【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 件的設(shè)計(jì)原理 控制器局部網(wǎng) (controller area work,CAN)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的范疇 ,它是一種有效支持分布式控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò) ,被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。本文利用 DS18B20測(cè)溫芯片作為傳感器 ,使用 CAN總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種智能測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)精度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低 ,在適用范圍內(nèi)可取代傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng) ,對(duì)該系統(tǒng)稍加修改 ,可使它應(yīng)用于在多種測(cè)溫場(chǎng)合。 硬件電路由微處理器、 CAN控制器、測(cè)溫芯片 DS18B LCD、 LED、鍵盤(pán)、復(fù)位電路、蜂鳴器等幾部分組 成 ,如圖 1，圖 2所示。單片機(jī) AT89C51是硬件電路的 核心 ,承擔(dān)CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)控制等任 務(wù) 。CAN總線(xiàn)控制器用于同上位機(jī)進(jìn) 行遠(yuǎn)程通訊 ,能 夠獨(dú)立完成 CAN總線(xiàn)上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送工作 。DS18B20芯片用于檢測(cè)和發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。 下位分機(jī) （ 圖 A） 溫度 LED 顯示 AT89C51 報(bào)警器 CAN 總線(xiàn)控 制器 SJA1000 DS18B20 鍵盤(pán) CAN 總線(xiàn)收發(fā)器 PCA82C250 電路測(cè)試結(jié)果分析 14 上位主機(jī) (圖 B) 圖 1 整體設(shè)計(jì)框圖 CAN總線(xiàn) ……… 圖 2 CAN總線(xiàn)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 溫度傳感器選用 DS18B20 DSl8B20數(shù)字溫度計(jì)提供 9位 (二進(jìn)制 )溫度 讀數(shù)指示器件的溫度信息經(jīng)過(guò)單線(xiàn)接口送入 DSl8B20 或從 DSl8B20 送出因此從主機(jī) CPU 到 DSl8B20 僅需一條線(xiàn) (和地線(xiàn) )DSl8B20 的電源可以由數(shù)據(jù)線(xiàn)本身提供而不需要外部電源因?yàn)槊恳粋€(gè) DSl8B20 在出LCD 顯示 AT89C51 報(bào)警器 CAN 總線(xiàn)收發(fā)器 PCA82C250 鍵盤(pán) CAN 總線(xiàn)控 制器 SJA1000 總操作站（上位機(jī)） CAN 節(jié)點(diǎn) CAN 節(jié)點(diǎn) 1 傳感器 ， 單片機(jī) CAN 節(jié)點(diǎn) N 傳 感器，單片機(jī) 電路測(cè)試結(jié)果分析 15 廠(chǎng)時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號(hào) 。 因此任意多個(gè) DSl8B20 可以存放在同一條單線(xiàn)總線(xiàn)上 ， 這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件 ， DSl8B20 的測(cè)量范圍從 55 到 +125 增量值為 可在 ls(典型值 )內(nèi)把溫度變換成數(shù)字 。 每一個(gè) DSl8B20 包括一個(gè)唯一 的 64 位長(zhǎng)的序號(hào)該序號(hào)值存放在 DSl8B20 內(nèi)部的ROM(只讀存貯器 )中開(kāi)始 8 位是產(chǎn)品類(lèi)型編碼 (DSl8B20 編碼均為 10H)接著的 48 位是每個(gè)器件唯一的序號(hào)最后 8 位是前面 56 位的 CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn) )碼 DSl8B20 中還有用于貯存測(cè)得的溫度值的兩個(gè) 8 位存貯器 RAM 編號(hào)為 0 號(hào)和 1 號(hào) ,1 號(hào)存貯器存放溫度值的符號(hào)如果溫度為負(fù) ， 則 1 號(hào)存貯器 8 位全為 1 否則全為 00 號(hào)存貯器用于存放溫度值的補(bǔ)碼 LSB(最低位 )的 1 表示 將存貯器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以 2就得到被測(cè)溫度值 (550125)DSl8B20 的引腳如圖 226l 所示每只 D518B20 都可以設(shè)置成兩種供電方式即數(shù)據(jù)總線(xiàn)供電方式和外部供電方式采取數(shù)據(jù)總線(xiàn)供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線(xiàn)但完成溫度測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)采取外部供電方式則多用一根導(dǎo)線(xiàn)但測(cè)量速度較快。 溫度計(jì)算： 1． DS18B20 用 9 位存貯溫值度 ,最高位為符號(hào)位 ,下圖為 DS18B20 的溫度存儲(chǔ)方 式 ,負(fù)溫度 S=1 正溫度 S=0。如 : 00AAH 為 +850C,0032H 為 250C,FF92H 為 550C。 TEMPERATURE REGISTER FORMAT Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 26 25 24 23 22 21 20 21 Bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S S S S 2． DS18B20 用 12 位存貯溫值度 ,最高位為符號(hào)位 ,下 圖為 DS18B20 的溫度存儲(chǔ)方 式 ,電路測(cè)試結(jié)果分析 16 負(fù) 溫度 S=1,正溫度 S=0。如 : 0550H 為 +850C,0191H 為 ,FC90H 為 550C。 TEMPERATURE REGISTER FORMAT Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 Bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S 26 25 24 CAN 控制器選用 SJA1000 SJA1000是一種獨(dú)立的 CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它是 PHILIPS半導(dǎo)體公司 PCA82C200CAN控制器的替代產(chǎn)品，而且它增加了一種新的操作模式 PELICAN，這種模式支持具有很多新特性的 。 如圖所示 ,SJAl000從邏輯上可分為 7個(gè)部 分 : a)IML(接口管理邏輯 )IML用于解釋來(lái)自 CPU的 命令 ,分配 信息緩沖區(qū)并向 CPU 提供中斷及狀態(tài)信 息 。 b)發(fā)送緩沖區(qū) TXB 13字 節(jié)長(zhǎng)存儲(chǔ)器 ,外 部 CPU將要發(fā)送的信息寫(xiě)入此緩 沖區(qū) 。 c) 接收緩沖區(qū) RXB 接收緩沖區(qū)為 64字節(jié)的 CPU接收信息的 FIFO寄 存器 。 d) 接收過(guò)濾器 ACF 對(duì)接收到的信息 ID與 ACF內(nèi)容相比較以決定是否接收 信息 。 e) 位流處理器 BSP 用來(lái)控制發(fā)送、接收緩沖區(qū)及 CAN總線(xiàn)的數(shù) 據(jù)流 。 f) 定時(shí)邏輯 BTL 用于控制 CAN總線(xiàn)上數(shù)據(jù)的傳輸速率 與同步 。 g) 錯(cuò)誤管理邏輯 EML 按 CAN協(xié)議進(jìn)行錯(cuò)誤管理。 [18] 電路測(cè)試結(jié)果分析 17 ALE CS RD WR CLKOUT MODE AD0— AD7 RX01 TX01 XTAL1 XTAL2 RST 圖 3 SJA1000的 邏輯框圖 CAN 收發(fā)器選用 PCA82C250 PCA82C250 的 主要特性有 : .完全符合 “ IS011898” 標(biāo)準(zhǔn) .高 速率 (最高達(dá) 1Mbps) .斜 率控制，降低射頻 干 擾 (RFI) .過(guò) 熱 保護(hù) .低 電流待機(jī)模式 .可 連接 110 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) ,具 有抗汽車(chē)環(huán)境中的瞬間干擾，保護(hù)總線(xiàn)能力 .差分 接收器，抗寬范圍的共模干擾，抗電磁干擾 (EMI） .防 止電池和地之間的發(fā)短路 .未 上電的節(jié)點(diǎn)對(duì)總線(xiàn)無(wú)影響 其主要功能有 : 首先， 82C250 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部只有限流電路，可以防止輸出級(jí)對(duì)電源、地或負(fù)載短路， IML MB TXB FIFO RXB BSP AFC BTL MEL DSCILLATOR RESET 電路測(cè)試結(jié)果分析 18 雖然 在這種故障條件出現(xiàn)時(shí)功耗增加，但不致使輸出級(jí)破壞。 其次， 82C250 采用雙線(xiàn)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，有助于抑制惡劣環(huán)境下的瞬變干擾。引腳 Rs 可用于選擇三種不同的工作 方式 :高速、斜率控制和待機(jī)。 在高速工作方式下，發(fā)送器輸出晶體管以盡可能快的速度啟閉。在這種方式下，不采用任何措施限制上升和下降斜率，此時(shí)，建議使用屏蔽電纜以避免射頻 干 擾問(wèn)題。通過(guò)將引腳 P00 接地可選擇高速方式。對(duì)一于較低速度或較短總線(xiàn)長(zhǎng)度，可用非屏蔽雙絞線(xiàn)或平行線(xiàn)作總線(xiàn)。為降低射頻干擾。應(yīng)限制上升和下降斜率，上升和下降斜率可通過(guò)由引腳 8 至地連接的電阻 進(jìn)行控制。斜率正比于引腳 8 上的電流輸出。若腳 8 接高電平，則電路進(jìn)入低電平待機(jī)方式，在這種方式下，發(fā)送器被關(guān)閉，而接收器轉(zhuǎn)至低電流。若檢測(cè)到顯 示 位， RXD 將轉(zhuǎn)至低電平，微控制器應(yīng)通過(guò)引腳 8 將發(fā)送器變?yōu)檎７绞阶鳛閷?duì)此條件作出的反應(yīng)。由于在待機(jī)方式下，接收器是慢速的，因此第一個(gè)報(bào)文將被丟失。對(duì)于 CAN 控制器及帶有 CAN 總線(xiàn)接口的器件， 82C250 并不是必須使用的器件，因?yàn)槎鄶?shù) CAN 控制器均具有配置靈活的收發(fā)器件，并允許總線(xiàn)故障，只是驅(qū)動(dòng)能力只允許 20～ 30 個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在一條總線(xiàn)上。而82C250 支持多達(dá) 110 個(gè)節(jié) 點(diǎn)，并能以 1Mbps 的速率工作于惡劣 電氣 環(huán)境下。利用 82C250還可方便地在 CAN 控制器與收發(fā)器之間建立光電隔離，以實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。 [18] 單片機(jī)選用 AT89C51 單片機(jī)按照其基本操作處理的位數(shù)可分為 :1 位機(jī)、 4 位機(jī)、 8 位機(jī)、 16 位機(jī)、 32位機(jī)等。其中 1 位機(jī)和 4 位機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本很低，但指令不豐富，且編程復(fù)雜，可用于簡(jiǎn)單的控 制 。16 位機(jī)和 32 位單片機(jī)集成度高，性能優(yōu)越，但是其價(jià)格目前比較貴，從而限制了廣泛的應(yīng) 用 :而 8 位單片機(jī)小巧靈活，指令豐富，性?xún)r(jià)比極高的優(yōu)勢(shì)使其 產(chǎn)品占領(lǐng)目前整個(gè)單片機(jī)市場(chǎng)的 60%以上份額，可以說(shuō) 8 位單片機(jī)將在今后一段時(shí)間內(nèi)仍是工業(yè)檢測(cè)控制的主流機(jī)型?，F(xiàn)在世界上比較著名的單片機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家有美國(guó) INTEL公司， MOTOROLA 公司， TI 公司， MAXIM 公司， NS 公司， ATMEL 公司等。 近年來(lái)，隨著美國(guó) ATMEL 公司的 AT89 系列單片機(jī)的推出和單片機(jī) C 語(yǔ)言的廣泛應(yīng)用， MCS51 單片機(jī)有了進(jìn)一步的活力。 AT89 系列以 MCS51 為內(nèi)核，兼容了 MCS51電路測(cè)試結(jié)果分析 19 的硬件和軟件，其主要優(yōu)點(diǎn) 在于 。片 內(nèi)的程序存貯器采用閃爍存貯技術(shù)，具有電可擦除，電可編程，且編程和擦除時(shí) 間短 (4K 字節(jié)存貯器編程約 3 秒，擦除時(shí)間約 l0ms)， 并可反復(fù)編程，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，而且加密功能也大大增強(qiáng)了，能有效的防止用戶(hù)程序被復(fù)制。時(shí)鐘頻率的提高使運(yùn)算速度也加快了。產(chǎn)品中的 20 腳封裝形式的機(jī)種，使其體積更小，更具應(yīng)用靈活性，可方便的應(yīng)用于家電產(chǎn)品及小型儀器儀表。 AT89 系列單片機(jī)主要產(chǎn)品類(lèi)型和特點(diǎn)如 表 1: 表 1 AT89XX 系列芯片 單片機(jī)型號(hào) /存貯器 容量和類(lèi)型 RAM 16 位定時(shí)器個(gè)數(shù) 中斷源個(gè)數(shù) 最高晶振頻率/MHZ 封裝引腳個(gè)數(shù) AT89C51/4KEPROM 128 2 5 24 40 AT89C52/8KE2PROM 256 3 8 24 40 AT89C1051/1KE2PROM 128 2 5 24 40 AT89C2051/2KE2PROM 128 2 5 24 40 經(jīng)綜合考慮，本系統(tǒng)決定選用美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 型單片機(jī)，其主要 特點(diǎn)是 : 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫(xiě) /擦 循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線(xiàn) 兩個(gè) 16 位定時(shí) 器 /計(jì) 數(shù)器 5 個(gè)中斷源 可編程串行通道 電路測(cè)試結(jié)果分析 20 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃 爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 [4] 系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì) 溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì) 微控制器采用 ATMEL公司的單片機(jī) AT89C51,它具有 4K內(nèi)部可擦寫(xiě)程序存儲(chǔ)器和 32個(gè)輸入 /輸出端 口 ,滿(mǎn) 足本系統(tǒng)中溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通訊、復(fù)位電路的