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基于can總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設計畢業(yè)設計(論文)(留存版)

2025-09-15 08:18上一頁面

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【正文】 53 1 緒論 背景介紹 我國是一個農(nóng)業(yè)大國,每年都有大量的新糧收獲也有部分陳糧積壓,由于儲存不當會造成大量的糧食浪費, 科學儲糧是糧食生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié),若管理不當,糧食發(fā)霉或生蟲會造成極大浪費,給國家和人民造成了巨大的經(jīng)濟損失,糧倉的性能成為糧食質(zhì)量的決定因素。另外,主控端的外圍電路部分包括時鐘電路功能模塊、 EEPROM 存儲電路模塊、串口通信電路模塊、譯碼電路功能模塊、液晶顯示屏模塊;監(jiān)控 端的外圍電路部分為溫度傳感器。 “ 一線總線 ” 獨特而且經(jīng)濟的特點,使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡,為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念?,F(xiàn)場總線可實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成,實施綜合自動化,形成工廠底層網(wǎng)絡,完成現(xiàn)場自動化設備之間的多點數(shù)字通信,實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。美國商用車輛制造商們也將注意力轉(zhuǎn)向 CAN 總線 。簡而言之,它把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié) 點,以現(xiàn)場總線為紐帶,連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。與其他網(wǎng)絡不同,在 CAN 總線的通信協(xié)議中, 沒有節(jié)點地址的概念 ,也沒有任何與節(jié)點地址相關的信息存在,它支持的是基于報文的工作方式 [5]。設計人員就可以利用這一遠程發(fā)送請求特性來減少網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信量,同時維持整個系統(tǒng)的完整性。應用層協(xié)議可以由 CAN 用戶定義成合適特別工業(yè)領域的任何方案,已在工業(yè)控制和制造業(yè)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(yè),許多制造商都應用他們的標準。 遠程幀:總線單元發(fā)出遠程幀,請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀。 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。有三種超載條件會導致超載標志的發(fā)送:一是要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀的內(nèi)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(jié)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(jié)點會發(fā)送一個超載幀(不是錯誤幀)。這樣,由于各種因素會造成檢測系統(tǒng)較大的偏差;又因為檢測環(huán)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(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降 。 AT89S52 具有以下標準功能: 8k 字節(jié) Flash, 256 字節(jié) RAM,32 位 I/O 口線,看門狗定時器, 2 個數(shù)據(jù)指針,三個 16 位定時器 /計數(shù)器,一個 6 向量2 級中斷結構,全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時鐘電路。 SJA1000 主要由接口管理邏輯 IML、信息緩沖器 (含發(fā)送緩沖器 TXB 和接收緩沖器 RXFIFO)、位流處理器 BSP、接收過濾器 ASP、位時序處理邏輯 BTL、錯誤管理邏輯 EML、內(nèi)部振蕩器及復位電路等構成。雖然短路出現(xiàn)時功耗增加,但不致使輸出級損壞。 模擬溫度傳感器,其輸出的信號通常是電流、電壓 等線性信號,要通過信號前端調(diào)理電路和 AD 轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)數(shù)字化,才能輸入到 PIC 控制核心來運算。這樣 , 測溫系統(tǒng)的結構就比較簡單 , 體積也不大 , 且由于微控制 器可以帶多個 DSB1820, 因此可以非常容易實現(xiàn)多點測量。 DS18B20 的主要特性 DS18B20 的外形和內(nèi)部結構: DS18B20 的外形及管腳排列如下圖 。便于單片機處理及控制,省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多 外圍電路。該類液晶模塊采用的驅(qū)動控制器都是 SED152O 或其兼容型驅(qū)動控制器。系統(tǒng)的 監(jiān)控模塊與主控模塊之間采用 CAN 總線進行數(shù)據(jù)傳 輸。在復位電路中,系統(tǒng)具有上電與手動兩種方式,手動或上電復位的工作過程是在加電時,復位電路通過電容加給 RST 端一個短暫的高電平信號,此高電平信號隨著 Vcc 對電容的充電過程而逐漸回落。 RS232C 與 TTL 之間需要電平轉(zhuǎn)換。 CAN 數(shù)據(jù)通過 82C250 傳輸?shù)?SJA1000, A。 在 RS232C 中,任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系,即:邏輯“ 1”為 5~15V,邏輯“ 0”為 +5~+15V。對主控模塊和檢測模塊的微控制器的設計來說,復位十分重要,這直接決定其是否正常工作。 系統(tǒng)采用針對傳統(tǒng)溫度測溫系統(tǒng)測溫點少,系統(tǒng)兼容性及擴展性較差的特點,運用分布式通訊的思想。液晶顯示器按功能分為段位式 LCD、字符式 LCD 和點陣式 LCD,前兩者只能顯示有限字符,而點陣式 LCD 不僅能顯示字符,還可以顯示漢字及各種圖形,并且可實現(xiàn)屏幕的上下左右滾動顯示,反轉(zhuǎn)顯示以及顯示閃爍等功能,用途十分廣泛。 在多點測溫系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的測溫方法是將模擬信號遠距離采樣進行 AD 轉(zhuǎn)換,而為了獲得較高的測溫精度,就必須采用措施解決由長線傳輸,多點測量切換及放大電路零點漂移等造成的誤差補償問題。176。在 0100 攝氏度時,最大線形偏差小于 1 攝氏度。在實際應用中, CAN 總線大都用在如汽車和工業(yè)現(xiàn)場控制等的環(huán)境中,環(huán)境對電路的影響很大,所以為減少這些干擾,在設計 CAN 總線的節(jié)點時,通常在電路中使用高速光耦,如 6N137 等,使 SJA1000 的 TX0 與 RX0 不直接與 82C250 的 TXD和 RXD 相連,而是通過高速光耦與 82C250 相連,這樣就能很好地實現(xiàn)總線上各 CAN 節(jié)點間的電氣隔離。 ( 1) 82C250 的主要特性如下: ① 與 ISO11898 標準完全兼容 ② 高速(最高可達 1Mbps) ③ 具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾,保護總線能力 ④ 采用斜率控制( Slope Control),降低射頻干擾( RFIRadio Frequency Interference) ⑤ 熱保護 ⑥ 電源和地之間的短路保護 ⑦ 低電流待機模式 ⑧ 未上電節(jié)點對總線無影響 ⑨ 可連接 110 個節(jié)點 ( 2) PCA82C250 的內(nèi)部結構 PCA82C250 的內(nèi)部結構框圖如圖 所示。發(fā)送緩沖區(qū)可存儲一個完整的信息幀,長度為 13 字節(jié)。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦 適于常規(guī)編程器。 3 基于 CAN 多點溫度檢測系統(tǒng)的總體設計 系統(tǒng)總體方案設計 溫度檢測系統(tǒng)有則共同的特點:測量點多、環(huán)境復雜、布線分散、現(xiàn)場離監(jiān)控室遠 等?;顒渝e誤標志由 6 個連續(xù)的顯性位組成,認可錯誤標志由 6 個連續(xù)的隱性位組成。只有在總線處于空閑狀態(tài)時才允許站開始發(fā)送??偩€位的數(shù)值表示如圖 所示。 PMA 子層和 MDI 子層有多種規(guī)范,由不同的組織制定,可應用在不同的領域和場合。這種特性叫做遠程發(fā)送請求( RTR)。 ?? CANbus 的基本工作原理 CAN 總線的拓撲結構如圖 所示,是一個典型的串行總線的結構形式。 其 在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應用背景 [2]。 對機動車輛 總線和對現(xiàn)場總線的需求有許多相似之處 , 即較低的成本、較高的實時處理能力和在惡劣的強電磁干擾環(huán)境下可靠的工作。 現(xiàn)場總線是 20 世紀 80 年代中期在國際上發(fā)展起來的。 溫度傳感器的發(fā)展概況 ?? 美國 Dallas 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 “ 一線總線 ” 接口的溫度傳感器,在其內(nèi)部使用了在板專利技術。主控監(jiān)控兩模塊的微處理器都采用 AT89S52單片機。 國內(nèi)外相關技術發(fā)展概況 ?? 傳統(tǒng)的機械式溫度檢測儀表己經(jīng)有上百年的歷史了,一般均具有指示溫度的功能,由于測溫原理不同,不同的儀表在報警、記錄、控制信息遠傳等方面有較大的差別。 現(xiàn)場溫度直接 以 “ 一線總線 ” 的數(shù)字 方式傳輸,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。因此 , BOSCH 公司開發(fā)了 CAN總線 (Controller Area Network), 并已取得國際標準化組織認證 (ISO11898), 其總線結構可參照 ISO/OSI 參考模型。信息技術的飛速發(fā)展,引起了自動化系統(tǒng)結構的變革,逐步形成以網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)。因此倍受工業(yè)界的重視 , 并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。 CAN 總線上報文所包含的內(nèi)容只有優(yōu)先級標志區(qū)和欲傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。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(tǒng)互連 )七層模型中數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問控制子層以及物理層的物理信號部分。顯性數(shù)值表示邏輯“ 0”,而“隱性”數(shù)值表示邏輯“ 1”。 11 位標識符為 ~ ,如圖 所示。 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。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。因其高性能價格比、實現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點深得越來越多的研發(fā)人員的青睞 , CAN 控制器有 82C250、SJA1000 及 Intel 82526/82527 等;根據(jù)當前市場、開發(fā)工具和課題的實際需要,系統(tǒng)的智能節(jié)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(fā)器,主要考慮到 SJA1000 支持,而 82C250 可以支持 110 個 CAN 節(jié)點,并且國內(nèi)市場上 PhiliPs 的產(chǎn)品型號比較多,購買比較方便。 SJA1000 具有如下特點: ① 完全兼容 PCA82C200 及其工作模式,即 BASICCAN 模式; ② 具有擴展的接收緩沖器, 64 字節(jié)的 FIFO 結構; ③ 支持 ; ④ 支持 11 位和 29 位識別碼; ⑤ 位速率可達 1Mbit/s; ⑥ 支持 peliCAN 模式及其擴展功能; ⑦ 24MHz的時鐘頻率; ⑧ 支持與不同微處理器的接口; ⑨ 可編程的 CAN 輸出驅(qū)動配置; ⑩ 增強了溫度范圍( 40℃ ~ +125℃)。 PCA82C250 總線收發(fā)器 PCA 82C250 是 PhiliPs 公司的 CAN 控制器和物理總線間的接口,可提供對總線的差動發(fā)送和接收能力 。若檢測到顯性位, RXD 將轉(zhuǎn)至低電平,微控制器應通過引腳 8 將驅(qū)動器變?yōu)檎7绞阶鳛閷Υ藯l件作出的反應。即使能實現(xiàn),也要用到復雜的算法,一定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。C 至 +125℃ 。 圖 DS18B20測溫原理框圖 當計數(shù)器 1的預置值減到 0時,溫度寄存器的值將加 1,計數(shù)器 1的預置將重新被裝入,計數(shù)器 1重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù),如此循環(huán)直到計數(shù)器 2計數(shù)到 0時,停止溫度寄存器值的累加,此時溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度 [18]。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢 [19]。 ④驅(qū)動占空比為 1/16 或 1/32。 本系統(tǒng)采用 AT89S52 芯片作為微控制器。 串口電路設計 在串行通信中,根據(jù)數(shù)據(jù)傳送方向,把串行通信可以分成三種基本的傳送模式:全雙工、半雙工和 單工。該 FRAM 的靜態(tài)電流小于 15uA,沒有寫等待,按字節(jié)操作,并與工業(yè)標準 SRAM/EEPROM 管腳兼容。該 FRAM 讀寫壽命無限,具有工業(yè)標準 CI2接口,沒有寫等待,按字節(jié)操作,總線頻率可以達到 1MHz,操作電流小于 150uA,靜態(tài)電流小于 luA,數(shù)據(jù)壽命為 45 年。在此最小系統(tǒng)中,選用經(jīng)典電路中的 歐的電阻。 圖 溫度檢測系統(tǒng)硬件結構圖 時鐘電路 液晶顯示器 串口電路 CAN 總線 控制器 SJA1000 CAN 總線 收發(fā)器 82C250 EEPROM 電路 報警電路 CAN 總線 控制器 SJA1000 CAN 總線 收發(fā)器 82C250 單片機 AT89S52 溫度傳感器 DS18B20 單片機 AT89S52 監(jiān) 控 模 塊 主 控 模 塊 4 系統(tǒng)的硬件設計 溫度檢測系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件設計重點闡述了主控模塊和監(jiān)控模塊的硬件設計。 其特性如下: ①內(nèi)置 2560 位顯示 RAM 區(qū)。 輕松的組建傳感器網(wǎng)絡。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小,用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。缺點是電路復雜、易受外部干擾、通常要進行硬件或者軟件算法的補償措施。通過將引腳 8 接地可選擇高速模式。 RXFIFO 最多可以緩存 64 字節(jié)的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)可被 CPU 讀取。故本系統(tǒng)選用 AT89S52 單片機作為微控制器。系統(tǒng)的 主控模塊與監(jiān)控模塊之間采用 CAN 總線進行數(shù)據(jù)傳 輸 ,從而 成為總線上的監(jiān)控節(jié)點。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(shù)值。保留位必須發(fā)送顯性位。 CAN 技術規(guī)范 中有兩種不同的幀格式,標準幀和擴展幀??刂破髯羁炷苓_到 1Mbps,但對總線長度有限制。如果節(jié)點在接收過程中檢測到任一在 CAN 總線協(xié)議中定義了的錯誤信息,它就會發(fā)送一個錯誤幀,當一個節(jié)點正忙于處理接收的信息,需要額外的等待時間接收下一報文時,可以發(fā)送過載幀,通知其它節(jié)點暫緩發(fā)送新報文。所有的仲裁判別都不
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