【正文】 中，溫度是最主要的檢測控制參數(shù)，在電力、生物制品、藥品、電子器件等行業(yè)， 溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng) 更是需求很大。但由于各類溫度傳感器的性能穩(wěn)定性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性仍然存在不少技術(shù)問題，阻礙了 溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng) 的應(yīng)用發(fā)展。如能充分利用智能化技術(shù)，實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的自動檢測及越 線報警提示技術(shù)，由此推廣應(yīng)用將可能出現(xiàn)一定的市場規(guī)模，應(yīng)用前景將更加看好。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)。 現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微型計算機(jī)化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 8 頁 共 52 頁 現(xiàn)場總線技術(shù)將專用于微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自具有數(shù)字計算和通信能力，采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微型計算機(jī)化測 量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)。它給自動化領(lǐng)域帶來的變化正如眾多分散的計算機(jī)被網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使計算機(jī)的功能、加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列。 CAN 總線簡介 控制器區(qū)域網(wǎng) (Controller Area Network)CAN 現(xiàn)場總線已經(jīng)成為在儀表裝置通訊 的新標(biāo)準(zhǔn) 。 CAN 總線與其他總線相比有如下特點(diǎn) ： ① 它是一種多主總線，即每個節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，且節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可進(jìn)行通信； ② 通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá) 1Mbps； ③ CAN 總線通信接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對 通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等項工作； ④ CAN 協(xié)議的一個最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。 同時， 8 個字節(jié)不會占用總線時 間過長 ，從而保證了通信的實時性； ） CAN 協(xié)議采用 CRC 檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能 ，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。因此倍受工業(yè)界的重視 ， 并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。控制器局部網(wǎng)將在我國迅速普及推廣。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負(fù)載分散、功能分散、危險分散和地域分散。 圖 CAN總線 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) CAN 總線中一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，多個節(jié)點(diǎn)接收信息；但 CAN 總線的信息存取方式既不同于令牌方式的 Aret，也不同于主從方式的 Bitbus，采用的是一種 廣播式 的存取工作方式。 也就是說， CAN總線面向的是數(shù)據(jù)而不是節(jié)點(diǎn)，因此加入或撤銷節(jié)點(diǎn)設(shè)備都不會影響網(wǎng)絡(luò)的工作，十分適用于控制系統(tǒng)要求快速、可靠、簡明的特點(diǎn) 。 CAN 總線協(xié) 議是通過一種非破壞性的仲裁方式來解決總線沖突的。所有的仲裁判別都不會破壞優(yōu)先級高的報文信息內(nèi)容，也不會對其發(fā)送產(chǎn)生任何的時延。 CAN 總線是一個基于報文而不是基于站點(diǎn)地址的協(xié)議。 CAN 總線上報文所包含的內(nèi)容只有優(yōu)先級標(biāo)志區(qū)和欲傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。至于該報文是否要做進(jìn)一步的處理或被丟棄將完 全取決于接收節(jié)點(diǎn)本身，由節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行報文過濾。 CAN 總線協(xié)議 另外一個有用的特性是 一個節(jié)點(diǎn)可以主動要求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。和上面不同之處在于，節(jié)點(diǎn)并不等待信息的到來，而是主動去索取。 基于報文的這種協(xié)議另外一個好處是新的節(jié)點(diǎn)可以隨時方便地加入到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，而不需對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新編程以便它們能識別這一新節(jié)點(diǎn)。 CAN 總線定義了四種不同的報文（或叫幀）用于總線通信。如果節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)暫緩發(fā)送新報文。 （ 2） CAN 總線的優(yōu)點(diǎn) ： 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 11 頁 共 52 頁 ① 具有實時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)； ② 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作； ③ 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過 CAN 控制器掛到 CANbus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)； ④ 可根據(jù)報文的 ID 決定接收或屏蔽該報文； ⑤ 可靠的錯誤處理和檢 錯機(jī)制； ⑥ 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)； ⑦ 節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能； ⑧ 報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。主要對應(yīng)于 ISO(Intermational Standard Organizantion，國際標(biāo)準(zhǔn)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。由于 CAN 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，又是范圍較小的局域網(wǎng)，因此不需要其他中間層，應(yīng)用層數(shù)據(jù)直接取自數(shù)據(jù)鏈路層或直接向鏈路層寫數(shù)據(jù)。 圖 CAN協(xié)議的分層結(jié)構(gòu) CAN 協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)如圖 所示。 CAN 層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（ OSI） 一致，每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊，實際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上的相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理傳 播 媒 體 應(yīng)用層 有設(shè)計者自行定義 … 數(shù)據(jù) 鏈路層 物理層 邏輯鏈路控制子層 LLC 媒體訪問控制子層 MAC 物理信號子層 PLS 物理媒體附屬子層 PMA 媒體相關(guān)接口子層 MDI CAN 控制器 CAN 收發(fā)器 CAN 協(xié)議 規(guī)范 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 12 頁 共 52 頁 介質(zhì)互連，表 21 中展示了 OSI 開放式互連模型的各層。 表 21 OSI 開放系統(tǒng)互連模型 7 應(yīng)用層 最高層用戶軟件網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來進(jìn)行信息交換如 DeviceNet 6 表示層 將兩個應(yīng)用不同數(shù)據(jù)格 式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式 5 會話層 依靠低層的通信功能來進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳遞 4 傳輸層 兩通信節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸控制操作如數(shù)據(jù)重發(fā)數(shù)據(jù)錯誤修復(fù) 3 網(wǎng)絡(luò)層 規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立維持和拆除的協(xié)議如：路由和尋址 2 數(shù)據(jù) 鏈路層 規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織如數(shù)據(jù)校驗和幀結(jié)構(gòu) 1 物理層 規(guī)定通訊介質(zhì)的物理特性如電氣特性和信號交換的解釋 CAN 物理層定義了傳輸線和硬件的機(jī)械、電氣和電信號特征及功能。但在 ，而在 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容更加具體，但沒有指明通訊介質(zhì)的材料，因而用戶可以根據(jù)自己的需要選擇雙絞線，同軸電纜或光纖，最常用的就是雙絞線?？刂破髯羁炷苓_(dá)到 1Mbps，但對總線長度有限制。 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，其對應(yīng)關(guān) 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 13 頁 共 52 頁 系見表 22 所示。顯性數(shù)值表示邏輯“ 0”，而“隱性”數(shù)值表示邏輯“ 1”。在“隱性”狀態(tài)下， HCANV ? 和 LCANV ? 被固定于平均電壓電平， diffV 近似為 0?！帮@性”狀態(tài)改寫“隱性”狀態(tài)并發(fā)送。 (差動傳輸方式 ) 報文傳輸及其幀結(jié)構(gòu) 圖 數(shù)據(jù)幀標(biāo)準(zhǔn)格式中的仲裁場結(jié)構(gòu) CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸由以下 4個不同的幀類型所表示和控制，它們分別是 [7]： 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳送到接收器。 錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀用一個幀空間與前面的幀分開。 SOF 11 位標(biāo)示符 仲裁場 控制場 RTR 位 diffV diffV 隱性位 顯性位 隱性位 時間 t HCANV ? LCANV ? 平均電壓 U 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 14 頁 共 52 頁 CAN技術(shù)規(guī)范 ，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。 標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的仲裁場格式不同。 11位標(biāo)識符為 ～ ，如圖 。數(shù)據(jù)場的長度可為 0。 表 23 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) ?? 幀起始 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 CRC場 ACK場 幀結(jié)束 ?? 幀起始（ SOF）標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由一個顯性位構(gòu)成。所有站都必須同步于首先開始發(fā)送的那個站的幀起始前沿。 圖 數(shù)據(jù)幀擴(kuò)展格式中的仲裁場結(jié)構(gòu) 控制場由 6位組成。 圖 控制場結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)格式的控制場結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展格式的不同。保留位必須發(fā)送顯性位。數(shù)據(jù)長度碼為 4位，在控制場中發(fā)送。 遠(yuǎn)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。遠(yuǎn)程幀 不存在數(shù)據(jù)場， DLC的數(shù)值沒有意義，它可以是 0～ 8中的任何數(shù)值，這一數(shù)值為對應(yīng)數(shù)據(jù)幀的 DLC。有兩種形式的錯誤標(biāo)志，一種是活動錯誤標(biāo)志，另一種是認(rèn)可錯誤標(biāo)志。 仲裁場 RTR 18 位標(biāo)示符 SRR IDE 11 位標(biāo)示符 SOF 控制場 IDE/r1 r0 DLC3 DLC2 DLC1 DLC0 控制場 數(shù)據(jù)場 數(shù)據(jù)長度代碼 保留為 仲裁場 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 15 頁 共 52 頁 超載幀包括兩個位場：超載標(biāo)志和超載界定符。超載標(biāo)志由 6個顯性位組成，所有形式對應(yīng)于活動錯誤標(biāo)志形式。 報文濾波 CAN總線通過報文濾波技術(shù)，可以實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等多種數(shù)據(jù)傳送方式 [8]。屏蔽寄存器設(shè)定需要校驗的二進(jìn)制位，濾波寄存器存儲需比較的數(shù)值。 濾波寄存器和 屏蔽寄存器決定是否將信息裝入接收緩沖區(qū)。屏蔽寄存器的作用是決定標(biāo)識符的哪些位需要與濾波寄存器比較。 可見如果信息標(biāo)識符的高字節(jié)為 11001101，屏蔽寄存器值為 00001111，若濾波寄存器的值為11001101則將數(shù)據(jù)收入緩沖區(qū)。（ ～ ）≡(～ ) （ ～ ）≡ 11111111 屏蔽寄存器和濾波寄存器存放在 CAN控制器中，其自動識別標(biāo)識符的功能由硬件實現(xiàn)，但濾波寄存器和屏蔽寄存器的值需要軟件設(shè)定。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號，則需要設(shè)計信號調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的接口電 路，才能把傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到計算機(jī)去處理。 所以多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計的關(guān)鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和遠(yuǎn)程通信的設(shè)計。 系統(tǒng)采用針對傳統(tǒng)溫度測溫系統(tǒng)測溫點(diǎn)少，系統(tǒng)兼容性及擴(kuò)展性較差的特點(diǎn)，運(yùn)用分布式通訊的思想。系統(tǒng)的 主控模塊與監(jiān)控模塊之間采用 CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸 ，從而 成為總線上的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。 圖 系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)設(shè)計的主要器件選擇 在糧庫、倉庫中溫度是主要的參數(shù)，本設(shè)計要求設(shè)計溫度參數(shù)的自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單片機(jī)或其它微型機(jī)來完成，并實現(xiàn)顯示溫度值，當(dāng)測量到的溫度超過用戶界限時報警。因其高性能價格比、實現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)均選用 ATMEL8 位單片機(jī) 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(diǎn)，并且國內(nèi)市場上 PhiliPs 的產(chǎn)品型號比較多，購買比較方便。除與 8031 引腳和指令系統(tǒng)完全兼容外，又增加了許多新的功能。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。故本系統(tǒng)選用 AT89S52 單片機(jī)作為微控制器。 SJA1000 主要負(fù)責(zé)把并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 CAN 的格式進(jìn)行發(fā)送和接收。 SJA1000 具有如下特點(diǎn)： ① 完全兼容 PCA82C200 及其工作模式，即 BASICCAN 模式； ② 具有擴(kuò)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(dá) 1Mbit/s； ⑥ 支持 peliCAN 模式及其擴(kuò)展功能； ⑦ 24MHz 的時鐘頻率；