基于can總線的溫度測量系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 件的設計原理 控制器局部網 (controller area work,CAN)屬于現場總線的范疇 ,它是一種有效支持分布式控制的串行通訊網絡 ,被公認為是最有前途的現場總線之一。本文利用 DS18B20測溫芯片作為傳感器 ,使用 CAN總線標準設計了一種智能測溫系統。該系統精度高、可靠性好、結構簡單、成本低 ,在適用范圍內可取代傳統的測溫系統 ,對該系統稍加修改 ,可使它應用于在多種測溫場合。 硬件電路由微處理器、 CAN控制器、測溫芯片 DS18B LCD、 LED、鍵盤、復位電路、蜂鳴器等幾部分組 成 ,如圖 1，圖 2所示。單片機 AT89C51是硬件電路的 核心 ,承擔CAN控制器的初始化、數據收發控制等任 務 。CAN總線控制器用于同上位機進 行遠程通訊 ,能 夠獨立完成 CAN總線上數據的接收和發送工作 。DS18B20芯片用于檢測和發送溫度數據。 下位分機 （ 圖 A） 溫度 LED 顯示 AT89C51 報警器 CAN 總線控 制器 SJA1000 DS18B20 鍵盤 CAN 總線收發器 PCA82C250 電路測試結果分析 14 上位主機 (圖 B) 圖 1 整體設計框圖 CAN總線 ……… 圖 2 CAN總線的控制系統結構圖 溫度傳感器選用 DS18B20 DSl8B20數字溫度計提供 9位 (二進制 )溫度 讀數指示器件的溫度信息經過單線接口送入 DSl8B20 或從 DSl8B20 送出因此從主機 CPU 到 DSl8B20 僅需一條線 (和地線 )DSl8B20 的電源可以由數據線本身提供而不需要外部電源因為每一個 DSl8B20 在出LCD 顯示 AT89C51 報警器 CAN 總線收發器 PCA82C250 鍵盤 CAN 總線控 制器 SJA1000 總操作站（上位機） CAN 節點 CAN 節點 1 傳感器 ， 單片機 CAN 節點 N 傳 感器，單片機 電路測試結果分析 15 廠時已經給定了唯一的序號 。 因此任意多個 DSl8B20 可以存放在同一條單線總線上 ， 這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件 ， DSl8B20 的測量范圍從 55 到 +125 增量值為 可在 ls(典型值 )內把溫度變換成數字 。 每一個 DSl8B20 包括一個唯一 的 64 位長的序號該序號值存放在 DSl8B20 內部的ROM(只讀存貯器 )中開始 8 位是產品類型編碼 (DSl8B20 編碼均為 10H)接著的 48 位是每個器件唯一的序號最后 8 位是前面 56 位的 CRC(循環冗余校驗 )碼 DSl8B20 中還有用于貯存測得的溫度值的兩個 8 位存貯器 RAM 編號為 0 號和 1 號 ,1 號存貯器存放溫度值的符號如果溫度為負 ， 則 1 號存貯器 8 位全為 1 否則全為 00 號存貯器用于存放溫度值的補碼 LSB(最低位 )的 1 表示 將存貯器中的二進制數求補再轉換成十進制數并除以 2就得到被測溫度值 (550125)DSl8B20 的引腳如圖 226l 所示每只 D518B20 都可以設置成兩種供電方式即數據總線供電方式和外部供電方式采取數據總線供電方式可以節省一根導線但完成溫度測量的時間較長采取外部供電方式則多用一根導線但測量速度較快。 溫度計算： 1． DS18B20 用 9 位存貯溫值度 ,最高位為符號位 ,下圖為 DS18B20 的溫度存儲方 式 ,負溫度 S=1 正溫度 S=0。如 : 00AAH 為 +850C,0032H 為 250C,FF92H 為 550C。 TEMPERATURE REGISTER FORMAT Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 26 25 24 23 22 21 20 21 Bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S S S S 2． DS18B20 用 12 位存貯溫值度 ,最高位為符號位 ,下 圖為 DS18B20 的溫度存儲方 式 ,電路測試結果分析 16 負 溫度 S=1,正溫度 S=0。如 : 0550H 為 +850C,0191H 為 ,FC90H 為 550C。 TEMPERATURE REGISTER FORMAT Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 Bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S 26 25 24 CAN 控制器選用 SJA1000 SJA1000是一種獨立的 CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業環境中的區域網絡控制。它是 PHILIPS半導體公司 PCA82C200CAN控制器的替代產品，而且它增加了一種新的操作模式 PELICAN，這種模式支持具有很多新特性的 。 如圖所示 ,SJAl000從邏輯上可分為 7個部 分 : a)IML(接口管理邏輯 )IML用于解釋來自 CPU的 命令 ,分配 信息緩沖區并向 CPU 提供中斷及狀態信 息 。 b)發送緩沖區 TXB 13字 節長存儲器 ,外 部 CPU將要發送的信息寫入此緩 沖區 。 c) 接收緩沖區 RXB 接收緩沖區為 64字節的 CPU接收信息的 FIFO寄 存器 。 d) 接收過濾器 ACF 對接收到的信息 ID與 ACF內容相比較以決定是否接收 信息 。 e) 位流處理器 BSP 用來控制發送、接收緩沖區及 CAN總線的數 據流 。 f) 定時邏輯 BTL 用于控制 CAN總線上數據的傳輸速率 與同步 。 g) 錯誤管理邏輯 EML 按 CAN協議進行錯誤管理。 [18] 電路測試結果分析 17 ALE CS RD WR CLKOUT MODE AD0— AD7 RX01 TX01 XTAL1 XTAL2 RST 圖 3 SJA1000的 邏輯框圖 CAN 收發器選用 PCA82C250 PCA82C250 的 主要特性有 : .完全符合 “ IS011898” 標準 .高 速率 (最高達 1Mbps) .斜 率控制，降低射頻 干 擾 (RFI) .過 熱 保護 .低 電流待機模式 .可 連接 110 個 節 點 ,具 有抗汽車環境中的瞬間干擾，保護總線能力 .差分 接收器，抗寬范圍的共模干擾，抗電磁干擾 (EMI） .防 止電池和地之間的發短路 .未 上電的節點對總線無影響 其主要功能有 : 首先， 82C250 驅動電路內部只有限流電路，可以防止輸出級對電源、地或負載短路， IML MB TXB FIFO RXB BSP AFC BTL MEL DSCILLATOR RESET 電路測試結果分析 18 雖然 在這種故障條件出現時功耗增加，但不致使輸出級破壞。 其次， 82C250 采用雙線差動驅動，有助于抑制惡劣環境下的瞬變干擾。引腳 Rs 可用于選擇三種不同的工作 方式 :高速、斜率控制和待機。 在高速工作方式下，發送器輸出晶體管以盡可能快的速度啟閉。在這種方式下，不采用任何措施限制上升和下降斜率，此時，建議使用屏蔽電纜以避免射頻 干 擾問題。通過將引腳 P00 接地可選擇高速方式。對一于較低速度或較短總線長度，可用非屏蔽雙絞線或平行線作總線。為降低射頻干擾。應限制上升和下降斜率，上升和下降斜率可通過由引腳 8 至地連接的電阻 進行控制。斜率正比于引腳 8 上的電流輸出。若腳 8 接高電平，則電路進入低電平待機方式，在這種方式下，發送器被關閉，而接收器轉至低電流。若檢測到顯 示 位， RXD 將轉至低電平，微控制器應通過引腳 8 將發送器變為正常方式作為對此條件作出的反應。由于在待機方式下，接收器是慢速的，因此第一個報文將被丟失。對于 CAN 控制器及帶有 CAN 總線接口的器件， 82C250 并不是必須使用的器件，因為多數 CAN 控制器均具有配置靈活的收發器件，并允許總線故障，只是驅動能力只允許 20～ 30 個節點連接在一條總線上。而82C250 支持多達 110 個節 點，并能以 1Mbps 的速率工作于惡劣 電氣 環境下。利用 82C250還可方便地在 CAN 控制器與收發器之間建立光電隔離，以實現總線上各個節點之間的電氣隔離。 [18] 單片機選用 AT89C51 單片機按照其基本操作處理的位數可分為 :1 位機、 4 位機、 8 位機、 16 位機、 32位機等。其中 1 位機和 4 位機結構簡單，成本很低，但指令不豐富，且編程復雜，可用于簡單的控 制 。16 位機和 32 位單片機集成度高，性能優越，但是其價格目前比較貴，從而限制了廣泛的應 用 :而 8 位單片機小巧靈活，指令豐富，性價比極高的優勢使其 產品占領目前整個單片機市場的 60%以上份額，可以說 8 位單片機將在今后一段時間內仍是工業檢測控制的主流機型。現在世界上比較著名的單片機生產廠家有美國 INTEL公司， MOTOROLA 公司， TI 公司， MAXIM 公司， NS 公司， ATMEL 公司等。 近年來，隨著美國 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機的推出和單片機 C 語言的廣泛應用， MCS51 單片機有了進一步的活力。 AT89 系列以 MCS51 為內核，兼容了 MCS51電路測試結果分析 19 的硬件和軟件，其主要優點 在于 。片 內的程序存貯器采用閃爍存貯技術，具有電可擦除，電可編程，且編程和擦除時 間短 (4K 字節存貯器編程約 3 秒，擦除時間約 l0ms)， 并可反復編程，數據不易揮發，而且加密功能也大大增強了，能有效的防止用戶程序被復制。時鐘頻率的提高使運算速度也加快了。產品中的 20 腳封裝形式的機種，使其體積更小，更具應用靈活性，可方便的應用于家電產品及小型儀器儀表。 AT89 系列單片機主要產品類型和特點如 表 1: 表 1 AT89XX 系列芯片 單片機型號 /存貯器 容量和類型 RAM 16 位定時器個數 中斷源個數 最高晶振頻率/MHZ 封裝引腳個數 AT89C51/4KEPROM 128 2 5 24 40 AT89C52/8KE2PROM 256 3 8 24 40 AT89C1051/1KE2PROM 128 2 5 24 40 AT89C2051/2KE2PROM 128 2 5 24 40 經綜合考慮，本系統決定選用美國 ATMEL 公司生產的 AT89C51 型單片機，其主要 特點是 : 與 MCS51 兼容 4K 字節可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦 循環 數據保留時間： 10 年 全靜態工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時 器 /計 數器 5 個中斷源 可編程串行通道 電路測試結果分析 20 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 AT89C51 是一種帶 4K 字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃 爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 [4] 系統單元電路的設計 溫度測量電路的設計 微控制器采用 ATMEL公司的單片機 AT89C51,它具有 4K內部可擦寫程序存儲器和 32個輸入 /輸出端 口 ,滿 足本系統中溫度測量、數據顯示、數據通訊、復位電路的