【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(dāng)會造成大量的糧食浪費， 科學(xué)儲糧是糧食生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，若管理不當(dāng)，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(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)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(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)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(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)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(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。與其他網(wǎng)絡(luò)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(guān)的信息存在，它支持的是基于報文的工作方式 [5]。設(shè)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(luò)的數(shù)據(jù)通信量，同時維持整個系統(tǒng)的完整性。應(yīng)用層協(xié)議可以由 CAN 用戶定義成合適特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案，已在工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用的標準是 DeviceNet，這是 PLC 和智能傳感器設(shè)計的，在汽車工業(yè)，許多制造商都應(yīng)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(dǎo)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(fù)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(jié)構(gòu)，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(fù)位電路等構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)： 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(fù)位電路中，系統(tǒng)具有上電與手動兩種方式，手動或上電復(fù)位的工作過程是在加電時，復(fù)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(guān)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(shè)計來說，復(fù)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(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu) PCA82C250 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 溫度檢測系統(tǒng)有則共同的特點：測量點多、環(huán)境復(fù)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(yīng)用在不同的領(lǐng)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(jié)構(gòu)如圖 所示，是一個典型的串行總線的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(dǎo)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(shù)。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(guān)技術(shù)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(jié)構(gòu)可參照 ISO/OSI 參考模型。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)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(yīng)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(yīng)答場和幀結(jié)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(dāng)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(jié)構(gòu)； 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(yīng)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(yīng)。即使能實現(xiàn)，也要用到復(fù)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(dāng)計數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1的預(yù)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(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計 溫度檢測系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計重點闡述了主控模塊和監(jiān)控模塊的硬件設(shè)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(luò)。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(fù)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(shè)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(shù)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(dāng)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