基于CAN总线的温度测量节点设计

　　引言

　　CAN是Controller Area Network的缩写，即控制器局部网，通常称为CAN bus（CAN总线），是一种支持分布式控制的串行通信协议。CAN初出现在汽车工业中，是20世纪80年代德国Boech公司为汽车的监控、控制系统而设计的，主要是解决汽车中的电子控制装置之间的通信，减少不断增加的信号线。CAN总线的直接通信距离远可以达到10 km，此时通信速率为5 kbps以下；而通信速率可达1 Mbps，此时通信距离长为40 m。同时CAN总线的通信媒介采用双绞线或光纤，选择灵活，其结构较简单，总线接口芯片支持8位、16位的CPU。

　　由于CAN总线采用短帧结构，在标准格式中，短帧的字节数为8个，因此传输时间短，受干扰的概率低，重新发数据帧的时间短，并且每帧信息都有CBC校验及其他检错措施，这样可以保证极低的数据出错率。CAN总线上的节点在错误严重时，可以自动关闭总线的功能，使总线上的其它操作不受到影响。由于CAN总线的数据通信具有卓越的特性及极高的可靠性，因而非常适合工业过程监控设备互连，也是有前途的现场总线之一。由于CAN总线的特点，使得其广泛地应用于电力、航空航天、治金、交通工具、机器人、医疗设备、环境监控和家用电器等众多领域。本文提出基于CAN总线的温度测量节点的设计。

　　1 系统总体结构设计

　　根据系统的设计要求，其总体设计结构如图1所示。整个系统由主站节点、分布式温度测量节点两部分组成。由于基于CAN总线的温度测量节点是一种分布式、实时的通信系统，可采用主从方式通信，其特点就是系统中任一节点设一为主站节点，其余均为从站节点，主站节点通过CAN总线与各个从站节点进行通信。我们只需设一个主站节点作为主监控器，以点对点方式进行通信，其余的从站均为各个温度测量节点。各个节点都通过CAN总线实现信号数据的连接，各个温度测量节点具有较强的独立性，具有工作可靠性、性能稳定、测量、安装调试方便、造价低廉等特点。

图1 分布式温度测量节点结构框图

　　2 温度测量节点的硬件电路设计

　　CAN总线温度测量节点主要任务是温度采集与CAN通信，其硬件结构框图如图2所示。硬件电路由微处理器STC89C52、总线控制器SJA10 00、总线驱动器PCA82CS0和传感器DS18B20四个部份组成。微处理器负责对SJA1000和DS18B20进行初始化，通过总线控制器SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。

图2 温度测量节点硬件电路结构框图

　　2.1 温度传感器DS18B20

　　DS18B20是美国DALLAS公司推出的片支持“一线总线”接口的温度传感器，该传感器只需一个端口引脚进行通信，就可以实现多点分布的应用，具有低功耗、高性能、抗干扰强等优点。其传感器的特性为：

　　（1）温度测量范围宽，能测到-55℃～125℃的温度，在-10℃～+85℃时为正负0.5℃。

　　（2）提供9—12位的测量分辩率，对应的温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，实现了高的测量。

　　（3）接口方式独特，仅需一条信号线就可以实现与微处理器的双向通信。

　　（4）测量出的温度能直接转化成串行数字信号供CPU处理，同时还传送CRC校验码，具有很强的抗干扰纠错能力。

　　温度传感器的电路设计由单片机的引脚P3.5与传感器DS18B20的DQ脚相连，实现微处理器与传感器的双向数据的通信。同时DQ单总线外接一4.7 k的上拉电阻。温度传感器的电路图如图3所示。

图3 温度传感器电路

　　2.2 CAN通信电路的设计

　　CAN通信电路是整个系统实现通信的关键部分，系统中各个节点和节点控制器是通过CAN通信电路接入CAN总线网络上的，实现信号数据的传输。CAN通信电路采用STC89C52处理器、PHILIPS公司的总线控制器SJA1000、NXP公司的总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137等器件组成。在CAN通信电路中微处理器负责对SJA1000进行初始化，各信号通过CAN总线控制器实现信号数据的接收和发送等通信任务。同时为了增加CAN总线节点的抗干扰能力，更好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离，SJA1000的TX和RX引脚通过连接光耦6N137后再与总线收发器PCA82C250相连，总线收发器82C250的TXD和RXD分别接光耦6N137的输出OUT和输入IN端，再通过具有差动发送和接收功能的总线终端CAN_H和CAN_L连接入总线电缆中，完成通信的传输。

　　3 温度测量节点的软件设计

　　温度测量节点的软件设计包括CAN总线初始化、发送子程序及中断接收程序软件设计和温度传感器DS18B20的程序设计。其节点流程图如图4所示。

图4 温度测量节点流程图

　　3.1 CAN初始化程序

　　CAN初始化即初始化CAN节点。要保证通信正确可靠则必须先对控制器SJA1000进行初始化参数设置。初始化设置是通过微处理器对SJA1 000的寄存器进行初始化，这些初始化包括控制寄存器的配置、命令寄存器的配置、状态寄存器的配置、中断管理寄存器的设置、总线定时寄存器的配置、输出控制寄存器的设置以及时钟分频寄存器的设置等。

　　系统上电后，对CAN初始化只有在复位模式下才可以开始，初始化设置完成后，CAN控制器就可以回到工作状态，即进入工作模式，执行正常的通信任务。CAN控制器初始化流程图如图5所示。

图5 CAN 控制器初始化流程图

　　3.2 CAN通信电路程序

　　CAN总线节点要完成通信任务则还必须包括发送子程序及中断接收程序。发送子程序负责各节点报文的发送任务。发送时只需将待发送的数据信息按特定的格式组合成一帧报文，送入CAN控制器SJA1000的发送缓冲器中，启动SJA1000发送即可完成发送报文任务。在向SJA1000发送缓冲器发送报文之前，可先做一些判断，判断其是否正在接收数据、先前发送是否成功以及发送缓冲器是否锁定等等，以确保数据发送的可靠性。

　　中断接收程序主要是负责节点报文的接收以及其它中断情况的处理。当进入中断后要进行是否有数据的判断，以防干扰误中断。

　　3.3 温度传感器的程序设计

　　温度测量节点电路上电后也要进行初始化设置，初始化完成后，温度测量节点中的温度传感器对采集到的数据信息实时处理、现场数据实时显示，并判断采集的信息是否超过正常值，如出现异常，则报警提示并通过CAN通信电路进行通信。

　　4 结束语

　　本设计应用性很强，在实际应用中表明，其温度测量的和稳定性都得到很好的提高，准确地反应了工作状况和实际状况，达到了预期目标。

参考文献:

[1]. DS18B20 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20_819975.html.
[2]. SJA1000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SJA1000_609075.html.
[3]. 6N137 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/6N137_91364.html.
[4]. PCA82C250 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCA82C250_542618.html.