基于can總線的溫度測控系統的設計-畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 41 所示 圖 41 智能 節點 CAN 連接電路圖 CANRXDCANTXD 分別接微處理器的 44 號管腳 PA11CTS1CANRX 和 45 號管腳PA12RTS1CANTXCAN 報文收發時 CPU 將數據存入緩沖區然后設置寄存器將其發送命令數據要打包成報文形式通過 45 腳發送到 CAN 收發器在接收報文時通過 44腳接收數據再經過一系列處理后通知 CPUCANH 和 CANL 分別為輸出高電位和地電位 S 腳可以設置收發器的模式此系統不接就是默認為高速模式 LCD 顯示接口 為了方便下位機可以很好的人機交互連接 LCD模塊通過 LCD屏可以看到當前的溫度值具體電 路圖如圖 42 所示 其中 D0D1D2D3 分別連接微處理器的 41403938 管腳 DISPOFF 與 37 管腳連接FLMFRMR 分別連接 3635 管腳 CL1CL2 分別與 3433 連接 圖 42 LCD 顯示模塊 協議轉換器設計 在本系統中 PC 的作用主要是監控下位機智能節點的工作狀況發送溫度控制命令溫度采集顯示設置參數和數據分析等給以直觀的數據然而目前個人電腦上面主要有 RS232PCIUSB接口很少會提供 CAN通信模塊因此如果要實現兩者的通信就要在兩者之間架起一座橋梁也就是把 RS232接口轉換成 CAN接口它的作用就是將下位機采集來的 CAN 報文形式轉化為 PC 串口可以識別的位數據形式并實現CAN 報文和串口數據的發送接收其硬件構成主要包括 C51 單片機 CAN 控制器SJA1000CAN 收發器 82C250 和串口轉換器件 232 等 單片機通過數據總線對 CAN控制器實行讀寫操作實現 CAN協議和串口協議的轉換 [7]由于 CAN 控制器 SJA1000 的總線驅動能力有限在 CAN 控制器與物理總線之間需要接入收發器 82C250 作為收發芯片提供對 CAN 總線的差動發送和對 CAN控制器的差動接收該芯片具有傳輸速度快抗瞬間干擾和保護總線的能力并可通過管腳的接 地電阻控制脈沖斜率降低射頻干擾 82C250 作為 CAN 協議控制器和物理連接線路之間的接口可用高達 1Mbits 的位速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數據很方便地連接并實現信號的差動發送和接收有較強的總線驅動能力經過它系統可向 CAN總線上發送數據也可以接收來自 CAN總線上的數據信息 232是電壓轉換芯片由于標準 RS232電平很高達到正負 15V而常用的 TTL電平最高為5V 所以它的作用就是將 TTL 電平轉換成可以和 PC 串口匹配的電壓這樣 CAN 控制器跟串口之間才可以安全的通信在信號輸出端加限流電阻濾波電容和反向過沖保護二 極管降低電磁輻射增強轉換器的抗干擾能力和穩定性原理框圖如圖 43 所示 圖 43 協議轉換器原理框圖 SJA1000是一款普遍用于工業環境和自動化領域的 CAN控制器具有 CAN通信協議所要求的全部特性經過簡單的總線連接就可完成 CAN 協議物理層和數據鏈路層的所有功能 SJA1000 作為 CAN 的控制部分在與單片機連接時它的數據線AD0AD7 與單片機的輸入輸出管腳 P00P07 連接片選信號 CS 接地低電壓允許訪問 RSTINTWRWDALE 管腳分別跟單片機的相應管腳連接控制器的收發端 RX0TX0 分別接收發器的 RXDTXD引腳 由于 SJA1000的模式可以有 INTEL和 Motorloa兩種本設計中采用的是 INTEL 模式即把控制器的 Vdd1Vdd2Vdd3 連同 MODE 引腳接 5V 電壓控制器的 Vss1Vss2Vss3 與收發器的 Rs 引腳接地 42 上位機的硬件設計 上位機是指可以直接發出操控命令的計算機屏幕上顯示各種信號變化液壓水位溫度等是 PC 在工控領域很多情況下會存在 PC 機和單片機系統通信由于PC 機和單片機都有串口因此可以通過串口實現兩者之間的通信串口的作用就是處理器跟串行設備之間進行編碼轉換的微處理器發送字節數據到串口后變成串行的 位數據在接收過程中正好相反把位數據轉換成字節數據計算機的串口一般為 RS232口有 9針和 25針兩種通常都是九針的 COM1那么在進行通信時就需要在PC 端設計相應的串口程序而 PC 上一般是應用 Windows 系統因此就需要在Windows 環境下編寫串口通信程序 [8]串口圖九針如圖 44 所示 圖 44 串口圖 其中 23腳分別為發送 TXD和接收 RXD 管腳 5腳為信號地一般這三個腳就可以完成收發功能了表 41 為具體管腳定義 表 41 串行口管腳定義表 序號 引腳定義 信號名稱 功能 1 DCD 載波檢測 表示 DCE收到遠程載波 2 TXD 發送數據 發送串行數據 3 RXD 接收數據 接收串行數據 4 DTR 數據終端就緒 請求 DCE 將線路切換到發送方式 5 GND 信號地 公共信號地 6 DSR 數據設備就緒 通知 DTE 線路進接通可以發送數據 7 RTS 請求發送 DCE 準備好 8 CTS 允許發送 DTE 準備好 9 RI 接通指示 表示 DCE 與線路接通 Windows 里串口是系統資源的一部分應用程序要使用串口進行通信首先要打開串口申請資源通信完畢后要關閉串口釋放資源在系統函數中均包含支持通信中斷的功能而且系 統還為串口通信提供了輸入和輸出的緩沖區應用程序只能對輸入輸出緩沖區進行操作數據進出串口都是由系統后臺操作的 43 小結 在本章中主要給出了上位機和下位機的連接設置即硬件的連接設計為系統的軟件設計打下了基礎 5 系統軟件設計 51 下位機的軟件設計 CAN 接口的軟件設計 由于本系統用到 ARM 處理器 [9]所以用 Keil uVision4 編譯器進行軟件的編譯設計它里面集成 C 編譯器宏匯編連接器庫管理和一個功能強大的仿真調試器通過一個集成開發環境 uVision 將這些部分組合在一起軟件語言應用 C 語言[10]與其他語言相比它有著語言簡潔運算符豐富可以直接對硬件操作可移植性好的特點在 Keil中生成 hex文件也就是程序通過編譯后生成的 16進制代碼文件再用 Jlink 下載線通過 STCISP V391 軟件下載到 ARM 里運行 軟件設計主要包括 CAN初始化報文的發送報文的接收 CAN初始化最重要的是設置 CAN 的波特率要根據具體的實際情況而定通常情況下 1Mbps 可以最遠傳送40米的距離一般波特率的設置會用到 PCK1時鐘它可以通過測 CANTX引腳上面的波形得出 圖 51 CAN 初始化流程圖 1CAN 初始化 初始化程序包括 對系統時鐘 RCC 配置中斷向量控制器 NVIC 配置輸入輸出 GPIO 設置同步異步收發端 USART 配置和 CAN配置其中最重要的是對 CAN的設置CAN_Configuration 函數主要就是用來對 CAN 寄存器內核工作模式濾波器進行設置具體流程圖如圖 51 所示 2CAN 發送函數 CAN發送函數主要包括選擇一個空的郵箱設置 IDDLC所要傳送的消息幀長度設置請求發送部分代碼如下其流程圖如圖 52 所示 圖 52 CAN 發送函數流程圖 圖 53 CAN 接收函數流程圖 3CAN 接收函數 CAN 的 接收函數跟發送函數正好相反主要是在參數檢查完后進行獲取 ID 得到 DLC 和 FMI 解析數據幀最后釋放 FIFO 其流程圖如圖 53 所示 轉換器的軟件設計 由于 CAN總線和 RS232工作在兩個不同的網絡且 CAN總線是基于數據塊編址的以報文為單位來發送數據的報文都有唯一的標識符 ID 每一幀最多容納 8 個字節 RS232 是以位數據的形式進行傳輸的是一種串行物理接口標準因此要實現兩者的通信必須進行協議的轉換轉換程序主要包括協議轉換 CAN函數 RS232函數其中協議轉換可以使 RS232 到 CANCAN 到 RS232 的數據轉化 CAN 函 數主要實現的是SJA1000 的初始化發送和接收數據其中韌始化主要包括設置工作方式接收濾波方式接收屏蔽寄存器接收代碼寄存器波特率設置和中斷允許寄存器發送函數將數據存儲區的數據取出后封裝成報文格式送入緩沖區內接收函數在緩沖區里讀數據并將其存入數據存儲區里 RS232 函數實現了串口初始化接收發送函數及中斷函數串口工作在查詢模式 CAN 總線有數據時微處理器將其發送串口當串口有數據時將其發送到 CAN 總線主程序流程圖如圖 54 所示 圖 54 協議轉換器主程序流程圖 要使轉接卡可以正常工作就要對 CAN控制器 SJA1000初始化主要的 CAN控制器寄存器的控制字見附錄 在波特率的設置上在不進行傳輸數據壓縮的前提下它的值就是每秒所傳送的數據位數所以要保證本轉換器的設置跟下位機所有節點的設置是一樣的如果偏差很大則不能進行通信 SJA1000 初始化流程圖如圖 55 所示 圖 55 CAN 控制器 SJA1000 初始化流程圖 圖 56 串口部分程序流程圖 在進入復位模式后選擇 CAN 的 BasicCAN 模式設置代碼寄存器和屏蔽寄存器波特率輸出模式和時鐘分頻最后退出復位 在接收串口 數據時把由上位機 PC 發來的數據進行處理數據是 ASCII 碼形式的需將其轉化為字節的形式 gethex 1 是將 2 個 ASCII 碼轉為一個字節 S 位是進行 CAN 節點 ID 和速度設置的其流程圖如圖 56 所示 52 上位機的軟件設計 串口通信 Windows 提供串口通信有三種方法 1 使用串口通信控件針對串口通信 Microsoft 公司提供了 MSComm 控件使用控件串口通信是非常方便的設計人員不需要了解繁瑣的 API 函數到底是怎么運作的通過簡單的修改控件的屬性就可以實現串口的配置完成串口接收和發送功能 2 應用 Windows的 API 應用程序接口 Windows 中串口是以文件的形式被打開和訪問的串口和串口通信驅動需要用到設備控制塊 Device Control BlockDCB進行配置應用程序使用 API 函數打開 CreateFile 打開串口 ReadFile 讀取串口CreateEvent 建立事件對象和 CloseHandle 關閉串口 3使用動態鏈接庫 DLL動態鏈接庫是一些函數的集合開發人員編制端口驅動程序或使用第三方提供的 DLL 例程在函數工作是會鏈接到應用程序而不是在編譯期間靜態的連接可執行文件 Windows應用程序大量使用 DLL其中包 括系統應用程序的大量過程 在本論文中考慮到溫度傳輸的數據量小串口通信不是很復雜且開發方便節省時間故而采用第一種方法 MSComm 控件 MSComm 控件作用就是用 ActiveX 控件簡化 Windows 下串口編程可以提供標準通信接口方便用戶通過串口接口到其他設備中 MSComm 控件串口編程的基本流程如圖 57 所示 圖 57 MSComm 控件開發串口流程圖 MSComm 提供兩種處理通信問題的方法 [11] 1事件驅動法 MSComm中的 OnComm事件可以處理緩沖區里有字符的情況還可以檢查處理錯誤程序編寫時可以在事件處理函數中 添加自己的程序好處就是響應迅速穩定性好 2查詢方式它實際上也屬于事件驅動根據 CommEvent屬性值來查詢事件錯誤這在某種時候會比較簡捷 本文在溫控系統的 PC 機上研究串口通信并應用 MFC 開發可視化界面用于溫度的實時控制及其結果的呈現在串口通信方面采用 Microsoft 公司提供的ActiveX控件 MSComm來實現編程在整個軟件設計過程中作為 MSComm控件所嵌入的對話框動態溫度曲線是采用窗口的 View類實現的在這里創建 MFC應用程序 [12]來實現溫度曲線的顯示對話框上的圖標不可以加載到視圖 View 中但是 MSComm控件能夠加載到單文檔的 ABOUT 中在本文的界面里沒有顯示這樣就可以完成實現具體步驟如圖 58 所示 圖 58 本系統 MSComm 控件加載圖 59 MF