的工作模式(高速和待機兩種模式)，圖中和地之間接47 kΩ的電阻進入高速模式(也是正常工作時的模式)。本系統(tǒng)在CANH和CANL總線輸入端與地之間分別接了一個SA28A(瞬態(tài)抑制二極管)，當兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，通過SA28A的放電可起到一定的保護作用。在CANH和CANL之間還接了一個120 Ω的終端電阻，可以在阻抗不連續(xù)時消除通信線路中產(chǎn)生的信號發(fā)射。

3 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計是在Freescale公司的集成開發(fā)環(huán)境——Freescale Codewarrior 5．1下完成的。該系統(tǒng)的軟件由CAN控制器軟件和應(yīng)用層通信協(xié)議構(gòu)成。
3．1 CAN總線驅(qū)動層軟件實現(xiàn)
    CAN控制器軟件主要包括器件初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。初始化工作主要是對QG8微處理器、SPI接口和MCP2515CAN控制器的初始化。其中微處理器初始化主要包括定時器、變量和外部中斷的初始化。需要特別注意的是飛思卡爾單片機的定時器與其他單片機(如51系列單片機)不太一樣，QG8微處理器的定時器是不能預(yù)置某個數(shù)值的，而且是只讀的，因此必須要有輔助寄存器才能實現(xiàn)該定時器的功能，本文采用的是QG8微處理器的16位的定時器模塊TPM：SPI接口的初始化主要包括對控制寄存器SPIC1和SPIC2、波特率寄存器SPIBR、狀態(tài)寄存器SPIS、數(shù)據(jù)寄存器SPID的設(shè)置。MCP2515的初始化為復(fù)位MCP2515、寄存器配置。只有對MCP2515初始化后，進入了配置模式才能對相關(guān)的寄存器進行初始化，初始化工作完成后進入工作模式，進行報文發(fā)送。為了能使節(jié)點穩(wěn)定的通信，CAN總線上所有的節(jié)點都必須有相同的波特率。對于振蕩器時鐘頻率不同的器件，可以通過對波特率預(yù)分頻比和每一個時間段中時間份額數(shù)量的設(shè)置來調(diào)整比特率。
    QG8是通過使用標準SPI讀／寫命令對寄存器進行讀／寫操作。外部數(shù)據(jù)和命令式通過SI引腳在SCK時鐘信號上升沿傳送到器件中。MCP25 15在SCK下降沿通過SO引腳發(fā)送數(shù)據(jù)。本文采用狀態(tài)查詢方式發(fā)送報文。首先應(yīng)該禁止CAN發(fā)送中斷產(chǎn)生，以保證報文發(fā)送不被中斷。為了啟動報文發(fā)送，必須將相應(yīng)緩沖器的TxBnCTRL TxREQ位置1，文中是通過調(diào)用RTS2515()請求發(fā)送來實現(xiàn)的。緩沖器中TxBnCTRL TxP<1：0>優(yōu)先級最高的報文在總線空閑時首先被發(fā)送。如果發(fā)送成功將產(chǎn)生中斷來通知接收，否則TxBnC TRL TxRR和CANINIF．MERRF將被置位，產(chǎn)生發(fā)送錯誤狀態(tài)，同時INT引腳置位，產(chǎn)生中斷請求。具體報文發(fā)送流程如圖4所示。

    為了提高系統(tǒng)的實時性，報文接收模塊采用中斷接受方式。該模塊包括主程序和接受中斷服務(wù)程序兩部分組成，主程序必須在中斷控制報文接受之前使能CAN的接受中斷和微控制器QG8的全局中斷。當報文發(fā)送完之后會產(chǎn)生一個中斷通知來接收報文。首先應(yīng)該看一下中斷標志類型，如果是報文成功發(fā)送產(chǎn)生的中斷，將報文讀入濾波器中，否則產(chǎn)生報文出錯標志，CANINTF．MERRF位被置1．將接收到報文的標示符字段與濾波寄存器中的值進行比較，如果兩者匹配，將該報文載入相應(yīng)的接受緩沖器，否則產(chǎn)生一個無效報文。如果緩沖器慢將會產(chǎn)生溢出錯誤，EFLG．RXOOVER位置1．報文接受成功且處理完畢后，MCU將清除中斷標志，返回主程序以接受下一條報文。具體的流程圖如圖5所示。另外整個報文接受過程都可以在接受中斷服務(wù)程序中完成，不需要與主程序發(fā)生交互作用。

3．2 CAN總線應(yīng)用層軟件實現(xiàn)
    目前國內(nèi)還沒有CAN通訊的應(yīng)用層協(xié)議標準，而國外現(xiàn)有流行的CANopen、DeviceNet和CANkingdom等應(yīng)用層協(xié)議對于本系統(tǒng)的要求來說實現(xiàn)復(fù)雜會造成資源浪費。本文定義了一個簡單的通信協(xié)議來完成系統(tǒng)所需求的功能。
    該協(xié)議中采用29位(ID．28-ID．0)標識符的擴展幀格式，這些位的發(fā)送順序是從ID．28到ID．0，最高7位ID．28～ID．22不能全是隱性1。每一個標識符對應(yīng)一條信息，只有與自己標識符相同的信息才被接收端接收。標識符ID號的大小還決定了發(fā)送的優(yōu)先級和等待時間，標識符越小的報文幀優(yōu)先被發(fā)送。本協(xié)議中ID號位28～24的五位表示信息采集節(jié)點，包括各種傳感器模塊，ID號為23～18的四位表示顯示節(jié)點，包括各種數(shù)據(jù)的顯示和報警節(jié)點。ID號為19～14的六位為執(zhí)行控制節(jié)點，包括CO2發(fā)生器、循環(huán)風(fēng)扇等控制設(shè)備節(jié)點。ID15～13為信息類別，包塊各種命令信息和狀態(tài)信息等信息節(jié)點。ID12～ID0為預(yù)留。

4 系統(tǒng)測試
    為了測試本設(shè)計的性能，在實驗室里進行了CAN總線節(jié)點之間的溫度測試，如圖6所示。在18點和19點(橫坐標表示時間)之間進行了溫度的測試，在18點鐘到18點30分之間A和B節(jié)點一直顯示實驗室的室內(nèi)溫度(15～17℃之間)，過半個小時后將B節(jié)點放入22℃的溫水中，然后取出。從圖中可以看到紅色曲線(A節(jié)點溫度曲線)一直是恒溫狀態(tài)(15～17℃之間)，而白色曲線(B節(jié)點溫度曲線)在18點30分鐘溫度升到22℃，隨著溫度傳感器被取出，溫度也在下降到15～17℃之間。

5 結(jié)束語
    本文根據(jù)目前溫室系統(tǒng)存在的問題，提出了用CAN總線構(gòu)成溫室測控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計了簡單的應(yīng)用層通信協(xié)議和進行了CAN節(jié)點之間溫度測試。測試結(jié)果表明：本設(shè)計傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。另外該測控模塊也可以運用在鍋爐控制、樓宇控制等各種工業(yè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)中，實用性強、應(yīng)用范圍廣。