現(xiàn)場(chǎng)總線大作業(yè)

1、 南京工程學(xué)院 現(xiàn)場(chǎng)總線大作業(yè) 課程名稱 基于CANopen總線的溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 院（系、部、中心） 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè) 自動(dòng)化 班 級(jí)、 姓 名 數(shù)控133 吳雅雯 起 止 日 期 2016/11/4 -2016/12/14 37 目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù) 3二、總體方案 3 三、 硬件設(shè)計(jì) 4四、軟件設(shè)計(jì) 6五、設(shè)計(jì)總結(jié) 8六、參考文獻(xiàn) 8一、 設(shè)計(jì)任務(wù)1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)，包括（1）課題分析，方案選擇；（2）主控制器和通信控制器的選擇；（3）溫度傳感器的選擇（4）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖及各模塊功能。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括： 2.1測(cè)量對(duì)象的數(shù)據(jù)采集（1）測(cè)量電路的設(shè)計(jì)；（2）數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)； 2

2、.2 CAN通信最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（ 1）主控制器最小系統(tǒng)電路（2）根據(jù)主控制器的類型（是否集成CAN控制器功能）設(shè)計(jì)CAN通信接口與驅(qū)動(dòng)電路；3CANopen通信節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)；（1）數(shù)據(jù)采集模塊程序流程；（2）主程序流程設(shè)計(jì)；（3）底層CAN通信程序流程設(shè)計(jì)，及各功能模塊子程序設(shè)計(jì)，包括：初始化程序設(shè)計(jì)、接收?qǐng)?bào)文程序設(shè)計(jì)、發(fā)送報(bào)文程序設(shè)計(jì)；（4）應(yīng)用層的CANopen協(xié)議程序設(shè)計(jì)；（5）CANopen對(duì)象字典部分的程序設(shè)計(jì)，依據(jù)DS301和DS401對(duì)CANopen 對(duì)象字典進(jìn)行配置；二、總體方案CAN是 ControlerAreaNetwork的縮寫, 即控制器局部 網(wǎng), 通常稱為 CANb

3、us(CAN總線), 是一種支持分布式控制的串行通信協(xié)議。 CAN最初出現(xiàn)在汽車工業(yè)中, 是 20 世紀(jì) 80年代德國(guó) Bosch公司為汽車的監(jiān)控、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的,主要是解決汽車中的電子控制裝置之間的通信, 減少不斷增 加的信號(hào)線 。 CAN總線的直接通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10 km, 此時(shí)通信速率為 5 kbps以下;而通信速率最高可達(dá)1 Mbps, 此時(shí)通信距離長(zhǎng)為 40 m。 同時(shí) CAN總線的通信媒 介采用雙絞線或光纖 , 選擇靈活, 其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單, 總線接口芯 片支持 8位、16位的 CPU。由于 CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu), 在標(biāo)準(zhǔn)格式中 , 短幀的字 節(jié)數(shù)為 8個(gè), 因此傳輸時(shí)間短,

4、 受干擾的概率低, 重新發(fā)數(shù)據(jù) 幀的時(shí)間短, 并且每幀信息都有 CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施, 這樣可以保證極低的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率。 CAN總線上的節(jié)點(diǎn)在錯(cuò) 誤嚴(yán)重時(shí), 可以自動(dòng)關(guān)閉總線的功能, 使總線上的其它操作 不受到影響。 由于 CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有卓越的特性及 極高的可靠性, 因而非常適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備互連, 也是 最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一 2 。 由于 CAN總線的特點(diǎn), 使得 其廣泛地應(yīng)用于電力、航空航天、治金、交通工具、機(jī)器人、醫(yī) 療設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控和家用電器等眾多領(lǐng)域。 本文提出基于 CAN總線的溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 1 分布式溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要

5、求, 其總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。 整 個(gè)系統(tǒng)由主站節(jié)點(diǎn)、分布式溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)兩部分組成。 由于 基于 CAN總線的溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)是一種分布式、實(shí)時(shí)的通信 系統(tǒng), 可采用主從方式通信, 其特點(diǎn)就是系統(tǒng)中任一節(jié)點(diǎn)設(shè) 一為主站節(jié)點(diǎn), 其余均為從站節(jié)點(diǎn), 主站節(jié)點(diǎn)通過(guò) CAN總線與各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。 我們只需設(shè)一個(gè)主站節(jié)點(diǎn)作為 主監(jiān)控器, 以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式進(jìn)行通信, 其余的從站均為各個(gè)溫 度測(cè)量節(jié)點(diǎn)。 各個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò) CAN總線實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的連 接, 各個(gè)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的獨(dú)立性, 具有工作可靠性、 性能穩(wěn)定、測(cè)量精確、安裝調(diào)試方便、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。三、硬件設(shè)計(jì)CAN總線溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)是溫度采

6、集與 CAN通 信, 其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。 硬件電路由微處理器STC89C52、總線控制器 SJA1000、總線驅(qū)動(dòng)器 PCA82C50和傳感器 DS18B20四個(gè)部份組成。 微處理器負(fù)責(zé)對(duì) SJA1000 和 DS18B20進(jìn)行初始化, 通過(guò)總線控制器 SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。圖 2 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖2.1 溫度傳感器 DS18B20DS18B20是美國(guó) DALLAS公司推出的第一片支持“一線 總線”接口的溫度傳感器 3 , 該傳感器只需一個(gè)端口引腳進(jìn) 行通信, 就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布的應(yīng)用, 具有低功耗、高性能、 抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 其傳感器的特性為

7、:(1)溫度測(cè)量范圍寬, 能測(cè)到 -55 125 的溫度, 在 -10 +85 時(shí)精度為正負(fù) 0.5 。(2)提供 9 -12位的測(cè)量分辯率, 對(duì)應(yīng)的溫度精度分別 為 0.5 、0.25 、0.125 和 0.0625 , 實(shí)現(xiàn)了高精度的 測(cè)量。(3)接口方式獨(dú)特, 僅需一條信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)與微處 理器的雙向通信。(4)測(cè)量出的溫度能直接轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供 CPU 處理, 同時(shí)還傳送 CRC校驗(yàn)碼, 具有很強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。溫度傳感器的電路設(shè)計(jì)由單片機(jī)的引腳 P3.5與傳感器 DS18B20的 DQ腳相連, 實(shí)現(xiàn)微處理器與傳感器的雙向數(shù)據(jù) 的通信。 同時(shí) DQ單總線外接一 4.7 k的上拉

8、電阻。 溫度傳 感器的電路圖如圖 3所示。2.2 CAN通信電路的設(shè)計(jì) CAN通信電路是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵部分, 系統(tǒng) 中各個(gè)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)控制器是通過(guò) CAN通信電路接入 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上的, 實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸。 CAN通信電路采用STC89C52 處理器、 PHILIPS公司的總線控制器 SJA1000、NXP公司的總線收發(fā)器 82C250和高速光電耦合器 6N137 等器件組成。 在 CAN通信電路中微處理器負(fù)責(zé)對(duì) SJA1000 進(jìn)行初始化, 各信號(hào)通過(guò) CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的 接收和發(fā)送等通信任務(wù)。 同時(shí)為了增加 CAN總節(jié)點(diǎn)的抗 干擾能力, 更好地實(shí)現(xiàn)了總線上各 CAN

9、節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離, SJA1000的 TX和 RX引腳通過(guò)連接光耦 6N137 后再與總線 收發(fā)器 PCA82C250 相連, 總線收發(fā)器 82C250 的 TXD和 RXD分別接光耦 6N137的輸出 OUT和輸入 IN端, 再通過(guò)具 有差動(dòng)發(fā)送和接收功能的總線終端 CAN H和 CAN L連接 入總線電纜中, 完成通信的傳輸。 圖 3 溫度傳感器電路 四、軟件設(shè)計(jì)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)包括 CAN總線初始化、發(fā)送 子程序及中斷接收程序軟件設(shè)計(jì)和溫度傳感器 DS18B20的 程序設(shè)計(jì)。 其節(jié)點(diǎn)流程圖如圖 4所示。圖 4 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)流程圖3.1 CAN初始化程序 CAN初始化即初始化 CAN

10、節(jié)點(diǎn) 。要保證通信正確可靠 則必須先對(duì)控制器 SJA1000進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置。 初始化 設(shè)置是通過(guò)微處理器對(duì) SJA1000的寄存器進(jìn)行初始化, 這些 初始化包括控制寄存器的配置、命令寄存器的配置、狀態(tài)寄 存器的配置、中斷管理寄存器的設(shè)置、總線定時(shí)寄存器的配 置、輸出控制寄存器的設(shè)置以及時(shí)鐘分頻寄存器的設(shè)置等。 系統(tǒng)上電后, 對(duì) CAN初始化只有在復(fù)位模式下才可以開(kāi)始, 初始化設(shè)置完成后, CAN控制器就可以回到工作狀態(tài), 即進(jìn) 入工作模式 , 執(zhí)行正常的通信任務(wù)。 CAN控制器初始化流 程圖如圖 5所示。圖 5 CAN控制器初始化流程圖3.2 CAN通信電路程序CAN總線節(jié)點(diǎn)要完成通信任務(wù)

11、則還必須包括發(fā)送子程 序及中斷接收程序 4 。 發(fā)送子程序負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送 任務(wù)。 發(fā)送時(shí)只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息按特定的格式組合 成一幀報(bào)文, 送入 CAN控制器 SJA1000的發(fā)送緩沖器中, 啟 動(dòng) SJA1000發(fā)送即可完成發(fā)送報(bào)文任務(wù)。 在向 SJA1000發(fā)送緩沖器發(fā)送報(bào)文之前, 可先做一些判斷, 判斷其是否正在 接收數(shù)據(jù)、先前發(fā)送是否成功以及發(fā)送緩沖器是否鎖定等 等, 以確保數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性。中斷接收程序主要是負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及其它中 斷情況的處理。 當(dāng)進(jìn)入中斷后要進(jìn)行是否有數(shù)據(jù)的判斷, 以 防干擾誤中斷。3.3 溫度傳感器的程序設(shè)計(jì)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)電路上電后也要進(jìn)行初始化設(shè)置, 初始化 完成后, 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)中的溫度傳感器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息 實(shí)時(shí)處理、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示, 并判斷采集的信息是否超過(guò)正 常值, 如出現(xiàn)異常, 則報(bào)警提示并通過(guò) CAN通信電路進(jìn)行通信。 五、設(shè)計(jì)總結(jié) 本文主要介紹了以 DS1820 為傳感器測(cè)溫的程序及SJA1000 部分程序流程圖?；?CAN 總線溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有良好的可靠性和實(shí)時(shí)性，得到了廣泛的應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，化工、食品生產(chǎn)、溫室溫度控制