【文章內(nèi)容簡介】 智能樓宇、機(jī)械制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文介紹了一種基于 CAN 總線的智能溫、濕度檢測(cè)系統(tǒng)，可應(yīng)用于不同的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。CAN 即控制器局域網(wǎng)絡(luò),屬于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì),CAN 總線越來越受到人們的重視。由于CAN 總線本身的特點(diǎn),CAN 已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn),并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一 [3]。 CAN(Controller Area Network——控制器局域網(wǎng))是一種有效的支持分布式控制和實(shí)施控制的總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，其可靠性遠(yuǎn)高于已經(jīng)陳 1 日的現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)，具有強(qiáng)有力的檢錯(cuò)功能以及優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，可以很容易的實(shí)現(xiàn)多個(gè)單片機(jī)的掛載，并且價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)靈活，維護(hù)方便，已經(jīng)成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。另外,與其它現(xiàn)場(chǎng)總線比較而言,CAN 總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。這些也是目前 CAN 總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域,具有強(qiáng)勁的市場(chǎng)競爭力的重要原因。CAN 通信的特點(diǎn) ：(1) CAN 是到目前為止唯一具有國際標(biāo)準(zhǔn)且成本較低的現(xiàn)場(chǎng)總線；(2) CAN 廢除了傳統(tǒng)總線的站地址編碼，對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，為多主方式工作，不分主從，通信方式靈活，通過報(bào)文標(biāo)識(shí)符通信，可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。(3) CAN 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(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)癱瘓情況(以太網(wǎng)則有可能出現(xiàn)這種情況)。(4) CAN 只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)即全局廣播等方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度” 。(5) 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lambs(此時(shí)通信距離最長為 40m)；(6) CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá) 110 個(gè)(主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路)。(7) CAN 采用短幀結(jié)構(gòu)，單幀最大長度僅 150 位，傳輸時(shí)間短，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性，受干擾概率低。(8) CAN 的每幀信息都有 CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，降低了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。(9) 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。(10) CAN 的通信介質(zhì)可使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，價(jià)格低廉，可靠性強(qiáng)。安徽工程大計(jì)（論文） 5 AT89S51 單片機(jī)介紹 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。89S51 采用 新工藝，成本降低,而且將功能提升,增加了競爭力。AT89S51 單片機(jī)引腳圖如 31[3]。AT89S51 提供一下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器，128 字節(jié)內(nèi)部 RAM,32 個(gè)I/O 口線，看門狗（WDT） ，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51 可降至 0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及診斷系統(tǒng)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 圖 31 AT89S51 單片機(jī)引腳圖 AT89S51 具有如下特點(diǎn)：40 個(gè)引腳，4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） ，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷，2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU 暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 　　1．主要特性： 　?。?） 8031 CPU 與 MCS51 兼容 基于 CAN 總線的溫度檢測(cè)系統(tǒng) 6 　?。?） 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器(壽命：1000 寫/擦循環(huán)) 　　（3） 全靜態(tài)工作：0Hz33MHz 　?。?） 三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定 　?。?） 128*8 位內(nèi)部 RAM 　?。?） 32 條可編程 I/O 線 　?。?） 兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 　?。?） 6 個(gè)中斷源 　?。?） 可編程串行通道 　?。?0） 低功耗的閑置和掉電模式 　　（11） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 　　2．管腳說明： 　　VCC：供電電壓。 　　GND：接地。 　　P0 口：P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 　　P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。 　　P2 口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 　　P3 口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 　　 RXD（串行輸入口） 　　 TXD（串行輸出口） 　　 /INT0（外部中斷 0） 　　 /INT1（外部中斷 1） 　　 T0（記時(shí)器 0 外部輸入） 　　 T1（記時(shí)器 1 外部輸入） 　　 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） 　　 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 　　P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 　　I/O 口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。安徽工程大計(jì)（論文） 7 上面圖中的兩個(gè)三角形表示的就是輸入緩沖器 CPU 將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號(hào)以完成不同的操作。這是由硬件自動(dòng)完成的，不需要我們操心，1 然后再實(shí)行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯(cuò)，為什么看上面的圖，如果不對(duì)端口置 1 端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為 0Q 端為 0Q^為 1 加到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的信號(hào)為 1，該場(chǎng)效應(yīng)管就導(dǎo)通對(duì)地呈現(xiàn)低阻抗，此時(shí)即使引腳上輸入的信號(hào)為 1，也會(huì)因端口的低阻抗而使信號(hào)變低使得外加的 1 信號(hào)讀入后不一定是 1。若先執(zhí)行置 1 操作，則可以使場(chǎng)效應(yīng)管截止引腳信號(hào)直接加到三態(tài)緩沖器中實(shí)現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時(shí)還必須附加一個(gè)準(zhǔn)備動(dòng)作，所以這類 I/O 口被稱為準(zhǔn)雙向口。89C51 的 P0/P1/P2/P3 口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口。接下來讓我們?cè)倏戳硪粋€(gè)問題，從圖中可以看出這四個(gè)端口還有一個(gè)差別，除了 P1 口外 P0P2P3 口都還有其他的功能。 　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 　　/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 　　/EA/VPP：當(dāng)/EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)，/EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。 　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 　　AT89SXX 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了 ISP 下載功能，故而取代了 89CXX 系列的下載方式，也是因?yàn)檫@樣，ATMEL 公司已經(jīng)停止生產(chǎn) 89CXX 系列的單片機(jī)，現(xiàn)在市面上的 AT89CXX多是停產(chǎn)前的庫存產(chǎn)品。 傳感器的選用 DS18B20 傳感器 DS18B20 是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司繼 DS1820 之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9～12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式 [11]。可以分別在 ms 和 750 ms 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量，并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20 供電，而無需額外電源。因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較 DS1820 有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。 DS18B20 產(chǎn)品的特點(diǎn)基于 CAN 總線的溫度檢測(cè)系統(tǒng) 8 　?。?） 只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信?！　。?） 在 DS18B20 中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列號(hào)。　?。?） 實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。　?。?） 測(cè)量溫度范圍在－55。C 到＋125。C 之間?！　。?） 數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇?！　。?） 內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 圖 32 DS18B20 外形結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 由于 DS18B20 采用的是 1－Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì) AT89S51 單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì) DS18B20 芯片的訪問。　　 由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。表 31 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) [11] 64 位ROM 和單總線接口儲(chǔ)存器和控制邏輯暫存器 溫度傳感器上線觸發(fā) TH上線觸發(fā) TH高速寄存器8 位 CRC 產(chǎn)生器電源控制器VPUDQGNDVDD內(nèi)部 VDDDS18B20安徽工程大計(jì)（論文） 9 上表