基于CAN總線和VB的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

CAN(ControllerAreaNetwork)總線是一種用于智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點(diǎn)的通信總線，廣泛應(yīng)用于分布式測(cè)控系統(tǒng)。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種可遠(yuǎn)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(jī)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(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)使用獨(dú)立的SJA1000總線控制器，配合CAN接口驅(qū)動(dòng)芯片PCA82C250，實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以CAN總線為通信載體的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，系統(tǒng)上位機(jī)采用資源豐富的PC機(jī)，通過(guò)CAN主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端CAN節(jié)點(diǎn)的管理。系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端CAN節(jié)點(diǎn)具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、控制及CAN總線通信功能，通過(guò)CAN總線與監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)和其他測(cè)控節(jié)點(diǎn)傳送狀態(tài)和各種參數(shù)，并接收上位機(jī)的命令和數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整和改變控制狀態(tài)，CAN總線系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1CAN總線節(jié)點(diǎn)的組成

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本及抗干擾能力出發(fā)，CAN節(jié)點(diǎn)的控制芯片采用宏晶公司的1T單片機(jī)STC12C5A60S2，具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，高速、抗干擾、低功耗和在線編程等優(yōu)勢(shì)，CAN節(jié)點(diǎn)組成如圖2所示[4]。遠(yuǎn)端CAN節(jié)點(diǎn)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(diǎn)還具有與上位PC機(jī)通信的功能。

2.2CAN現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用層，每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通信。實(shí)際的通信發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過(guò)模型物理層的物理介質(zhì)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(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案[5]。CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，其中最常用的是雙絞線，信號(hào)使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)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(shí)，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(yīng)用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)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(guò)簡(jiǎn)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(shè)計(jì)和PCA82C200的基本CAN模式(BasicCAN)兼容，同時(shí)新增加的增強(qiáng)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(shí)邏輯、錯(cuò)誤管理邏輯等控制模塊組成。

本設(shè)計(jì)是基于SJA1000的CAN總線接口模塊，采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為處理核心，PCA82C250作為CAN總線驅(qū)動(dòng)器，整個(gè)模塊具有較好的通用性及可擴(kuò)展性，電路如圖3所示。單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)總線控制器SJA1000送給驅(qū)動(dòng)器PCA82C250驅(qū)動(dòng)CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3環(huán)境參數(shù)采集電路設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)采集部分需要完成溫度、濕度和照度等信號(hào)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(duì)于濕度和照度的采集分別采用模擬的HS1101和2DU10傳感器，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

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(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。而對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，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(shí)序來(lái)完成對(duì)DS18B20芯片的訪問(wèn)，通過(guò)嚴(yán)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(jī)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù),在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機(jī)啟動(dòng)讀時(shí)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(jié)構(gòu)，其工作機(jī)理是當(dāng)電極間的感濕材料吸附環(huán)境中的水分時(shí)，介電常數(shù)隨之變化，等效電容C與環(huán)境中水蒸汽的關(guān)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(cè)中，利用HS1101濕度傳感器的等效電容與濕度的關(guān)系組成振蕩器，將濕度與電容的關(guān)系轉(zhuǎn)化為濕度與頻率的關(guān)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(guò)頻率的測(cè)量即達(dá)到檢測(cè)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(yīng)用范圍0.4?1.1um,峰值波長(zhǎng)在0.85um附近，適合在很寬的范圍內(nèi)使用。2DU10的光照特性決定了其短路電流I與光強(qiáng)JQ)成線性關(guān)系，短路電流I滿足如下關(guān)系：

其中狀人)為人射光的單色能流密度，,為等效轉(zhuǎn)換率，在有效范圍內(nèi)可認(rèn)為n不變。2DU10硅光電池傳感器將環(huán)境光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的短路電流經(jīng)i/u轉(zhuǎn)換得到電壓信號(hào)u如下：

輸出電壓u經(jīng)運(yùn)算放大器LM358_2A放大后送入A/D轉(zhuǎn)換電路得到數(shù)字與照度的關(guān)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(shè)計(jì)

SJA1000應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

CAN總線建立通信的過(guò)程包括系統(tǒng)上電和正常運(yùn)行兩個(gè)階段。在系統(tǒng)上電階段，首先要對(duì)STC12C5A60S2進(jìn)行初始化設(shè)置，其次需要根據(jù)模式的選擇對(duì)SJA1000的接收濾波、位定時(shí)邏輯等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；在正常運(yùn)行階段，要準(zhǔn)備待發(fā)送的報(bào)文，同時(shí)完成報(bào)文的接收并對(duì)發(fā)生的錯(cuò)誤進(jìn)行處理［7］。

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

SJA1000初始化程序

單片機(jī)STC12C5A60S2在上電后首先運(yùn)行其自身的復(fù)位程序，并在此后調(diào)用SJA1000的配置程序。配置程序在設(shè)置SJA1000的寄存器前，必須通過(guò)讀復(fù)位模式/請(qǐng)求標(biāo)志來(lái)檢查SJA1000是否已處于復(fù)位模式，因?yàn)橐獙?xiě)入配置信息的寄存器僅在復(fù)位模式下進(jìn)行。在復(fù)位模式下，單片機(jī)STC12C5A60S2需要配置SJA1000的控制段寄存器、模式寄存器、時(shí)鐘分頻寄存器、驗(yàn)收碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器、總線定時(shí)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(jìn)入復(fù)位模式

REG_CAN_CDR=0x88；

//時(shí)鐘分頻；CDR.3=1時(shí)時(shí)鐘關(guān)閉；

CDR.7=0時(shí)basicCAN；CDR.7=1時(shí)PeliCAN

SJASetBandRateStandard(ByteRate_100k)；

//16M晶振，波特率設(shè)置

REG_CAN_IER=0x01；

//.1=0--關(guān)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(shè)置

SJAQuitResetMode()；

//退出復(fù)位模式

SJA1000報(bào)文發(fā)送程序

采用SJA1000的中斷請(qǐng)求控制報(bào)文的發(fā)送時(shí)，必須開(kāi)放SJA1000的發(fā)送中斷使能和單片機(jī)STC12C5A56S2的外部中斷0,并設(shè)定SJA1000發(fā)送中斷的優(yōu)先級(jí)高于啟動(dòng)發(fā)送。報(bào)文的發(fā)送過(guò)程分為兩個(gè)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(wù)程序完成,這兩部分程序的流程圖如圖5(a)、(b)所示。

SJA1000報(bào)文接收程序

根據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范，報(bào)文的接收由CAN控制器SJA1000獨(dú)立完成，收到的報(bào)文放在接收緩沖器內(nèi)，同時(shí)將狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志RBS和接收中斷標(biāo)志RI置位。如果報(bào)文接收被使能，單片機(jī)將接收緩沖器內(nèi)的新報(bào)文讀出，并存儲(chǔ)到單片機(jī)的內(nèi)存單元或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后釋放接收緩沖器。本設(shè)計(jì)采用中斷請(qǐng)求SJA1000的控制段狀態(tài)標(biāo)志來(lái)控制，通過(guò)SJA1000中斷控制報(bào)文接收的程序流程圖如圖5(c)所示

(a)報(bào)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(bào)文發(fā)送和接收程序流程圖

4.2PC機(jī)監(jiān)視界面設(shè)計(jì)

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(yǔ)言。本設(shè)計(jì)釆用VB標(biāo)準(zhǔn)模塊中的MSComm串口通信控件[8],完成CAN節(jié)點(diǎn)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(shè)置、串口控制以及數(shù)據(jù)顯示區(qū)等，本系統(tǒng)上位PC機(jī)監(jiān)視界面如圖6所示。

5結(jié)語(yǔ)

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

圖6上位PC機(jī)監(jiān)視界面

在調(diào)試過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)能夠與上位PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)，并接受來(lái)自上位機(jī)的命令，運(yùn)行可靠。結(jié)果表明：系統(tǒng)檢測(cè)可靠、操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好，可達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

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