基于CAN总线的多点温度采集系统设计.doc
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【摘要】随着科学技术的发展，为提供农作物生长的最佳环境，大棚种植也成为现代农业种植中必要可行的一种方式。
在温室大棚中的温度实时监测与控制却成为为一个难题。
因此基于CAN总线的主要优点，再从CAN总线的可靠性，它的优越性以及低成本出发，采用基于CAN总线多点温度采集系统的设计，该系统采用非破坏性总线仲裁技术具有实时性高，精度高，灵活性强能够及时信息的测控。
本课题是采用一种基于CAN总线的多点温度采集系统。
论文根据系统的要求完成了整体的方案设计和系统选型。
该方案是利用温度传感器PT100将温室大棚内温度的变化，经放大电路送入含A/D转换器的单片机的采集模块完成A/D转换，在通过CAN收发器将信号传至住监视器。
再经过液晶显示器进行数据显示。
CAN总线通信模块是本次设计中的核心技术，它负责系统中主控器和执行器之间的数据通信。
经过试验验证表明该系统可靠性好、精度高、结果简单、成本低在使用范围可代替传统的测温系统的不足。
【关键词】CAN总线微控制器传感器Pt100液晶显示器。
Designofmulti-spottemperaturegatheringsystembasedonCANbus
【Abstract】Withthedevelopmentofscienceandtechnology,toprovidethebestenvironmentforcropgrowth,greenhousecultivationhasbecomeanessentialofmodernfarmingviableway.Thetemperatureingreenhousereal-timemonitoringandcontrolhasbecomeaproblem.Therefore,themainadvantagesbasedonCANbus,CANbus,andfromthereliability,technologicalsuperiorityofthesystemoperationandlowcoststartingpointbasedonCANbusmulti-temperaturecollectionsystemdesign,systemtechnologyusingnon-destructivereal-timebusarbitrationhigh,highprecision,flexibilityandtimelyinformationtothemonitoringandcontrol.
ThisissueisbasedonCANbususingamulti-pointtemperatureacquisitionsystem.Systemrequirementsthesiscompletedundertheoverallprogramdesignandsystemselection.TheprogramistheuseofthegreenhousetemperaturesensorPT100temperaturechanges,theamplifiercircuitintowithA/DconvertermoduletocompletetheacquisitionofSCMA/Dconverter,CANtransceiverthroughthesignaltransmittedlivemonitor.DataforanotherLCDdisplay.CANbuscommunicationmoduleisthecoreofthisdesigntechnique,whichisresponsibleforthesystemandimplementationofmasterdatacommunicationbetweendevices.
Testedtoverifythatthesystemreliability,highaccuracy,theresultsofsimple,lowcostalternativetotheuseofconventionaltemperaturemeasurementsystemdeficiencies.朗读显示对应的拉丁字符的拼音
【Keywords】ThecanbusMCUsensorPt100LCDmonitors。
目录
绪论 1
1开发概述 2
1.1背景 2
1.2课题来源 3
1.3国内外研究现状 3
1.4论文主要工作 3
1.5论文结构 4
2.相关技术的概念 4
2.1总线的概述 4
2.2CAN总线的特点 4
2.3CAN总线的分层结构 5
2.4CAN总线的发展应用 6
3硬件系统的设计 6
3.1硬件的设计任务 6
3.2硬件设计模块 7
3.2.1硬件电路 7
3.2.2PIC18F4580单片机 7
3.2.3电源电路 9
3.2.4传感器电桥和放大电路 9
3.2.5CAN收发器连接电路 10
3.2.6液晶显示器电路[13] 10
3.3综上所述 11
4软件设计 11
4.1监视器主程序 11
4.2采集系统主程序 11
4.3CAN总线的接收和发送程序 12
4.6按键子程序 15
4.7A/D转换流程图 16
4.8液晶显示模块程序 17
总结及展望 18
参考文献 19
附录 20
致谢 28
-27-
绪论
在人类生活的环境中，温度扮演找极其重要的角色，无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在和温度打交道。
我国人多地少，人均占有更少，因此，要改变我国的这种局限，要靠增加耕地面积是不现实的，为此，我们只有另辟蹊径，在原本就不宽裕的土地上来想办法提高单位产量，而温室大棚种植就是一种行之有效的方法。
随着大棚种植的技术的大面积的推广和应用，大棚种植温度检测控制技术要求逐渐提高，基于市场提供的一些温度检测系统不能实时的传送数据，而且主要考虑到器件的繁杂和费用的高选择利用了CAN总线的优越性能，CAN总线采用多主竞争式结构，通信介质可以是双绞线，同轴电缆，或光导纤维。
通信率可达1Mbps,CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成幀处理，包括位填充，数据块编码，循环冗余检码，优先级判别等[1]。
温室系统气候受影响的因数多样。
复杂而且众多，难以完全计算在内。
针对目前的温室系统的现状和特点，决定采用当前比较先进的现场总线技术进行控制。
设计了温室系统的总体框架，各种植区各由一个智能节点来控制，节点之间采用现场总线相连，实现分散控制，再接入一计算机作为人机接口，实行监督。
根据现代温室控制的要求，设计一套适合问世控制系统的应用现场总线技术。
本文经过查阅大量国内外参考文献的基础上，概述了温室在国内外的发展历史以及发展现状。
了解了国内外温室测控装置的发展动态和发展方向，并且根据温室内影响作物生长所需的基本条件，即温度、环境的条件、控制特点和控制方法，设计出了出了适合本系统的控制方案。
1开发概述
在科学社会高速发展的今天，引发了自动化域的深刻变革，并使自动化领域逐渐形成了开放系统互联网通信，以大大深刻的改善了大棚种植温度采集和控制的优越性，形成了高集成化的自动控制系统。
CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。
在与其他的通信总线相比较，CAN总线在数据通信方面具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
由于CAN总线具有独特的设计及其良好的性能，CAN总线在人们的生活中的运用是越来越广泛。
它首先是在汽车领域上的应用最为突出，世界上一些著名的汽车制造厂商，都利用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。
于此同时，由于CAN总线本身优越的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业之中，而向自动控制、航海、航空航天、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展的应用也比较突出。
CAN已经形成国际标准，并已被公认为最有前途的几种现场总线之一[2]。
本文将设计一种由CAN总线完成测控系统间数据通信、结构灵活、通用性强的温度测控系统，在该系统中，我们同时使用了单总线数字温度传感器Pt100，并能方便的实现系统互联。
将传感器的输出变换成标准电压或电流信号，通过A/D转换变成数字量。
将数字量信号传给单片机，最后单片机将采集到的数据送到CAN总线控制器，通过CAN总线收发器传到总线，完成数据采集工作任务。
1.1背景
20世纪50年代以前，由于当时企业的生产规模较小，测控仪表处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产现场，只具备简单测控功能的基于20.67-103.35Pa启动信号标准的基地式气动仪表。
其信号仅在本以表内使用，不能传送给别的仪表或系统，即各测控仪表处于封闭的状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，才可以了解生产过程的状况[3]。
20世纪60年代，随着企业的生产规模的进一步扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数和信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，因此出现了气动、电动单元组合式仪表，形成了集中控制室。
生产现场中的各参数通过统一的模拟信号送往集中控制室。
操作人员可以在控制室内观察生产现场的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂测控系统[4]。
20世纪70年代，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了数字计算机，从而产生了集中式控制。
数据采集系统是计算机应用于生产过程控制最早的一种类型。
把需要采集的过程参数经过采样、A/D转换变为数字信号送入计算机。
计算机对这些输入量进行计算处理（如数字滤波、标度变换、越限报警等），并按需要进行显示和打印输出[5]。
经过实践发展证明，这类系统虽然不直接参与生产过程的控制，但其作用还是较为明显。
由于计算机具有速度、运算方便等特点，在过程参数的测量和记录中可以代替大量的常规显示和记录仪表，对整个生产过程进行集中监视。
数据采集系统主要是对大量传输参数进行巡回检测、数据记录、、数据统计和处理、以及对大量数据进采集储存和实时分析。
1.2课题来源
毕业设计选择此课题的主要原因有二：
1．现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
2.自己对单片机的熟悉以及对CAN总线有一定的了解，如今CAN总线的应用不仅仅局限于汽车控制行业，更多的向自动化领域发展。
所以一来想借这此机会来完成毕业设计二来想在掌握CAN总线的控制技术方面更深入的了解CAN总线更广阔的发展前景。
基于在这种情况下导师希望我们接触CAN总线以及它广大发展前景的的运用来更好的处理自动化领域的数据有效传输。
1.3国内外研究现状
CAN最初出现在80年代的汽车行业中，由德国Bosch公司最先提出。
当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越高，而对于这些功能的实现大多都是基于电子器件的操作，这就使得电子装置间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的控制连接芯导线。
提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少因功增加而增加的信号线。
于是他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件都可以挂接在总线上。
1993年CAN已成为国际标准ISO11898（高速应用）和1SO11519（低速应用）[6]。
CAN是一种多方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。
而且是具有很高的实时性能。
1.4论文主要工作
硬件方面：
基于CAN总线的多点温度采集系统设计，主要是采用一个主监视器及多个温度采集点构成。
以满足在温度采集过程中对现场温度的实时采集与监控，有关的主要工作任务是通过CAN通信，接收CAN总线传送过来的信号，实时对现场温度的采集，同时保障系统的安全和可靠，数据的采集，传输以及显示。
保障硬件方面的安全可靠以及经济合理。
在选择各节点控制器和相应的CAN适配元件。
着手由于各接点的功能相对单一，同时对CPU的要求相对较低，采用不仅仅只是功能堆积的PIC18F系列单片机。
CAN总线适配器件主要有：
控制器接口、总线收发器和I/O器件。
采用CTM8251收发器。
最后，按照CAN总线物理层协议选择总线介质，设计方案及布线，连接成CAN总线分布式测控网络通信。
软件方面：
完成总线协议的设计以及通信程序的设计。
完成LED的显示程序设计。
完成数据的采集，处理及储存。
1.5论文结构
绪论介绍CAN总线的应用领域与发展前景及其CAN的主要优点。
第一张：
开发概述，针对CAN的背景、国内外研究现状等作了介绍。
第二章：
相关技术的概念，着重对CAN的特点及其内部结构进行介绍。
第三章：
硬件电路的设计。
第四章：
软件程序以及实现方法。
第五章：
总结及展望。
第六章：
参考文献。
第七章：
致谢。
2.相关技术的概念
2.1总线的概述
CAN总线采用多主竞争式结构，通信介质可以是双绞线，同轴电缆，或光导纤维。
通信率可达1Mbps,CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成幀处理，包括位填充，数据块编码，循环冗余检码，优先级判别等[7]。
2.2CAN总线的特点
CAN总线属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的技术，与一般的通信网络相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性，实时性和灵活性。
其特点可概括如下[8]：
（1）CAN为多主方式工作，网络上任何一个节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活，并且无需占地址等节点信息。
利用这一点可以方便的构成多级备份系统。
（2）CAN网络上的节点信息分成不同的优先级。
可满足不同实时要求，高优先级的数据也能在很短的时间内得到传输。
（3）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动推出发送，而优先级较高的节点可以不受影响的继续发送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁的时间，尤其在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况。
（4）CAN只需通过报文过滤起便可以实现点对点，一点对多点及全局广播等多种方式传送数据。
（5）CAN直接通信距离可达10Km,速率在5Kbps以下，在通信距离在40M以内，通信速率最高可达1Mbps.
（6）CAN接点数主要取决于总线驱动电路，前可达110个。
如果需要更多节点，可以利用中继器，实现网络节点的增加和传输距离的延长。
（7）采用短幀的结构，一次传送的字节最多为8个，传输时间段，受干扰概率低，具有良好的检错效果。
（8）CAN的每幀信息都有CRC效验及其他效验措施，保证了数据出错率低，同时降低了应用程序的复杂程度，从而使通信更加可靠。
（9）CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭节点输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
（10）CAN物理层对输出介质没有规定，通信介质可以是；双绞线，同轴电缆，或光导纤维。
2.3CAN总线的分层结构
CAN总线按照OSI模型可分为三层；应用层、数据链路层和物理层，如图2-1所示[9]。
故障界定
总线故障管理
物理层
应用层
LLC
逻辑链路子层
MAC
媒体访问控制子层
物理信令
物理媒体附属装置
媒体相关接口
数据链路层
图2-1CAN总线分层结构
MAC子层借助“故障界定实体”进行监控，故障鉴定是判别总线上干扰和故障的一种机制。
物理层借助检测和管理物理媒体的故障实体进行监控。
LLC和MAC两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据单元相互通信。
物理层分为物理信令层、物理媒体附属装置层和媒体相关接口层。
2.4CAN总线的发展应用
CAN最初出现在80年代的汽车行业中，由德国Bosch公司最先提出。
当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越高，而对于这些功能的实现大多都是基于电子器件的操作，这就使得电子装置间的通讯越来越复杂，同时意味找需要更多的控制连接芯导线。
提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少因功增加而增加的信号线。
于是他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件都可以挂接在总线上。
1993年CAN已成为国际标准ISO11898（高速应用）和1SO11519（低速应用）[10]。
CAN是一种多方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。
而且是具有很高的实时性能。
3硬件系统的设计
系统硬件的设计原理：
控制器局域网属于现场总线范畴，它是一种有效支持分布控制的串行网络通讯网络，被公认为最有前途的现场总线之一。
本文利用Pt100测温芯片作为传感器，使用CAN总线标准设计一种智能测温系统。
该系统可靠性好、精度高、结果简单、成本低在使用范围可代替传统的测温系统的不足。
硬件电路由微处理器、CAN控制器、测温芯片、LED、按键、复位电路以及晶振电路组成。
其中单片机PIC18F4580作为核心部分。
承担CAN控制器的初始化、数据收发等任务；CAN总线控制器用于同上位机进行远程通讯、能够独立的完成CAN总线的接受和发送工作。
3.1硬件的设计任务
本设计由上位机CAN节点和数据采集系统构成，实现对多温度点的温度采集。
系统的各部分通过CAN总线，构成一个数据采集网络硬件电路原理框图如3.1所示。
图3-1
数据采集点主要完成以下功能，数据实时采集，数据的就地显示，接受上位机的命令和向上位机发送采集到的数据。
3.2硬件设计模块
3.2.1硬件电路
在所设计电路中采用，由于单片机PIC18F4580自带CAN控制器，只需要增加一个收发器即可，单片机PIC18F4580有内置的EUSART模块配置的异步收发模式，经过EUSART模块模块接收从PC机的COM口发出的报文并发回反馈信息。
与此同时，在单片机PIC18F4580中还内置了ECAN模块，因此它还是CAN网络中一个节点的控制器。
从PC机中接收到的信息可以在单片机PIC18F4580中经过处理后发关到CAN总线上，然后，再把从CAN总线上接受到的信息，经过处理后通过EUSART模块发送回PC机。
硬件模块主要由电源模块，PIC18F4580单片机，传感器和放大器，CAN收发器，晶振电路，复位电路，液晶显示模块。
3.2.2PIC18F4580单片机
图3-2PIC18F2580单片机
PIC18F4580单片机的特点：
主要引脚：
电源和接地引脚，震荡器晶体引脚，时钟复位引脚，I/O输入输出引脚，A/D通道引脚。
内部结构和功能特点
特殊的微控制器功能：
C编译器优化结构，可选择扩展指令集；
·100000擦除/写入周期增强型闪存程序存储器（标准）；
·1000000擦除/写周期的数据EEPRCOM存储器（标准）；
·闪存/数据EEP-ROM存储：
大于40年；
·在软件控制下自编程；
·中断优先级；
·8×8单周期硬件乘法器；
·扩展看门狗定时器：
可编程期由41ms至131s；
·通过2个引脚5V单电源内电路串行编程（ICSPTM）；
·通过2个引脚内电路调试（ICD）；
·宽工作电压范围：
（2.0～5.5V）；
·ECAV模块特点：
信息比特率高达1Mbps；
·符合CAN2.0B现行的规范；
·完全逆向兼容PIC18XXX8CAN模块；
·3个工作模式：
传统，增强型传统，先进先出：
3个优先专用传输缓冲器；
·2个专用接收缓冲器；
·6个可编程接收/发送缓冲器；
·3个全29位验收膜；
·16个全90位验收过滤器配/动态结合；
·设各网数据字节过滤支持；
·远程自动帧处理；
·先进的错误管理功能
3.2.3电源电路
单片机工作所需要的的电压为+5V，且底层电路功耗很小采用7805三端稳压即可满足要求所需电源。
电路如下图所示3-3.
图3-3电源电路图
3.2.4传感器电桥和放大电路
图3-4传感器电桥和放大电路
本系统所采用的温度传感器是Pt100电桥，采用了三线制的电桥电路，R1，R2,R3均为100欧，可以很好的消除引线电阻的影响，提高测量精度.PT100，又叫热电阻，是一种温度传感器，铂电阻温度系数为0.0039×／℃，0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。
采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济实用。
铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（－200℃～400℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计[11]。
3.2.5CAN收发器连接电路
图3-5CTM8251收发器连接电路
PIC18F4580芯片中虽然内嵌CAN控制器,但是必须与CAN收发器连接才能具备收发功能,在以往的设计中CAN收发器之间通常需要加入DC—DC电源隔离模块和高速光电耦合器组成的隔离电路,以确保在CAN总线遭受严重的干扰时控制器能够正常工作，然而考虑到复杂度、系统集成等因素,本设计中利用CTM8251接口芯片来实现带隔离的CAN收发电路，CTM8251是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件，这些都被集成在不到3平方厘米的芯片上，芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能[12]。
3.2.6液晶显示器电路[13]
图3-6液晶显示电路
如图3-6该液晶显示模块与PIC18F4580的接口电路。
该显示电路采用单片机的通用I/O口对液晶的控制信号直接进行控制，同时将单片机的D口作为其数据总线。
液晶的第五脚用于液晶显示对比度的调节，它需要通过一个10K的可变电阻接到-12V的电源上。
该液晶显示模块是使用KB0108及其兼容控制驱动器作为列驱动器，同时使用KS0107B及其兼容驱动器作为行驱动器的液晶模块。
由于KS0107B不与MPU发生联系，故只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号。
MCG12864A8-3共有两片KS0108B或兼容控制驱动器和一片HD61203或兼容驱动器。
3.3综上所述
将温度传感器Pt100电桥采集到的温度信号经过放大电路后送入A/D转换模块完成A/D转换，单片机PIC18F4580将采集到的信号通过CAN收发器发送到CAN总线，在于单片机PIC18F4580接收信号发送到液晶显示器显示。
采用电桥电路和放大器电路对信号进行采集和处理，使用含A/D转换的单片机PIC18F4580进行A/D转换，通过CAN
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