【正文】 方面 ，溫 度 檢測(cè) 系統(tǒng)能夠保證溫度的恒定或者變化 ， 適應(yīng)與科學(xué)的研究 ，排除或者考察溫 度對(duì)某項(xiàng)研究起到的作用。 發(fā)展及現(xiàn)狀 CAN 總線在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點(diǎn)，以及它的高性價(jià)比決定了它在許多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。大型儀器設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，需要對(duì)多種信息進(jìn)行采集、處理、控制、輸出等操作。如醫(yī)療器械 CT 斷層掃描儀，為保證其可靠工作，在數(shù)據(jù)通信上要求功能塊間可隨意進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、通信能以廣播方式進(jìn)行、簡單經(jīng)濟(jì)的硬件接口、通信線盡量少、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高并能自動(dòng)進(jìn)行故障識(shí)別和自動(dòng)恢復(fù)。但是，這些要求 長時(shí)間未能得到很好的解決，直至 CAN總線技術(shù)出現(xiàn)才提供了一個(gè)較好的解決方法。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量和控制。準(zhǔn)確測(cè)量溫度對(duì)于生物制藥、食品加工、造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的。目前，溫度測(cè)量領(lǐng)域的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品也層出不窮。主要表現(xiàn)在以下兩方面： 溫度傳感器正從分立組件向集成化、智能化、系統(tǒng)化的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件； 在溫度測(cè)量系統(tǒng)中普遍采用線性化處理、自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)刃录夹g(shù)。 隨著信息時(shí)代的到來，數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展， 傳感器技術(shù)也得到了顯著的發(fā)展?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集 (即傳感器技術(shù) )、信息傳輸 (通信技術(shù) )和信息處理 (計(jì)算機(jī)技術(shù) )。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。 選題意義 在以往的國內(nèi)測(cè)控領(lǐng)域，在總線選擇上，大多采用 BITBUS 或 RS485 作為通信總線。其不足主要有： 只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn) ,主節(jié)點(diǎn)一旦出現(xiàn)故障就可能引起系統(tǒng)癱瘓 ； 數(shù)據(jù)通信為命令響應(yīng)，傳輸率低；錯(cuò)誤處理能力弱。采用 CAN 總線技術(shù)后即可解決上述問題。 CAN 網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可作為主節(jié)點(diǎn)主動(dòng)地與其它節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)； CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息幀可以分出優(yōu)先級(jí)，這對(duì)于有實(shí)時(shí)性要求的控制提供了方便； CAN 的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層有獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù)，使其在抗干擾以及錯(cuò)誤檢測(cè)等方面的性能均大大提高。 CAN 的上述特點(diǎn)使其成為諸多工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中首選的現(xiàn)場總線之一。 溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景寬廣，廣泛應(yīng)用于農(nóng)、林、牧、副、漁和工業(yè)生產(chǎn)的控制中，如各種倉庫（ 冷庫、保鮮庫、糧庫等）、各種日光溫室、大棚、機(jī)房、圖書館、食品加工（酒、醬油、醋及各種發(fā)酵工藝）孵化、養(yǎng)殖業(yè)等需要溫濕度監(jiān)測(cè)和控制的 場所等等，產(chǎn)品應(yīng)用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)，智能程度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，它除了可單獨(dú)控制各種設(shè)備進(jìn)行溫度控制或報(bào)警外，還可通過擴(kuò)展接口進(jìn)行其他設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和遠(yuǎn)程控制。配合計(jì)算機(jī)可組成綜合環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)。數(shù)據(jù)可通過總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行記錄或打印、遙控。溫度自動(dòng)化控制器與計(jì)算機(jī)連接，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)遠(yuǎn)距離通訊。計(jì)算機(jī)通過系統(tǒng)監(jiān)控軟件提供溫度自動(dòng)化控制器和整個(gè)系統(tǒng)的交互功能，以及通過數(shù)據(jù)通訊線路與現(xiàn)場控制機(jī)的交互功能?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集部分通過各種傳感器分別對(duì)各種環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、不斷的自動(dòng)收集?，F(xiàn)場控制機(jī)通過傳感器收集現(xiàn)場數(shù)據(jù) 采集各種資料，由現(xiàn)場監(jiān)控軟件進(jìn)行處理并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中選擇合適的芯片是 CAN 總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。它必須能適應(yīng)各類復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)的要求，如實(shí)時(shí)性、低功耗、快速數(shù)據(jù)處理、集成數(shù)模外設(shè)功能、集成 CAN 總線接口．還應(yīng)該集成充足的 Flash 或 RAM 供程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以簡化電路，提高系統(tǒng)的可靠性。因此我最終最終選擇了 Silicon Laboratories 的 C8051F 這一系列高性能 8 位單片機(jī)。 C8051F 系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片 (SOC)，具有與 MCS51 完全兼容的指令內(nèi)核 。由于采用了流水線處理技術(shù)．不再區(qū)分時(shí)鐘周期和機(jī)器周期，大大提高了指令執(zhí)行效率，使其處理速度不遜于許多 16 位單片機(jī) (如 DSP2407)。在低功耗的同時(shí)它還擁有著控制系統(tǒng)所需的豐富模擬、數(shù)字外設(shè)，大量的外設(shè)功能接口，通過交叉開關(guān)分配到 64 個(gè) I／ O 引腳，這一獨(dú)創(chuàng)性設(shè)計(jì)使得芯片集成度大大增高。此外，C8051F 還采用了 Flash ROM 技術(shù)，集成了 JTAG，實(shí)現(xiàn)了真正的在線編程和片上調(diào)試 【 5】 。 其中 C8051F040 內(nèi)集成了完全支持 CAN2． 0A 和 CAN2． 0B 的 CAN 控制器，獨(dú)立的消息 RAM 可以處理 32 條消息 對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象都可以進(jìn)行發(fā)送和接收濾波，最高工作速率達(dá)到 1Mb／ s，能夠完成 CAN 總線協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的所有功能”其中 CAN 總線的競爭處理、 CPU 接口、同步、數(shù)據(jù)的一貫性以及連續(xù)性保證，都是由硬件來解決， CPU 因此得以騰出大量的精力來處理其他的用戶功能。我們選用 c8051f040 單片機(jī) 微處理器來完成這次的溫度檢測(cè)系統(tǒng)， Cygnal 公司的 51 系列單片機(jī) C8051F040 是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及 其他功能部件，代表了目前 8 位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有 1 個(gè) 12 位多通道 ADC， 2 個(gè) 12 位 DAC， 2 個(gè)電壓比較器， 1 個(gè)電壓基準(zhǔn)， 1 個(gè) 32kB 的 FLASH 存儲(chǔ)器，與 MCS－ 51 指令集完全兼容的高速 CIP－ 51 內(nèi)核，峰值速度可達(dá) 25MIPS，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的 UART串行接口和完全支持 和 的 CAN 控制器。選用這個(gè)芯片不僅能夠?qū)ξ业拇髮W(xué)四年的知識(shí)進(jìn)行一個(gè)總結(jié)運(yùn)用，而且能夠緊跟時(shí)代的發(fā)展脈搏，吸取最新鮮的知識(shí)體系。并且運(yùn)用 C8051F040 設(shè)計(jì)出來的溫度控制系統(tǒng)有著較好的市場前景，順 應(yīng)技術(shù)的發(fā)展。 系統(tǒng)綜述 系統(tǒng)工作過程 系統(tǒng)主要工作過程為：首先溫度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過總線傳送給從節(jié)點(diǎn)控制芯片，芯片在接收到數(shù)據(jù)以后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、打包成為符合 CAN 協(xié)議的信息幀，然后使用 CAN 收發(fā)器將數(shù)據(jù)通過 CAN 總線發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)的主控制芯片。 然后數(shù)據(jù)在主控芯片中被解包，提取有效信息。最后通過串口將數(shù)據(jù)傳回主機(jī)顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)送 LED 顯示當(dāng)前溫濕度。 硬件系統(tǒng)總體構(gòu)成 硬件系統(tǒng)由一個(gè)遠(yuǎn)程 PC 機(jī)、控制芯片、溫度傳感器和主要控制電路組成。主要控制電路包括：電源電路 ， JATG 電路， CAN 收發(fā)器電路，時(shí)鐘電路，報(bào)警電路，顯示電路。 從溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采集到的數(shù)據(jù)通過 總線傳給控制芯片 ，然后芯片對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。 根據(jù)規(guī)定的不同， 如果是有效數(shù)據(jù)，那么將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到 CAN 總線；如果數(shù)據(jù)無效，那么繼續(xù)等待有效數(shù)據(jù)。發(fā)送到 CAN 總線上的有效數(shù)據(jù)通過收發(fā)器被 接收，然后對(duì)數(shù)據(jù)解包處理，提取有效數(shù)據(jù)。然后將提取出來的有效數(shù)據(jù)一方面通過 設(shè)配卡和 串口傳給 PC 機(jī)， PC 機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后，通過上位機(jī)程序把剛接收到的有效數(shù)據(jù)顯示在 PC 機(jī)的窗口中；另一方面有效數(shù)據(jù)通過主控芯片 送 LED 顯示模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)顯示。從總體來說芯片就是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，是非常重要的。各控制節(jié)點(diǎn)通過 CAN 總線相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。 適配卡 在接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后， 適配卡 將接收到的數(shù)據(jù)通過 CAN 總線 向受控節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送出去，受控節(jié)點(diǎn)根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。其結(jié)構(gòu)如圖 1 圖 2 所示。 圖 1 CAN 通訊模塊 C8051F040 LED 顯示模塊 串口通訊模塊 溫濕度采集模塊 圖 2 2 系統(tǒng)原理介紹 CAN 總線協(xié)議和工 作原理 CAN 總線的特性 CAN 是到目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。 CAN 為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。 在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上， CAN 上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)需要，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在 134μs 內(nèi)得到傳輸。 CAN 采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息發(fā)生沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很 重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況（以太網(wǎng)則可能）。 CAN 節(jié)點(diǎn)只需要通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。 CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km（速率 5kbps 以下）；通信速率最高可達(dá) 1Mbps（此時(shí)通信距離最長為 40m）。 CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá) 110 個(gè)。在標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文標(biāo)識(shí)符有 11 位，而在擴(kuò)展幀的報(bào)文標(biāo)識(shí)符（ 29 位）的個(gè)數(shù)幾乎不受限制。 … 控制節(jié)點(diǎn) 2 CAN 總線 PC 機(jī) 控制節(jié)點(diǎn) N 控制節(jié)點(diǎn) 1 RS232 適配卡 LED 顯示 報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。 CAN 的每幀信 息都有 CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。 CAN 通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 1 CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。 CAN 的報(bào)文格式 在總線中傳送的報(bào)文，每幀由 7 部分組成。 CAN 協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符 (ID)長度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為 11 位，擴(kuò)展格式為 29 位 [1]。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始 (SOF)，然后是由 11 位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 (RTR)組成的仲裁場。 RTR 位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀 還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍霭?biāo)識(shí)符擴(kuò)展位 (IDE)，指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位 (ro)，為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度 (DLC)。數(shù)據(jù)場范圍為 0 ~ 8 個(gè)字節(jié)，其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查 (CRC)。應(yīng)答場 (ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平 (邏輯 1)，這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平 (邏輯 0)覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。 CAN 的兩種存在 形式 具有 11 位 ID 標(biāo)識(shí)符的 BasicCAN； 帶有擴(kuò)展成 29 位 ID 標(biāo)識(shí)符的高級(jí)形式 PeliCAN。 內(nèi)部的驗(yàn)收濾波器屏蔽濾波器可通過標(biāo)識(shí)符 ID 來接收需要的報(bào)文，屏蔽不相關(guān)的報(bào)文，即只向 CPU 提交合適的報(bào)文。 Philips、 Intel、 Siemens 的 CAN 芯片均支持 BasicCAN 和 PeliCAN。同時(shí)，PeliCAN 協(xié)議允許兩段長度的標(biāo)識(shí)符。 PeliCAN A 部分使用 11 位報(bào)文標(biāo)識(shí)符能夠識(shí)別出 2032 個(gè)不同的標(biāo)識(shí)符（保留十六位作為 ID，但只有低 11 位有效），此部分兼容 BasicCAN。 PeliCAN B 部分有 29 位能夠產(chǎn)生 536870912 個(gè)不同的標(biāo)識(shí)符。 PART A 的設(shè)備只能用標(biāo)準(zhǔn)的 CAN 協(xié)議發(fā)送和接收。如果在 29 位 ID 的擴(kuò)展 CAN 系統(tǒng)中使用 PART A 的設(shè)備會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤并破壞網(wǎng)絡(luò)。 SIEMENS 81C90 和81C91 是相類似的 PART A 11 位 ID 設(shè)備，但可在擴(kuò)展 CAN 上使用而不會(huì)引起總線錯(cuò)誤，原因很簡單：因?yàn)樗鼈兒雎粤藬U(kuò)展 CAN 幀而是被認(rèn)為是 PART B 設(shè)備。 PART B 設(shè)備的 PeliCAN 可根據(jù)設(shè)定工作于其中一種模式下。 數(shù)據(jù)鏈路層定義了報(bào)文傳輸?shù)母袷胶投〞r(shí)協(xié)議這里有兩種描述符 都能達(dá)到8 字節(jié)的數(shù)據(jù)描述符是非常重要的因?yàn)樗鼈兌x了報(bào)文的優(yōu)先權(quán)以及報(bào)文傳輸?shù)念愋汀? CAN 的可靠性分析 為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯(cuò)誤而對(duì)司機(jī)造成危險(xiǎn)，汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?，或者殘留下來的?shù)據(jù)錯(cuò)誤足夠低的話，這一目標(biāo)不難實(shí)現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看，可靠性可以理解為，對(duì)傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的識(shí)別能力。 殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率可以通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計(jì)測(cè)量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測(cè)出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤概率必 須非常小，使其在系統(tǒng)整個(gè)壽命周期內(nèi)，按平均統(tǒng)計(jì)時(shí)幾乎檢測(cè)不到。計(jì)算殘余錯(cuò)誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行分類，并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定 CAN 的殘余錯(cuò)誤概率，我們可將殘留錯(cuò)誤的概率作為具有 80 ~ 90 位的報(bào)文傳送時(shí)位錯(cuò)誤概率的函數(shù)，并假定這個(gè)系統(tǒng)中有 5 ~ 10 個(gè)站，并且錯(cuò)誤率為1/1000，那么最大位錯(cuò)誤概率為 10 ~ 13 數(shù)量級(jí)。例如， CAN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為 1Mbps，如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用 50%，那么對(duì)于一個(gè)工作壽命 4000 小時(shí)、平均報(bào)文長度為 80 位的系統(tǒng)，所傳送的數(shù)據(jù)總量為 91 010。在系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi)，不可檢測(cè)的傳輸錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)平均小于 210 數(shù)量級(jí)。換句話說，一個(gè)系統(tǒng)按每年 365 天，每天工作 8 小時(shí)，每秒錯(cuò)誤率為 計(jì)算，那么按統(tǒng)計(jì)平均，每1000 年才會(huì)發(fā)生一個(gè)不可檢測(cè)的錯(cuò)誤。 傳感器原理 隨著信息時(shí)代的到來，數(shù)字化技術(shù)的