何步職　高惠芳　李小龍

摘 要：提出以STM32F103單片機(jī)、DS18B20溫度傳感器、上位機(jī)溫度顯示組成的溫度采集系統(tǒng)，闡述了整個(gè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計(jì)等。最終結(jié)果表明，基于CAN總線的溫度采集系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CAN總線；溫度測(cè)量；STM32F103單片機(jī)；DS18B20溫度傳感器

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重中之重，溫度信息更是與人們的日常生活息息相關(guān)。以485總線為通信方式的采集系統(tǒng)是市場(chǎng)的主流，但是卻存在組網(wǎng)能力差、傳輸速率低、可靠性不高等的缺點(diǎn)。因此，需要研發(fā)可以滿足遠(yuǎn)距離傳輸與控制要求并具有良好網(wǎng)絡(luò)通訊能力的溫度采集系統(tǒng)以滿足時(shí)代發(fā)展需求。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）是一種能有效支持實(shí)時(shí)控制和分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，將CAN總線技術(shù)運(yùn)用于溫度采集系統(tǒng)中，不僅可以降低誤碼傳送率，還可提高系統(tǒng)內(nèi)部的通信實(shí)時(shí)性。因此，基于CAN總線設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)具有組網(wǎng)能力強(qiáng)、傳輸快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

CAN總線技術(shù)作為一種成本合理、可靠的、先進(jìn)的、功能完善的遠(yuǎn)程通訊方式正在被廣泛運(yùn)用，將CAN總線運(yùn)用于溫度采集系統(tǒng)非常具有現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103作為中央處理器，用3個(gè)溫度傳感器DS18B20獲取3個(gè)點(diǎn)的溫度并傳遞到主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行顯示，CAN總線被作為主機(jī)與從機(jī)之間的通信介質(zhì)。通過(guò)上位機(jī)預(yù)設(shè)高臨界、低溫度值使得在此范圍之外的溫度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)警；TJA1050完成單片機(jī)與CAN總線的通信。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

主機(jī)部分和從機(jī)部分是基于CAN總線的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩大模塊。主機(jī)部分由MCU主控單片機(jī)、仿真下載、RESET復(fù)位、串口、CAN收發(fā)器、時(shí)鐘電路、SB轉(zhuǎn)串口等組成；從機(jī)部分主要由MCU主控單片機(jī)、時(shí)鐘電路、仿真下載、RESET復(fù)位、DS18B20溫度傳感器等組成。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)所采用的控制芯片是STM32F103C8T6，它的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、管腳數(shù)量少，成本低。32字節(jié)的存儲(chǔ)器可以滿足存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的要求；有外部中斷與內(nèi)部中斷兩種中斷方式；外部中斷控制器可通過(guò)19路觸發(fā)器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求，內(nèi)部中斷控制器完成43路中斷；內(nèi)部自帶CAN控制器；STM32F103滿足CAN2.0A/B協(xié)議[2]，具備輸入輸出口，大部分管腳具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的特性，并且輸出、輸入、外圍電路轉(zhuǎn)換等功能均可通過(guò)GPIO口利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

DS18B20具備寬泛的電壓范圍使其不僅可以連接外部電源，還可與硬件連接作為寄生電源，具備-55°C～+125°C廣泛的溫度測(cè)量范圍，然而它之所以具備如此強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力卻是由于其在-10°C～+85°C之間的精度為0.5°C。單總線接口方式使其運(yùn)用起來(lái)十分方便，僅需要一根線便可實(shí)現(xiàn)雙向通訊，將多個(gè)傳感器并用于一個(gè)系統(tǒng)中，組成一個(gè)可快速將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字的網(wǎng)絡(luò)。

CAN總線收發(fā)器TJA1050遵從ISO 11898（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)勢(shì)是速率高并具有電磁兼容性[3]。最高達(dá)到1 Mb/s，這可以使信息傳輸速率大大提升，并且可以通過(guò)連接110個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)特征將各個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，滿足收集不同區(qū)域多個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)信息的要求。

CH340G在本系統(tǒng)中被用作一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的工具，它具有全速USB接口，并且兼容USB2.0，CH340的驅(qū)動(dòng)程序能夠仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，因此與絕大部分應(yīng)用程序完全兼容[4]。本系統(tǒng)中用于主機(jī)系統(tǒng)STM32單片機(jī)與PC機(jī)之間的連接，使用目的是保證主機(jī)系統(tǒng)正常與PC機(jī)連接。硬件全雙工串口，支持波特率100 b/s～3 Mb/s的特點(diǎn)可以與CAN協(xié)議完美結(jié)合。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主機(jī)軟件、從機(jī)軟件2部分構(gòu)成。以下將分別介紹這兩部分的程序流程圖與主要功能。

3.1 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)程序的功能是：主機(jī)模塊讀取CAN總線上傳的溫度信息并傳送到PC機(jī)中，在讀取到溫度信息時(shí)刷新溫度顯示，并在檢測(cè)到報(bào)警值修改后發(fā)送報(bào)警值修改命令。主機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)系統(tǒng)的功能是：采集DS18B20溫度傳感器的溫度信息，并將所讀取到的溫度通過(guò)CAN總線傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)中，并且在收到報(bào)警設(shè)定命令時(shí)重新設(shè)定溫度報(bào)警值。從機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

3路溫度實(shí)時(shí)顯示與26°C超溫報(bào)警是本系統(tǒng)的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。圖5是溫度顯示的測(cè)試界面。接收與發(fā)送均采用ASCII形式，并且串口通信波特率為9 600。

從圖5可知在測(cè)試環(huán)境溫度25°C下，3個(gè)溫度傳感器分別顯示的溫度為24.50°C、25.87°C、25.68°C，由于3個(gè)溫度傳感器存在細(xì)微差異，因此所測(cè)溫度略有不同。對(duì)傳感器2、傳感器3進(jìn)行升溫，在溫度超過(guò)26°C后馬上出現(xiàn)報(bào)警提示。測(cè)試結(jié)果表明：本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的溫度傳感器誤差較小，并且報(bào)警功能較為靈敏。

圖5 溫度顯示測(cè)試界面

5 結(jié) 語(yǔ)

采用內(nèi)置CAN總線的STM32單片機(jī)與高精度顯示溫度傳感器DS18B20結(jié)合而設(shè)計(jì)的基于CAN總線的溫度采集系統(tǒng)具有體積小、功耗低、集成度高、準(zhǔn)確性較高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際調(diào)試結(jié)果表明該溫度傳感器不僅可以對(duì)3路溫度實(shí)時(shí)顯示，并且具備超溫報(bào)警功能，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面均有較大價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王毅峰，溫希東.基于 CAN 總線的智能控制器的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（4）：32-34.

[2] 陳志旺，等.STM32 嵌入式微控制器快速上手 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3] 覃磊，張杰.基于ZigBee技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007，34（1）：18-20.

[4] 聶海峰，李靖，孫茂華.基于USB接口微波濕度計(jì)地面檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（17）：1-3.