【文章內(nèi)容簡介】 院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 開發(fā)并得到 80 多家著名儀表公司支持，與 1993 年成立了 HART 通信基金會。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強(qiáng)的市場競爭力，得到了較快的發(fā)展。 CAN(Control Area Network) 20 世紀(jì) 80 年代，由于歐洲汽車發(fā)展工業(yè)的需要，最先由德國 Bosch 公司提出 CAN總線方案以解決汽車裝置間的通信問題，在車載各電子控制裝置 ECU 之間交換信息形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備電子主干系統(tǒng)中均嵌入 CAN 控制裝置。 Bosch 公司于 1986 年正式公布了這一總線，其規(guī)范現(xiàn)已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)制定為國際標(biāo)準(zhǔn)。很快得到了 Motorola、 Intel、 Philips、 SIEMENS、 NEC等公司的支持，廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。 CAN 總線控制局域網(wǎng)是為 汽車而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信總線，因此其第一用戶當(dāng)然是汽車工業(yè)。目前，一些在世界上舉足重輕的汽車制造商都在積極的將 CAN 總線用在新型汽車上，如奔馳、寶馬、保時捷、勞斯來斯和美洲豹等都已開始采用 CAN 總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各見著和執(zhí)行結(jié)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。由于 CAN 具有通信速率高、可靠性強(qiáng)、連接方便、性能價格比高等特點(diǎn)。其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而擴(kuò)展到了過程工業(yè)，機(jī)械工業(yè)，紡織工業(yè)，農(nóng)用機(jī)械，機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床，醫(yī)療器械，家用電器及傳感器、建筑、環(huán)境控制等領(lǐng)域發(fā)展。如 SIEMENS 公司生產(chǎn)的 CT 斷層掃 描儀采用了 CAN 總線，改善了設(shè)備的性能。 CAN 已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)最主要的總線之一，甚至領(lǐng)導(dǎo)著串行總線的發(fā)展。在 1999 年，有近 6000 萬個 CAN 控制器投入應(yīng)用； 2021 年，市場銷售了超過 l億個 CAN 器件。在各種總線的應(yīng)用中，因具有卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)而受到工業(yè)界的廣泛重視， CAN 總線一直處于浪尖 ， 并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。 本文 完成 主要工作 目前，已經(jīng)被許 多大公司采用 CAN 總線 技術(shù)，應(yīng)用范圍已不再局限于汽車行業(yè)，而向工程控制、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械等領(lǐng)域發(fā)展 。采用 PHILIPS 公司的 CAN 控制器 PCA82C250，將專用微處理器 PICl8F458 置入路面加速加載設(shè)備中，使其具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線作為總線，把多個數(shù)據(jù)測量節(jié)點(diǎn)連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息輸出， 直接顯示所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 本設(shè)計(jì)采用微處理器作為 路面加速加載設(shè)備 的核心，設(shè)計(jì)出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 能完成數(shù)據(jù)采集的功能和 對 實(shí)時 數(shù)據(jù)的顯示等功能。此外， 路面加速加載設(shè)備 采用目前較為流行的 CAN 總線接口來實(shí)現(xiàn)通訊功 能，使得顯示系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高。 本 設(shè)計(jì)在硬件上采用了單片機(jī) PICl8F458作為 設(shè)備 的 CAN總線的控制核心，成功地運(yùn)用了 PHILIPS李龍：基于 CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 公司 的 CAN 控制器 PCA82C250 連接 CAN 總線 。 研究的內(nèi)容包括 路面加速加載設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 硬件電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)， 并 能實(shí)時地顯示采集的數(shù)據(jù) 。 本課題完成的主要工作如下： （ 1）試驗(yàn)路段路面溫度和 加速加載設(shè)備工作環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 利用 PIC18F458 單片機(jī)的片上 ADC 模塊采集 LM35 輸出的電壓值。 （ 2）對路面 加速加載設(shè)備對路面 所加壓力 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 利用 PIC18F458 單片機(jī)的片上 ADC 模塊采集 NSW 型壓力傳送器的電壓值。 （ 3）對各節(jié)點(diǎn)的 PIC18F458 通過 CAN 總線與主節(jié)點(diǎn)的 PIC18F458 單片機(jī)通信并在主節(jié)點(diǎn)輸出顯示 。 研究意義 隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和公路建設(shè)的迫切需要，國際上路面加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)需求量劇增。 運(yùn)用這種設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)是目前國際上先進(jìn)的路面現(xiàn)場試驗(yàn)手段，通過可控的試驗(yàn)軸載及溫度對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)加載，真實(shí)模擬汽車輪胎在路面上的運(yùn)動狀態(tài)，研究各種路面的使用年限，更好的對路面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。試驗(yàn)還能根據(jù)表征路面結(jié)構(gòu)使用性能指標(biāo) 進(jìn)行 檢測。在較短的時間內(nèi)建立路面結(jié)構(gòu) 使用性能指標(biāo)的變化規(guī)律，從而得到對路面結(jié)構(gòu)長期使用性能的評價。 各國對路面的檢測、評價已逐步形成了自己的體系和制度。國內(nèi)的許多從事公路建設(shè)的單位如同濟(jì)大學(xué)、長安大學(xué)、遼寧公路研究所正在向國外訂購此類設(shè)備。據(jù)了解，價格都很高，每臺設(shè)備都花費(fèi)高昂。如果能夠自行開發(fā)研制成功該設(shè)備，將會節(jié)省大量的經(jīng)費(fèi)， 滿足國內(nèi)有關(guān)單位對加速加載設(shè)備的需求，為國家節(jié)約大量的外匯。同時，這也會提高我國在這一研究領(lǐng)域的知名度?，F(xiàn)在此類設(shè)備在國內(nèi)尚無自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，為數(shù)不多的幾家作過這方面研究工作的單位均為自行使用，且其成果都存在著比較嚴(yán) 重的技術(shù)缺陷。所以，本研究 在 形成具有競爭力的產(chǎn)品方面 具有 重大 意義。因此，現(xiàn)在國內(nèi)外對道路加速加載設(shè)備的研制無論從經(jīng)濟(jì)方面還是其他附帶的社會效益方面都十分必要。 山東交通學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 采集工作環(huán)境溫度 CAN 總 線 采集路面溫度 采集液壓缸壓力 主 節(jié) 點(diǎn) 溫度傳感器LM35 壓力傳感器NSW 型傳送器 顯示路面溫度 顯示工作環(huán)境溫度 顯示液壓缸壓力 溫度傳感器LM35 2 基于 CAN 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體硬件電路設(shè)計(jì) 本文所述系統(tǒng)是一個典型的 CAN 總線在 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng) 中的 應(yīng)用 ，針對 CAN 總線在 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 中的應(yīng)用進(jìn)行了多方面的研究，除利用 PICl8F458 構(gòu)成 CAN 總線的測控系統(tǒng)外，對 PIC 單片機(jī)的串、并聯(lián) 通訊， LED 顯示等方用 都進(jìn)行了成功的實(shí)踐，完成了實(shí)際硬件電路 的設(shè)計(jì)、 軟 件編程 和 CAN 總線在 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 中 的 應(yīng)用 ?？偟碾娐房驁D如圖 所示 ： 圖 總的電路框圖 The overall circuit diagram 李龍：基于 CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 其總 電路圖如圖 所示： 如圖 總 電路圖 The overall circuit diagram 把內(nèi)嵌 CAN 控 制 器的 PICl8F458 微處理器用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性與穩(wěn)定性提高，而且使用方便、應(yīng)用靈活， 并 出色完成任務(wù)的 目的，大大地加速了其應(yīng)用領(lǐng)域智能化、科學(xué)化與規(guī)范化的進(jìn)程。所采用的 PIC18F458 單片機(jī)是美國微芯公司推出得 高檔產(chǎn)品，采用 16 位的類 RISC 指令系統(tǒng)，指令周期短，處理能力強(qiáng)，運(yùn)算能力高，內(nèi)部集成的可尋址的通用同步 /異步收發(fā)器 (USART)模塊和 CAN 控制模塊等，可以不用外擴(kuò)存儲器就能很好地完成大量工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通訊，滿足 CAN 總線通信協(xié)議的要求。具體原理是采用 PHILIPS 公司的 CAN 控制器 PCA82C250 作為 CAN 總線的控制器 ，將專用微處理器 PIC18F458 置入 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 。使其各自具有數(shù)字計(jì)算和 數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡單 連接的雙絞線作為總線，把多個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按照公開，規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機(jī)化測量控制 設(shè)備間以及現(xiàn)場節(jié)點(diǎn) 之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成 適應(yīng)于路面加速加載設(shè)備 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 中， 山東交通學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 本設(shè)計(jì)采用 PICl8F458 單片機(jī)進(jìn)行信號的采集、處理和 CAN 總線通信，采用 有 8 個 D鎖存器組成的集成芯片 74LS373 使數(shù)碼管顯示測量結(jié)果 進(jìn)行了成功地實(shí)踐。 硬件組成主要有帶 CAN 控制器的 PIC18F458 主節(jié)點(diǎn)、 四 個 CAN 控制器 PCA82C250 和帶 CAN 控制器的PICl8F458 節(jié)點(diǎn)一 (采集試驗(yàn)路段路面的溫度 )、帶 CAN 控制器的 PICl8F458 節(jié)點(diǎn)二 (采集路面加速加載設(shè)備顯示系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度 )、 帶 CAN 控制器的 PICl8F458 節(jié)點(diǎn)三（采集路面加速加載設(shè)備對試驗(yàn)路段所加的壓力） 組成。系統(tǒng)工作原理為： 由節(jié)點(diǎn)一、節(jié)點(diǎn)二、節(jié)點(diǎn)三把所需的數(shù)據(jù)采集 通過 CAN 總線 通信 傳 送 給主節(jié)點(diǎn) 并顯示輸出。 具體 CAN 通迅硬件模塊框圖如圖 所示 ： CAN BUS 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模塊框圖 System hardware architecture block diagram 主要器件介紹 CAN 控制器 PCA82C250 簡介 PHILIPS 公司的 CAN 控制器 PCA82C250 可為 CAN 協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合 IS011898 標(biāo)準(zhǔn)。它的工作速率高達(dá) 1Mb/s，支持 1Mb/s 的運(yùn)行速率，滿足ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)物理層要求 ,是全世界使用最廣泛的 CAN 控制器 。上電復(fù)位和電壓事件欠壓保護(hù)，未上電節(jié)點(diǎn)或欠壓不會影響 CAN 總線，低電流待機(jī)操作，短路保護(hù)，高壓瞬態(tài)保 護(hù)，自動熱關(guān)斷保護(hù)，可連接節(jié)點(diǎn)高達(dá) 112 個，采用差分總 線，具有很強(qiáng)的抗噪特性，工作溫度范圍 :40176。C ～ +125176。C 。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)： （ 1） 發(fā)送功能 CAN控制器 PCA82C250 CAN控制器 PCA82C250 CAN控制器 PCA82C250 CAN控制器 PCA82C250 PIC18F458 節(jié)點(diǎn)一 PIC18F458 節(jié)點(diǎn)二 PIC18F458 節(jié)點(diǎn)三 PIC18F458 主節(jié)點(diǎn) 李龍：基于 CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 CAN 線有兩個狀態(tài)：顯性狀態(tài)和隱性狀態(tài)。顯性狀態(tài)發(fā)生在 CANH 和 CANL 之間的差分電壓高于定義值 的時候， 隱性狀態(tài)發(fā)生在該差分電壓低于某個定義值 (典型值為 0V)的時候。顯性狀態(tài)和隱性狀態(tài)分別對應(yīng)于 TXD 輸入引腳的低電平和高電平，但是，一 個由別的 CAN 節(jié)點(diǎn)觸發(fā)的顯性狀態(tài)將會改寫 CAN 總線上的隱性狀態(tài)。 （ 2） 接收器功能 RXD 引腳反映的是 CANH 和 CANL 之間的差分 總線電壓值。 RXD 輸出引腳的低狀態(tài)和高狀態(tài)分別對應(yīng)于 CAN 總線的顯性和隱性狀態(tài)。 （ 3） 內(nèi)部保護(hù) CANH 和 CANL 可以免受 CAN總線上電池短路和電氣瞬態(tài)的影響。這一特性可以防止發(fā)送器的輸出級在這樣的錯誤條件下受到破壞。熱關(guān)斷電路在結(jié)點(diǎn)溫度超過通常的標(biāo)定值 165176。C 的時候使輸出 控制器 停止工作，這樣就進(jìn)一步保護(hù)器件免受過多負(fù)載電流的影響。芯片其他部分仍 然保持工作，但是由于發(fā)送器輸出的功耗降低，芯片的溫度也隨之降低， 這一保護(hù)措施對于由短路引起的總線損壞是必需的。 （ 4） 操作模式 RS 引腳可選擇三種操作模式：高速 、斜率控制、待機(jī) 。 高速模式：高速模式可以通過把 RS 引腳與 VSS 相連來實(shí)現(xiàn)。在這個模式下，發(fā)送器的輸出驅(qū)動具有快速的輸出上升和下降時間，可以滿足高速 CAN 總線的速率要求。 斜率控制模式 :斜率控制模式可以通過限制 CANH 和 CANL 的上升下降時間來進(jìn)一步減少 EMI。 斜率，也稱為轉(zhuǎn)換率 (slew rate， SR)，受 RS 和 VOL(通常接地 )之間的外接電阻 (Rext)控制。斜率與 RS 引腳的輸出電流成正比。由于電流主要取決于斜率控制電阻 REXT 阻 值，所以可以選用不同的阻值來實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)換率。本設(shè)計(jì)采用此模式， RS電阻 為 300Ω 。 待 機(jī)模式： 如果把 RS與高電平相連，器件就被置為待機(jī)模式，即休眠模式。 PIC18F458 單片機(jī)的特點(diǎn) PIC18Fxx8單片機(jī)是美國微芯公司 (Microchip)推出的高檔產(chǎn)品。 主要有 PICl8F24PICl8F25 PICl8F44 PICl8F458 這四款型號，采用雙列直插和表面封裝等 3 種封裝形式： PDIP PLCC44 和 QFP44。 采用 16 位的類 RISC 指令系統(tǒng)，指令周期短、處理能力強(qiáng)、運(yùn)算能力高，可以不用外擴(kuò)存儲器就能很好地完成大量的數(shù)據(jù)通訊