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基于CAN总线的温度监测系统
摘要
控制器局部网（CAN—C0NTROLLERAREANET的RK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。
其总线规范已成为国际标准，被公认为几种最有前途的总线之一。
本文综述了CAN总线产生和发过程，概括了CAN总线优于其它现场总线的特点，结合生产中温度监控的实际需求，提出了将CAN总线应用于生产实践的设想。
给出了基于CAN总线的温度监控系统的设计方案，设计了一种基于CAN总线的智能楼宇温度测控系统。
以STC89C52RD单片机为核心，利用CAN总线技术和数字温度传感器DS18B20，组建了智能楼宇温度测控系统的节点及网络架构，给出了系统总体结构和关键的软件流程。
测试结果表明，房间温度控制能满足设计要求，具有结构简洁、节能、实时性好及可靠性高等优点。
关键词：
现场总线，温度传感器，节点，网络架构
ACANnetworkbasedtemperaturemonitoringsystem
ABSTRACT
Controllerareanetwork（CAN-C0NTROLLERAREANET'sRK）isaBOSCHcompanyistheleadingmodernautomotiveapplications,launchedamulti-hostthelocalnetwork,becauseofitssuperiorperformancehasbeenwidelyusedinindustrialautomation,varietyofcontrolequipment,transport,medicalequipmentandconstruction,environmentalcontrolandmanyothersectors.Thebusspecificationhasbecometheinternationalstandard,recognizedassomeofthemostpromisingofthebus.ThispaperreviewstheproductionanddevelopmentprocessofCANbus,CANbus,summarizesthecharacteristicssuperiortootherfieldbus,temperaturemonitoringwiththeproductionoftheactualdemand,putforwardaCANbususedintheproductionpracticeoftheidea.CANbusispresentedbasedontemperaturemonitoringsystemdesign,designofaCANbusbasedtemperaturemeasurementandcontrolsystemofintelligentbuildings.TheSTC89C52RDmicrocontrollerasthecore,theuseofCANbustechnologyandthedigitaltemperaturesensorDS18B20,setupatemperaturemeasurementandcontrolsystemintelligentbuildingnodeandnetworkarchitecture,givestheoverallsystemarchitectureandkeysoftwareprocesses.Theresultsshowthattheroomtemperaturecontroltomeetthedesignrequirements,withasimplestructure,energy,realgood,andreliability.
Keywords:
fieldbus,temperaturesensors,nodes,networkarchitecture
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章绪论1
第2章现场总线CAN原理概述2
2.1CAN总线产生和发展3
2.2CAN总线的概述4
2.3CAN总线的特点4
2.4CAN总线组织的基本规则6
第3章温度监控系统的总体设计方案8
3.1系统要求8
3.1.1系统功能要求8
3.2系统总体设计方案8
3.3关键器件的选择9
3.3.1SJA1000芯片简介10
3.3.1.1SJA1000芯片特性10
3.3.1.2SJA1000内部结构10
3.3.2AT89C52单片机简介12
3.3.3CAN总线收发器82C250芯片简介13
3.3.46N137光电耦合器14
第4章系统的硬件设计16
4.1CAN通信电路设计16
4.2智能温度节点设计18
4.3外围电路硬件设计19
4.3.1数字温度传感器DS18B2019
4.3.1.1DS18B20的特点19
4.3.1.2DS18B20使用注意事项20
第5章系统的软件设计21
5.1系统的软件设计21
5.2上位机的软件设计21
5.2.1CAN信息的接收22
5.3下位机的软件设计23
5.3.1温度测控软件设计23
5.3.2调温设备控制软件设计24
5.4CAN的初始化程序设计25
5.5数字温度传感器的软件设计26
结论27
参考文献28
致谢30
第1章绪论
近年来，现场总线以其全开放、全分散、全数字化，集计算机、通信、控制技术于一体而已成为当今自动化领域技术发展的热点，在各种工业生产过程中得到了越来越广泛的应用。
它能对工业生产过程中的各个参数进行测量、信号转换、控制和显示，把多个测量控制仪表或计算机作为网络节点，并通过双绞线、通讯电缆等传输媒介进行信息的高速双向传输，构成一个全数字化、全开放、多点测试和可靠通信的智能化工业控制网络。
CAN总线作为有效支持分布式控制的多主串行现场总线之一，以其检错能力强、通讯硬件接口简单、通讯介质选择灵活、可靠性高、实时性强、价格低等特点而被受现场设备互连的青睐，广泛应用于汽车自动化、楼宇自控、工业控制等领域。
针对工业现场被控对象地域分布广、实时性、快速性要求较高的需求，为提高多点温度控制系统的效率、性能和智能化水平，因此，提出了基于CAN总线的一种结构简单、可靠性高、实时性好的分布式温度检测系统设计。
本文应用CAN总线技术和单总线数字温度传感器DS18B20，设计了智能楼宇温度测控系统。
第2章现场总线CAN原理概述
现场总线是应用于工业自动化最底层的一种总线型拓扑的网络。
它实现现场仪表或现场设备的互连，是现场通信网络与控制系统的集成。
早期的自动控制系统是基于模拟信号和一对一的物理连接。
模拟信号不仅精度低，而且抗干扰能力差：
一对一结构造成了系统接线复杂、工程周期长、安装和维护费用高且困难：
随着微处理器技术、通信技术和集成电路技术的发展，自动控制系统逐渐地采用了数字化的现场仪表和现场设备。
同时，数字设备的成本也越来越低。
因此，就对现场仪表和现场设备的互连方式提出了更高的要求。
现场总线就在这种内外因素的作用下应运而生。
现场总线是一种实现和维护成本低廉而又能经受工业现场环境的通信系统。
从20世纪80年代中期至今的短短20多年中，现场总线经历了概念提出、标准制定和软硬件产品的研制，已经出现了好几种现场总线技术走向成熟并且得到了推广和广泛地应用。
下面是几种具有代表性现场总线：
1．基金会现场总线（FF）
1994年，由ISPF和WorldFIP北美分会联合成立了现场总线基金会。
该基金会集众家之长，致力于开发出国际上统一的现场总线协议，即基金会现场总线（FoundationFieldbus，缩写FF）。
该总线主要用于过程自动化。
2．PROFIBUS
1986年，德国开始制定PROFIBUS标准。
1990年完成了PROFIBUS-F湖S和PROFIBUS-DP协议的制定工作，1994年又制定了用于过程自动化的PROFIBUS-PA通信协议，可实现总线供电与本质安全防爆。
3．LonWorks
LonWorks是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。
LonWorks技术采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中得以实现。
该总线主要用于智能和家庭自动化。
4．HART
HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写。
是由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。
它是一种模拟信号与数字信号混合的通信协议。
能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为设备的双主设备系统。
此外还有本文所要研究和应用的CAN（ControlAreaNetwork）总线。
在本次课题设计中，我们对CAN总线协议进行了深入的学习和研究，并且设计了一个验证性的实验系统，即基于CAN总线的温度监控系统。
2.1CAN总线产生和发展
控制器局部网（CAN—CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能，现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。
随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。
由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：
控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。
分布式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。
这类系统是以微型机为核心，将5c技术--COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。
它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。
典型的分布式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。
现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。
现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。
尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。
同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。
控制器局部网CAN（00NTROLLERAERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。
由于CAN在愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。
为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（vERSl0N2．O）。
该技术规范包括A和B两部分。
2.OA给出了曾在CAN技术规范版本1．2中定义的CAN报文格式，而2.OB给出了标准的和扩展的两种报文格式。
此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准2002．12．62（IS011898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。
2.2CAN总线的概述
CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）的简称，是德国BOSCH公司为解决现代汽车中电子监控设备之间的数据交换于1958年推出的高级串行数据通信协议。
此后，CAN通过ISO11898及ISO11519标准化，得到国际上许多大公司的支持。
现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
CAN通信接口游硬件实现，完成物理层和数据链层功能，其独特的设计和高度的可靠性，非常适用于分布式实时控制，因此越来越受到工业界的重视。
CAN属于总线式串行通讯网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线数据通讯具有突出的可靠性、实用性和灵活性。
其特点如下：
1．CAN总线为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不是传统的主从方式。
2．在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输。
3．CAN采用非破坏总线仲裁技术。
当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动地退出发送，而高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。
尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况。
4．CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。
5．CAN报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。
并且CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，具有极好地检错效果。
6．CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响。
7．CAN协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。
使得网络内的节点个数在理论上是不受限制的。
但是，实际应用中CAN总线的节点个数主要取决于总线驱动电路，目前节点数可达110个。
这个问题将在下文中有详细地讨论。
8．CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆和光纤，选择灵活。
而且CAN总线结构简单，开发技术容易掌握。
因此CAN总线具有很高的性价比。
2.3CAN总线的特点
（1）全数字化通信
现场总线系统是一个“纯数字”系统，而数字信号具有很强的抗干扰能力，所以，现场的噪声及其他干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字先后的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。
（2）一对N结构
一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。
这种一对N结构使得连接简单，工程周期短。
安装费用低，维护容易。
如果增加现场设备或现场仪表，只需要并行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。
（3）可靠性高
数字信号传输抗干扰能力强，精确度高，无需采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低成本。
（4）可控状态
操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作情况，也能对其进行参数调整，还可以预测或者寻找故障。
整个系统始终处于操作员的远程监控状态，提高了系统的可靠性，可控性和可维护性。
（5）可换性
用户可以自由选择不同控制商所提供的性能价格比最优的现场设备或者现场仪表，并将不同品牌的仪表互联。
即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表也能照常工作，实现了“即接即用”。
（6）互操作性
用户把不同的制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路，而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或者软件上花费力气或增加额外投资。
（7）综合功能
现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户也降低了成本。
（8）分散控制
控制站功能分散在现场仪表中，通过现场既可以构成控制回路，实现了彻底分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。
（9）统一组态
由于现场设备或者现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法，使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或者现场仪表种类不同而带来组态方法不同，再去学习和培训。
（10）开放式系统
现场总线为开放互联网络，所有技术和标准是公开的，所有制造商必须遵循。
这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可以与同层的网络互联，也可以与不同层网络互联，还可以极其方便地共享网络数据库。
2.4CAN总线组织的基本规则
CAN总线基于以下5条基本规则进行组织：
（1）总线访问
CAN控制器只能在总线空闲状态期间开始发送，所有CAN控制器同步于短帧起始的前沿。
（2）仲裁
在CAN总线的发送期间，发送数据帧或远程帧的每一节点均为总线主节点。
当许多节点一起开始发送时，此时只有发送具有最高优先权节的点变成总线主节点，具有不同标识符的两帧中，优先权被标注于帧中，较高优先权的标识符具有较低的二进制数值。
若具有相同标识符的数据帧和远程帧同时被初始化，数据帧较远程帧具有更高优先权。
（3）编码/解码
对于帧起始、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列实用位填充技术进行编码。
当正在发送的CAN控制器检测到5个连续的相同极性的位被发送，一个互补（填充）位被插入到该发送位流中。
当一个正在接收的CAN控制器检测到接收的上述5种位域的位流中，具有5个相同极性的连续位，它将自动删除下一个接收（填充）位，删除填充位的电平必须与先前位相反，否则一个填充错误将被检测，并被标注。
其余的位域和帧具有固定的形式，因此不使用填充方法进行编码和解码。
报文中的位流按照NRZ（NonReturnZero）方法进行编码，即位周期期间位电平维持恒定，要么是显性电平，要么是隐性电平。
（4）出错标注
当检测到发送位错误、填充错误，形式错误或应答错误时，检测出错条件的CAN控制器将发出1个出错标志，出错标志在下一位开始发送。
当检测到CRC错误时，出错标识在紧跟应答界定符后的一位开始发送，除非其它一些出错的错误标识已经开始发送，出错标识将破坏位填充或损坏固定形式的位场。
发出错误标识后，每个CAN控制器都在监控总线直至检测到一个显性电平到隐性电平的跳变，此时，每个CAN控制器完成了其出错标注，并且所有CAN控制器开始发送7个附加的隐性位。
所有可以检测的错误均可在报文发送时间内被标注，因而使CAN控制器能很容易的做出对应报文的出错帧，并初始化已经损坏报文的重新发送，如果CAN控制器检测到出错帧固定格式的任何偏离，它将发送一个新的出错帧。
（5）超载标注
由一些CAN控制器要求借助于发送一个或者更多的超载帧来延迟下一个数据帧或远程帧的发送。
虽然超载帧和出错帧具有相同的格式，但对它们的处理却不同，在间歇域期间进行的发送超载帧不能初始化如何先前的数据帧和远程帧的重新发送。
超载帧的发送必须起始于所期望间歇域的第一位，在期望的间歇域期间，重新激活为显性位的超载帧的发送在该事件后开始。
第3章温度监控系统的总体设计方案
3.1系统要求
在了解熟悉CAN总线协议的基础上，设计一个简单的CAN网络，要求网络至少要包括三个节点，各个节点配备一个或以上温度传感芯片，该传感芯片可对室温进行监测并把数据通过节点传输到总控制面板，同时，通过数据通讯测试，验证网络数据通讯的正确和安全。
主要要求实现基于单片机的系统硬件设计及其辅助外围电路设计、和实现单片机系统程序设计及基于LabVIEW的用户界面程序设计。
3.1.1系统功能要求
设计出温度监控系统的其中一个智能节点的硬件结构，选用合适的主控芯片和传感器，完成硬件框图和硬件之间的连接图。
3.2系统总体设计方案
图3.1为系统总体结构图，此网络结构为管理计算机和智能节点组成的两层网络结构。
整个系统由上位监控机、CAN通信适配卡和多个智能节点组成，节点的数量可以根据建筑物的规模增加和减少。
采用CAN总线作为通讯网络将各节点连接成一个分布式智能楼宇监控系统。
网络拓扑结构为总线方式，上位监控机是抗干扰能力很强的工业PC机，以SJA1000芯片作为CAN总线控制器，STC89C52RD单片机作为节点控制器，将其与数字温度传感器相连，82C250芯片作为CAN收发器。
由于CAN总线固有的电气特性，在一个CAN总线网络中最多只能配置110个节点，为了满足智能大厦的要求，可利用中继器对CAN总线进行扩展，这样不仅增加了系统的节点，还可以起到信号放大作用，增大通信距离。
本设计中，节点包括扩展芯片、传感器、控制设备、收发器和电源等。
节点之间的通信支持双绞线、电力线、光纤和红外线等多种介质，按照规范的协议进行通信，其通信速率范围在300kbps～1.5Mbps之间。
上位监控机通过通信适配卡与总线相连，用于整个系统的集中监控、管理、分析及网络通信检测等。
图3.1系统总体结构框图
3.3关键器件的选择
根据系统的功能要求和实现系统的可行性要求，我们在关键器件CAN总线控制器和驱动器上，分别选择了菲利普半导体生产的SJAl000和82C250。
它们不仅使用方便、性能可靠，而且价格便宜易于购买。
同时SJAl000也适合于工业产品的量产。
温度测量采用使用方便，性价比高的单线数字温度传感器DSl8B20。
3.3.1SJA1000芯片简介
SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。
它是Philips半导体公司PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代品，而且它增加了一种新的操作模式——PELICAN，这种模式支持具有很多新特征的CAN2.0B协议。
3.3.1.1SJA1000芯片特性
（1）和PCA82C200独立CAN控制器引脚兼容
（2）和PCA82C200独立CAN控制器电气兼容
（3）扩展接收缓冲器（64字节、先进先出FIFO）
（4）和CAN2.0B协议兼容
（5）同时支持11位和29位识别码
（6）位速率可以达到1Mbits/s
（7）PELICAN模式扩展功能：
——可读/写访问错误的计数器
——可编程的错误报警限制
——最近一次错误代码寄存
——对每个CAN总线错误的中断
——具体控制位控制的仲裁中断
——单次发送
——只听模式（无确认、活动的出错标志）
——支持热插拔（软件速率检测）
——验收滤波器扩展（4字节代码，4字节屏蔽）
——自身信息接收（自接收请求）
（8）24MHZ时钟频率
（9）对不同微处理器的接口
（10）可编程的CAN输出驱动器配置
（11）增强的温度适应（-40到1250C）
3.3.1.2SJA1000内部结构
SJA1000的硬件结构及内部结构图如图3.2、3.3所示
图3.2硬件结构框图
图3.3SJA1000内部结构图
从上面的图可以看出，SJA1000主要由接口管理逻辑IML、信息缓冲器（含发送缓冲器TXB和接收缓冲器TXFIFO）、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部及复位电路等构成。
IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向主控器提供中断信息及状态信息。
CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB，TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到CAN总线。
BTL始终监视CAN总线，当检测到有效的信息头“隐性电平-控制电平”的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器BPS处理，由ASP过滤。
只有当接收的信息识别码与ASP检测相符时，接收信息才最终被写入RXB或RXFIFO中。
RXFIFO最多可以缓存64字节的数据，该数据可以被CPU读取。
EML负责传输层中调制器的错误管制，它接收BSP的出错报告，促使BSP和IML进行错误统计。
CAN
升级会员 