基于can總線的多點溫度監測及報警系統設計畢業設計(論文)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 節點同時向網絡上傳送數據時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響繼續傳輸數據，有效避免了總線沖突； ③ 采用短幀結構，每一幀的有效字節數為 8 個，數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發送的時間短； ④ 每幀數據都有 CRC 校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適于在高干擾環境下使用； ⑤ 節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上其他操作不受影響； ⑥ 可以點對點，一對多 及廣播集中方式傳送和接受數據。 （ 2） CAN 總線的優點 ： ① 具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點； ② 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中工作； ③ 具有優先權和仲裁功能，多個控制模塊通過 CAN 控制器掛到 CANbus 上，形成多主機局部網絡； ④ 可根據報文的 ID 決定接收或屏蔽該報文； ⑤ 可靠的錯誤處理和檢錯機制； ⑥ 發送的信息遭到破壞后，可自動重發； ⑦ 節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能； ⑧ 報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能 信息、優先級信息。 CAN 協議簡介 CAN 協議的分層結構 CAN 協議分為三層 ： 目標層、傳輸層和物理層 [6]。主要對應于 ISO(Intermational Standard Organizantion，國際標準化組織 )的 OSI(Open System Interconnertion，開放系統互連 )七層模型中數據鏈路層的媒體訪問控制子層以及物理層的物理信號部分。目標層和傳輸層包含所有由 ISO/OSI 模型定義的數據鏈路層的服務和功能。由于 CAN 的數據結構簡單，又是范圍較小的局域網，因此 不需要其他中間層，應用層數據直接取自數據鏈路層或直接向鏈路層寫數據。結構層次少有利于系統中實時控制信號的傳送。 傳 播 媒 體 應用層 有設計者自行定義 … 數據 鏈路層 物理層 邏輯鏈路控制子層 LLC 媒體訪問控制子層 MAC 物理信號子層 PLS 物理媒體附屬子層 PMA 媒體相關接口子層 MDI CAN 控制器 CAN 收發器 CAN 協議 規范 圖 CAN 協議的分層結構 CAN 協議的分層結構如圖 所示。 PMA 子層和 MDI 子層有多種規范，由不同的組織制定，可應用在不同的領域和場合。 CAN 層的定義與開放系統互連模型（ OSI）一致，每一層與另一設備上相同的那一層通訊，實際的通訊發生在每一設備上的相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互連，表 21 中展示了 OSI 開放式互連模 型的各層。應用層協議可以由 CAN 用戶定義成合適特別工業領域的任何方案，已在工業控制和制造業領域得到了廣泛應用的標準是 DeviceNet，這是 PLC 和智能傳感器設計的，在汽車工業，許多制造商都應用他們的標準。 表 21 OSI 開放系統互連模型 7 應用層 最高層用戶軟件網絡終端等之間用來進行信息交換如 DeviceNet 6 表示層 將兩個應用不同數據格式的系統信息轉化為能共同理解的格式 5 會話層 依靠低層的通信功能來進行數據的有效傳遞 4 傳輸層 兩通信節點之間數據傳輸控制操作如數據重發數據錯誤修 復 3 網絡層 規定了網絡連接的建立維持和拆除的協議如：路由和尋址 2 數據 鏈路層 規定了在介質上傳輸的數據位的排列和組織如數據校驗和幀結構 1 物理層 規定通訊介質的物理特性如電氣特性和信號交換的解釋 CAN 物理層定義了傳輸線和硬件的機械、電氣和電信號特征及功能。機械特征包括連接器尺寸、類型等； 電氣特性包括最大傳輸速率、最大傳輸距離、信號電平狀態代表意義等；電信號特征包括對應電平信號的邏輯信號、信號的傳輸時序、數據采樣方式等。但在 ，而在 ISO11898 標準中的內容更加具體，但沒有指明通訊介質的材料，因而用戶可以根據自己的需要選擇雙絞線，同軸電纜或光纖，最常用的就是雙絞線。 表 22 CAN 總線長度與傳輸距離的關系 CAN 總線波特率 任意兩節點間的最大距離 1Mbps 40m 500kbps 130m 250kbps 270m 125kbps 530m 100kbps 620m 50kbps 20kbps 10kbps 5kbps 10km CAN 網絡的速度取決于總線的長度。控制器最快能達到 1Mbps，但對總線長度有限制。對于 50m長的總線，最大波特率是 1Mbps，而對于 150m的總線，波特率約為。 CAN 網絡上的任意兩個節點之間的最大傳輸距離與其位速率有關，其對應關系見表 22 所示。 圖 總線位的數值表示 CAN 總線上的電平形式中的總線數值為兩種互補邏輯數值之一：“顯性”或“隱性”。顯性數值表示邏輯“ 0”，而“隱性”數值表示邏輯“ 1”。“顯性”和“隱性”同時發送時，最后總 線數值將顯示為“顯性”。在“隱性”狀態下， HCANV ? 和 LCANV ? 被固定于平均電壓電平， difV 近似為 0。在總線空閑或“隱性”位期間，發送“隱性”狀態。“顯性”狀態改寫“隱性”狀態并發送。總線位的數值表示如圖 所示。 (差動傳輸方式 ) 報文傳輸及其幀結構 SOF 11 位標示符 仲裁場 控制場 RTR 位 difV difV 隱性位 顯性位 隱性位 時間 t HCANV ? LCANV ? 平均電壓 U 圖 數據幀標準格式中的仲裁場結構 CAN 總線的數據傳輸由以下 4 個不同的幀類型所表示和控制，它們分別是 [7]： 數據幀：數據幀將數據從發送器傳送到接收器。 遠程幀：總線單元發出遠程幀，請求發送具有相同標識符的數據幀。 錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。 超載幀：超載幀用以在相鄰的數據幀或遠程幀之間提供附加的延時。 數據幀和遠程幀用一個幀空間與前面的幀分開。以下將逐一對各幀的結構做詳細介紹。 CAN 技術規范 中有兩種不同的幀格式，標準幀和擴展幀。不同 之處在于每幀的標識符的長度不同：標準幀的標識符長度為 11 位，而擴展幀的長度則為 29 位。 標準格式和擴展格式的仲裁場格式不同。在標準格式中，仲裁場由 11 位標識符 ID 和遠程發送請求位 RTR 組成。 11 位標識符為 ～ ，如圖 所示。 數據幀由 7 個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、 CRC 場、應答場和幀結束。數據場的長度可為 0。數據幀的結構如表 23 所示。 表 23 數據幀結構 ?? 幀起始 仲裁場 控制場 數據場 CRC 場 ACK 場 幀結束 ?? 幀起始（ SOF）標志數據幀和遠 程幀的起始，僅由一個顯性位構成。只有在總線處于空閑狀態時才允許站開始發送。所有站都必須同步于首先開始發送的那個站的幀起始前沿。 而在擴展格式中，仲裁場由 29 位標識符、 SRR 位、 IDE 位和 RTR 位組成，標識符為 ～ ，如圖 所示。 圖 數據幀擴展格式中的仲裁場結構 控制場由 6 位組成。其結構如圖 所示。 圖 控制場結構 標準格式的控制場結構和擴展格式的不同 。標準格式里的控制場包括數據長度碼 DLC， IDE 位及仲裁場 RTR 18 位標示符 SRR IDE 11 位標示符 SOF 控制場 IDE/r1 r0 DLC3 DLC2 DLC1 DLC0 控制場 數據場 數據長度代碼 保留為 仲裁場 保留位 r0；擴展格式里的控制場包括 DLC 和兩個保留位 r1 和 r0。保留位必須發送顯性位。數據長度碼指出數據場的字節數目。數據長度碼為 4 位，在控制場中發送。數據字節的允許數目為 0～ 8。 遠程幀由 6 個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、 CRC 場、應答場和幀結束。與數據幀相反，遠程幀的 RTR 位是隱性位。遠程幀不存在數據場， DLC 的數值沒有意義，它可以是 0～ 8 中的任何數值，這一數值為對應數據幀的 DLC。 錯誤幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得 到，第二個場是出錯界定符。有兩種形式的錯誤標志，一種是活動錯誤標志，另一種是認可錯誤標志。活動錯誤標志由 6 個連續的顯性位組成，認可錯誤標志由 6 個連續的隱性位組成。 超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。有三種超載條件會導致超載標志的發送：一是要求延遲下一個數據幀或遠程幀的內部條件，二是在間歇場的第 1 位和第 2 位檢測到顯性位，三是如果 CAN 節點在錯誤界定符或超載界定符的第 8 位（最后一位）采樣到一個顯性位，節點會發送一個超載幀（不是錯誤幀）。超載標志由 6 個顯性位組成，所有形式對應于活動錯誤標志形式。超載界定符 由 8 個隱性位組成，與出錯界定符具有相同的形式。 報文濾波 CAN 總線通過報文濾波技術，可以實現點對點、一點對多點及全局廣播等多種數據傳送方式 [8]。報文濾波技術實際是通過屏蔽寄存器和濾波寄存器來實現。屏蔽寄存器設定需要校驗的二進制位，濾波寄存器存儲需比較的數值。對這一概念的理解有助于深刻了解 CAN 協議的原理及其硬件結構，為軟件的實現打下基礎。 濾波寄存器和屏蔽寄存器決定是否將信息裝入接收緩沖區。信息幀仲裁場的標識符與濾波寄存器中的值比較，如果二者相等，則將信息裝入相應的接收緩沖區。屏蔽寄存器的作用是決定標識 符的哪些位需要與濾波寄存器比較。如果屏蔽寄存器的每一位為 1，那么這一位會自動接收，無須與濾波寄存器的相應位進行比較。 可見如果信息標識符的高字節為 11001101，屏蔽寄存器值為 00001111，若濾波寄存器的值為11001101 則將數據收入緩沖區。也就是說滿足下列兩等式之一，則報文被接收。（ ～ ）≡(～ ) （ ～ ）≡ 11111111 屏蔽寄存器和濾波寄存器存放在 CAN 控制器中，其自動識別標識符的功能由硬件實現，但濾波寄存器和屏蔽寄存器的值需要軟件設定。 3 基于 CAN 多點溫度檢測系統的總體設計 系統總體方案設計 溫度檢測系統有則共同的特點：測量點多、環境復雜、布線分散、現場離監控室遠 等。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號，則需要設計信號調理電路、 A/D 轉換及相應的接口電 路，才能把傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號送到計算機去處理。這樣，由于各種因素會造成檢測系統較大的偏差；又因為檢測環境復雜、測量點多、信號傳輸距離遠及各種干擾的影響，會使檢測系統的穩定性和可靠性下降 。 所以多點溫度檢測系統的設計的關鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和遠程通信的設計。 溫度傳感器應用范圍廣泛、使用數量龐大，也高居各類傳感器之首。 系統采用針對傳統溫度測溫系統測溫點少，系統兼容性及擴展性較差的特點，運用分布式通訊的思想。設計一種可以用于大規模多點溫度的檢測報警系統。系統的 主控模塊與監控模塊之間采用 CAN 總線進行數據傳 輸 ，從而 成為總線上的監控節點。 系統組成框圖如下圖 。 圖 系統組成框圖 系統設計的主要器件選擇 在糧庫、倉庫中溫度是主要的參數，本設計要求設計溫度參數的自動檢測系統，該系統由單片機或其它微型 機來完成，并實現顯示溫度值，當測量到的溫度超過用戶界限時報警。目前 CAN 總線已被公認為是最有前途的幾種現場總線之一。因其高性能價格比、實現簡單等突出優點深得越來越多的研發人員的青睞 ， CAN 控制器有 82C250、SJA1000 及 Intel 82526/82527 等；根據當前市場、開發工具和課題的實際需要，系統的智能節點均選用 ATMEL8 位單片機 AT89S52 為微處理器，并選取 PhiliPs 公司的SJA1000CAN 控制器以及 PCA82C250 總線收發器，主要考慮到 SJA1000 支持，而 82C250 可以支持 110 個 CAN 節點，并且國內市場上 PhiliPs 的產品型號比較多，購買比較方便。 微處理器 AT89S51/52 系列單片機是美國 ATMEL 公司生產的一種低功耗、高性能的片內有4K/8K 快閃可編程 /擦除只讀存儲器 (FPEROM)的 8 位 COMS 微控制器。除與 8031 引腳和指令系統完全兼容外，又增加了許多新的功能。 AT89S52 具有 8K 在系統可編程 Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統可編程，亦 適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈單片機 CAN CAN 單片機 溫度傳感器 主控模塊 監控模塊 活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節 Flash， 256 字節 RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數據指針，三個 16 位定時器 /計數器，一個 6 向量2 級中