基于CAN總線的嵌入式測溫系統(tǒng)設(shè)計

時間：2009-10-31 21:40:08

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[導(dǎo)讀]基于CAN總線的嵌入式測溫系統(tǒng)設(shè)計

1.引言
溫度是一個十分重要的物理量，對它的測量與控制有十分重要的意義。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對生活環(huán)境要求的提高，人們也迫切需要檢測與控制溫度：如大氣及空調(diào)房中溫度的高低，直接影響著人們的身體健康；在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線上，環(huán)境溫度不適當(dāng)，會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。由此作者提出設(shè)計一種基于工業(yè)通用的CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動監(jiān)測被測對象的溫度，并且能通過CAN總線對溫度進行遠(yuǎn)程監(jiān)視和網(wǎng)絡(luò)控制的智能測溫系統(tǒng)。
2.整體系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)所給的設(shè)計要求，即具有數(shù)字顯示、鍵盤輸入、溫度自動采樣、能通過CAN（Controller Area Network）總線與上位機進行通信、異常情況自動報警等功能。我們可以構(gòu)架出此智能溫度儀表的整體設(shè)計框圖如下圖1所示。從圖中可以看出整體硬件電路設(shè)計主要
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包括：微處理器8051部分、電源電路部分、溫度信號輸入部分、鍵盤輸入部分、CAN總線通信部分、LED顯示部分[1]。限于篇幅原因，作者在本文將重點介紹溫度信號輸入和CAN總線通信部分的具體電路設(shè)計。
3.溫度輸入電路設(shè)計
MAX6675是MAXIM公司生產(chǎn)的基于SPI(Serial Peripheral Interface) 串行外設(shè)接口總線的專用芯片，它不僅能對K型熱電偶進行冷端溫度補償，還能對熱電勢信號進行數(shù)字化處理。可廣泛用于工業(yè)、儀器儀表、自動化等領(lǐng)域[2]。
3.1 MAX6675的結(jié)構(gòu)及工作原理
MAX6675的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。GND為地。UCC接電源的正極，該端需經(jīng)外部

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圖2 MAX6675的內(nèi)部框圖
0.1μF電容接地。T-接K型熱電偶的冷端，并從外部接地。T+接熱電偶的熱端。SCK為串行輸入端，SO為串行輸出端。 500)this.style.width=500;" border="0" />為片選端，當(dāng) 500)this.style.width=500;" border="0" />=0（低電平）時，串行接口有效。NC為空腳。主要包括8個部分：①低噪聲電壓放大器A1；②電壓跟隨器A2；③冷端溫度補償二極管；④基準(zhǔn)電壓源；⑤數(shù)字控制器；⑥12位ADC；⑦SPI串行接口（SCK、SO、）；⑧模擬開關(guān)（S1—S5）。其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢（e）經(jīng)過A1、A2得到放大后的熱電勢信號U1，再經(jīng)過S4送給ADC。有公式：
U1=αTΔT=αT（T-T0）
其中：αT為K型熱電偶的電壓溫度系數(shù)。αT=41μV/℃。T和T0分別為被測溫度、冷端的環(huán)境溫度。與此同時，冷端溫度補償二極管將T0轉(zhuǎn)換成補償電壓U2，有公式：U2=αTT0，U2通過S5送給ADC。在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再將U1、和U2相加并除以αT，即獲得輸出電壓UO的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測量點的實際溫度值T。需要指出，U2為毫伏級信號，e為微伏級信號，因此e必須首先放大成U1，二者才能相加。
3.2由MAX6675構(gòu)成的測溫系統(tǒng)
由MAX6675構(gòu)成的測溫系統(tǒng)電路如圖3所示。將K型熱電偶KH1的T+和T-分別接到MAX6675芯片的T+和T-的引腳上。MAX6675的為片選端口接到CPU的P1.2引腳、SO輸出端口接到CPU的P1.0引腳、SCK輸入端口接到CPU的P1.1引腳[3]。

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[!--empirenews.page--]4.CAN總線通信電路及程序設(shè)計
4.1 CAN硬件電路設(shè)計
采用AT89C51單片機微控制器、獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動器PCA82C250及復(fù)位電路IMP708組成的CAN應(yīng)用節(jié)點具體電路如下圖4所示[4]。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，本設(shè)計在SJA1000和CAN總線驅(qū)動器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。
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4.2 CAN通信程序設(shè)計
CAN應(yīng)用節(jié)點的通信程序設(shè)計主要包括三部分：初始化子程序、發(fā)送子程序、接收子程序，各個部分的具體程序如下[5]：
（1）CAN總線初始化子程序
NODE    EQU    30H ；節(jié)點號緩沖區(qū)
NBTR0   EQU    31H ；總線定時寄存器0緩沖區(qū)
NBTR1   EQU    32H ；總線定時寄存器1緩沖區(qū)
…；定義RAM內(nèi)發(fā)送TXBF、接收RXBF緩沖區(qū),即40H與50H
…；再定義相應(yīng)的控制CR、命令CMR、狀態(tài)SR、中斷IR寄存器，即0BF00H-0BF04H
AMR     EQU   0BF05H ；接收碼屏蔽寄存器
BTR0    EQU    0BF06H ；總線定時寄存器0
BTR1    EQU    0BF07H ；總線定時寄存器1
OCR     EQU    0BF08H ；輸出控制寄存器
CDR     EQU    0BF1FH ；時鐘分頻寄存器
   … ；定義接收RXB、發(fā)送TXB緩沖器，即0BF14H與0BF0AH
CANINI: MOV   DPTR，#CR   ；寫控制寄存器
          MOV   A，#01H      ；置復(fù)位請求為高
MOVX @DPTR, A
CANI1: MOVX A, @DPTR     ；判斷復(fù)位請求有效
JNB     ACC.0, CANI1
MOV    DPTR, #ACR ；寫接收碼寄存器
MOV    A, NODE       ；設(shè)置節(jié)點號
MOVX   @DPTR, A
MOV     DPTR, #AMR ；寫接收碼屏蔽寄存器
MOV    A, #00H[!--empirenews.page--]
MOVX   @DPTR, A
MOV     DPTR, #BTR0 ；寫總線定時寄存器0
MOV    A , NBTR0    ；設(shè)置波特率
MOVX   @DPTR, A
… ；同上三行進行寫總線定時寄存器1并設(shè)置好波特率
MOV    DPTR, #OCR   ；寫輸出控制寄存器
MOV     A, #OFAH
MOV     @DPTR, A
MOV     DPTR, #CDR ；寫時鐘分頻寄存器
MOV     A, #00H    ；將CAN工作模式設(shè)為BasicCAN模式時鐘2分頻
MOVX    @DPTR, A
MOV     DPTR, #CR ；寫控制寄存器
MOV     A, #0EH     ；開放中斷源
MOVX    @DPTR, A
（2）CAN總線接收子程序
RXSB: MOV     DPTR, #SR ；讀狀態(tài)寄存器判斷接收緩沖區(qū)滿
        MOVX   A, @DPTR
        JNB      ACC.0, RXSB
RXSB1: MOV     DPTR, #RXB ；將接收的數(shù)據(jù)放在CPU RAM區(qū)
MOV      R0, #RXBF
MOVX     A, @DPTR
MOV      @R0, A
INC      R0
INC      DPTR
MOVX    A, @DPTR
MOV     @R0, A
MOV     B, A
      RXSB2: INC      DPTR
INC      R0
MOVX   A, @DPTR
MOV     @R0, A
DJNZ     B, RXSB2
MOV     DPTR, #CMR ；接收完畢釋放接收緩沖區(qū)
MOV     A, #04H
MOVX    @DPTR, A
MOV      DPTR, #SR ；讀此狀態(tài)寄存器
MOVX    A, @DPTR
…；判斷ACC.1、ACC.7、ACC.6，分別跳到DATAOVER、BUSWRONG、CNTWRONG
SJMP   RECEEND
DATAOVER：做相應(yīng)的數(shù)據(jù)益處錯誤處理后直接跳到RECEEND
BUSWRONG：做總線錯誤處理后直接跳到RECEEND
CNTWRONG：做數(shù)據(jù)錯誤處理
RECEEND：；接收任務(wù)結(jié)束
（3）CAN總線發(fā)送子程序
    TXSB: MOV     DPTR, #SR   ；讀狀態(tài)寄存器
MOVX    A, @DPTR   ；判斷發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)
JNB       ACC.2, TXSB
MOV      R1, #TXBF
MOV      DPTR, #TXB
TX1: MOV      A, @R1       ；向發(fā)送緩沖區(qū)10填入標(biāo)示符
MOVX    @DPTR, A
INC       R1
INC       DPTR
MOV      A, @R1       ；向發(fā)送緩沖區(qū)11填入數(shù)據(jù)長度
MOVX     @DPTR, A
MOV      B, A
TX2: INC       R1
INC       DPTR
MOV      A, @R1    ；向發(fā)送緩沖區(qū)12到19送數(shù)據(jù)
MOVX     @DPTR, A
DJNZ      B, TX2
MOV      DPTR, #CMR ；置CMR.0為1請求發(fā)送
MOV      A, #01H
MOVX    @DPTR, A
5.設(shè)計總結(jié)
    根據(jù)上述的嵌入式溫度測量系統(tǒng)設(shè)計出的測溫系統(tǒng)能通過熱電偶實現(xiàn)自動溫度信號采集，再由MAX6675將此信號轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號輸入到微處理器，讓微處理器對它進行自動處理后送到LED顯示器顯示出來，也可以通過CAN總線送向上位機，實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量溫度和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視控制的功能。整個系統(tǒng)采用12位的高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使其溫度測量誤差可以達到小于0.1°C,同時系統(tǒng)也具有良好的實時性[6]。本文作者創(chuàng)新點：運用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計思想和方法、結(jié)合相應(yīng)的測溫精度和實時性、采用CAN工業(yè)通信總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計出一種基于CAN總線的嵌入式測溫系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以作為一種通用的小型測溫系統(tǒng)使用也可以嵌入到其他大型的工業(yè)檢測與控制系統(tǒng)中。