摘要：本文介紹了一種基于CAN總線的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)利用CAN總線構(gòu)成了多節(jié)點(diǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對倉庫多點(diǎn)溫濕度的監(jiān)控。本文介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)闡述了現(xiàn)場子節(jié)點(diǎn)的硬件以及軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性、可靠性以及廣泛的利用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CAN；溫濕度；分布式系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)08-10ppp-0c

1 引言

CAN全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN可提供高達(dá)1Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，并提供了硬件的錯(cuò)誤檢定特性，增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。

利用CAN總線的優(yōu)點(diǎn)，本文介紹了一種基于CAN總線設(shè)計(jì)的用于倉庫等場合的現(xiàn)場溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CAN總線構(gòu)成了多點(diǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲及分析功能，具有良好的可靠性、可擴(kuò)展性以及廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1是溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由主控節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)組成，構(gòu)成了一個(gè)總線型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

主控節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其一方面實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議與RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換，與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至上位機(jī)；另一方面，主控節(jié)點(diǎn)通過CAN總線，向各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，輪詢各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，并讀取各子節(jié)點(diǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

子節(jié)點(diǎn)是分布于監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場各個(gè)位置的節(jié)點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測點(diǎn)的溫度、濕度等環(huán)境變量進(jìn)行采集，并將根據(jù)主控節(jié)點(diǎn)的命令，將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、傳感器信息等數(shù)據(jù)通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。

3系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)

子節(jié)點(diǎn)主要功能是實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并響應(yīng)主控節(jié)點(diǎn)命令，通過CAN總線向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測點(diǎn)信息。因此，一個(gè)完整的子節(jié)點(diǎn)需要包含傳感器調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器電路以及通訊電路等，子節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 子節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

子節(jié)點(diǎn)單片機(jī)采用89C51，溫度與濕度傳感器信號經(jīng)過調(diào)理電路后，進(jìn)入多路選擇開關(guān)，單片機(jī)通過控制多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)通道選擇，并通過A/D轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)；SJA1000和PCA80C250構(gòu)成了CAN總線通訊部分，與CAN總線相連。

3.1.1 CAN總線通訊設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)CAN總線通訊部分包含了SJA1000CAN總線控制器以及PCA80C250總線收發(fā)器。SJA1000是一款獨(dú)立的CAN 總線控制器，實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，而PCA80C250則實(shí)現(xiàn)了總線電平的變換；圖3所示的是子節(jié)點(diǎn)CAN總線部分的硬件原理圖。

圖3 CAN總線電路原理

圖中，SJA1000與單片機(jī)總線相連，當(dāng)其發(fā)送成功或接收到總線數(shù)據(jù)后，將向單片機(jī)發(fā)出中斷；為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)中利用6N137高速光耦將系統(tǒng)信號與總線信號隔離；05S05S為DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于電源隔離；隔離信號通過PCA80C250與CAN網(wǎng)絡(luò)相連；R3，R4用于總線限流。

3.1.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)需要對監(jiān)測點(diǎn)的溫度及濕度進(jìn)行采集。其中溫度傳感器采用的是PT100。圖4所示的是子節(jié)點(diǎn)PT100的信號調(diào)理電路的原理圖，可以同時(shí)對16路溫度信號進(jìn)行采集。

圖4 PT100信號調(diào)理電路

圖4中U1，U2為CD4067為16選1的多路開關(guān)，其通道選擇為同一組信號；LM334為精密恒流源，通過圖中R26~R29產(chǎn)生1mA電流；當(dāng)單片機(jī)發(fā)出選通某路的信號時(shí)，將同時(shí)選通U1，U2的相應(yīng)通道，此時(shí)，LM334產(chǎn)生的1mA電流將通過U1流至U2的相應(yīng)通道上，并流經(jīng)PT100產(chǎn)生電壓信號，進(jìn)入U(xiǎn)2的輸入端；電壓信號由U2公共輸出端輸出，該信號與PT100的阻值為線性關(guān)系；LM358可以對U2輸出的電壓信號進(jìn)行放大，通過電阻R33可以調(diào)整放大倍數(shù)，以適應(yīng)不同場合采集的要求。

圖5所示的是濕度傳感器變送電路：

圖5 濕度傳感器變送電路

圖中RH為濕度傳感器，U1A構(gòu)成韋恩振蕩電路，產(chǎn)生正弦波。U1B則是對振蕩信號的振幅調(diào)整，使得輸出的交流信號為250Hz，0.5Vrms的正弦波；U2A則對信號進(jìn)行放大、整流、濾波，并送入A/D轉(zhuǎn)換器。

3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器采用的是TLC2543，電路原理如圖6所示：

圖6 A/D轉(zhuǎn)換器電路

TLC2543為11通道串行12位A/D，與單片機(jī)相連只需要4根線，電路比較簡單。圖中利用TL431構(gòu)成5V精密參考電壓，供A/D轉(zhuǎn)換器使用。通道使用A0，A1分別作為溫度輸入和濕度輸入通道。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)：

通過分析系統(tǒng)功能，可知主控節(jié)點(diǎn)的主要工作為：1.接收上位機(jī)的命令，并將命令發(fā)送給相應(yīng)節(jié)點(diǎn)；2.定時(shí)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令，查詢子節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)；3.定時(shí)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳輸命令，讀取子節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)；4.將子節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。

因此，在主控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)中采用了事件驅(qū)動(dòng)的方式；其主要流程如下：

圖7 主控節(jié)點(diǎn)流程

主控節(jié)點(diǎn)在完成系統(tǒng)初始化和網(wǎng)絡(luò)的初始化后，主程序?qū)⑤喸兏鞣N事件標(biāo)志；各種事件標(biāo)志由單片機(jī)的各種中斷服務(wù)程序設(shè)置；中斷服務(wù)程序中只對相應(yīng)的事件標(biāo)志進(jìn)行設(shè)置，并不對事件處理，如串行通訊中斷、CAN總線通訊中斷，定時(shí)器中斷等；主程序查詢到事件標(biāo)志首先確定事件功能，并調(diào)用相應(yīng)的處理程序處理。

4.2 系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

相對于主控節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)的工作要簡單的多。系統(tǒng)中子節(jié)點(diǎn)在上電復(fù)位后主要工作為：(1)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化；(2)向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送初始狀態(tài)；(4)查詢主控節(jié)點(diǎn)命令；(5)根據(jù)命令將監(jiān)測點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。(6)輪詢各通道數(shù)據(jù)采集，并保存。子節(jié)點(diǎn)的主要流程軟件如圖8所示：

圖8 子節(jié)點(diǎn)流程圖

圖中系統(tǒng)初始化包括了：節(jié)點(diǎn)自檢，CAN通訊初始化、傳感器初始化、A/D初始化、各種系統(tǒng)標(biāo)志初始化以及看門狗初始化等。

子節(jié)點(diǎn)完成系統(tǒng)初始化后，向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，以通知主控節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)；完成各種初始處理后，子節(jié)點(diǎn)進(jìn)入輪詢時(shí)間標(biāo)志的循環(huán)中，如有需要將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文中所述的基于CAN總線的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，已經(jīng)在糧庫、藥品倉庫以及多種工業(yè)場合倉庫中得到使用。由于CAN總線具有極強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)在使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊非?？煽浚⑶彝ㄟ^往網(wǎng)絡(luò)中加入CAN中繼器可以進(jìn)一步提高通訊質(zhì)量和距離，時(shí)間證明，該系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。

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