基于CAN總線食堂刷卡系統(tǒng)的改進設(shè)計副本

1、一、 項目申請理由（包括項目背景及自身具備的知識、素質(zhì)、能力等研究條件）為激發(fā)新世紀大學(xué)生的創(chuàng)新思維和意識，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，根據(jù)教育部國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃有關(guān)文件精神，學(xué)校決定組織開展第五批校級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目申報工作,為了提高我們的創(chuàng)新和動手能力，我們想借此機會實踐一下。在學(xué)好扎實的理論知識基礎(chǔ)上,課余時間積極主動自主學(xué)習(xí)和電子設(shè)計有關(guān)的知識,如單片機,matlab及多種仿真軟件multisim、protel、proteus，對電子設(shè)計有了一定的理論基礎(chǔ)，頭腦中也充斥著無數(shù)奇思妙想，渴望能將理論和實踐結(jié)合起來，給學(xué)習(xí)帶來更多的樂趣。 我們這個隊可能是參賽中為數(shù)不多的純09級學(xué)生。

2、我們的知識或許沒有學(xué)長那么淵博，我們的經(jīng)歷也沒有學(xué)長豐富?？晌覀冊敢馀Ω淖冏约?，提高自己。我們這個隊伍剛剛還在參加“畢昇杯”電子設(shè)計大賽。很多人說我們什么都不會跑去參加什么比賽。是的，我們沒有過多大的專業(yè)技能和知識，可我們正在改變自己。從當初只認識電阻到現(xiàn)在基本區(qū)分常用電子器件，從對硬件一無所知到學(xué)習(xí)STC89S52單片機，從只知道考試到做出了自己的最小系統(tǒng)，這條路我們走的很辛苦，可我們很快樂，我們在成長，我們在奮斗，沒有什么比這更好的了。選擇這個課題，是因為目前校園消費信息管理系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)多采用RS-485總線的組網(wǎng)方式。采用RS-485總線組網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點，但采用RS-48

3、5總線無故障定位和錯誤處理能力，組網(wǎng)的靈活性不強。有一些學(xué)校的校園消費信息管理系統(tǒng)采用以太組網(wǎng)方式，將每個節(jié)點就近連接在校園網(wǎng)上，但這種情況下，實時響應(yīng)能力也不強。因此，在很多方面并不合適，所以有些地方需要改進。在查閱了相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，如果快速在兩個窗口機上刷下不同的金額，數(shù)據(jù)終端會扣除金額最少的一次消費。這就是RS-485總線造成的數(shù)據(jù)延時，而采用CAN總線控制的校園消費信息網(wǎng)管理系統(tǒng)控制的底層網(wǎng)絡(luò)具有傳輸效率高，抗干擾能力強，硬件連接方便等特點，使得使用、維護和擴充都更為方便。此外，學(xué)習(xí)設(shè)計此總線傳輸所需要的知識一方面是我們要學(xué)習(xí)掌握的基礎(chǔ)知識。需要單片機，及其外圍電路的擴充，如數(shù)碼管顯示

4、，矩陣鍵盤，復(fù)位電路，還有通過CAN總線收發(fā)器連接網(wǎng)絡(luò)等等，這也是我們現(xiàn)在學(xué)習(xí)的，希望通過參加此類活動，能是我們更加深刻的理解我們所學(xué)的知識，另一方面，本項目中所設(shè)計的知識與以后的工作和社會的發(fā)展密切相關(guān)，所以此項目具有可行性。整個系統(tǒng)的核心是DS80C410單片機，DS80C410網(wǎng)絡(luò)微控制器是集成度最高的8051器件。外設(shè)包括一個10/100以太網(wǎng)MAC，3個串行端口，一個可選CAN 2.0B控制器，1-Wire主機和64個I/O引腳。DS80C410具有64k字節(jié)內(nèi)部SRAM，用于存儲用戶應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)堆棧。最高達75MHz的系統(tǒng)時鐘頻率使最短指令周期僅有54ns。采用Dallas內(nèi)嵌CAN

5、控制器的高速網(wǎng)絡(luò)微控制器DS80C410作為窗口機的微處理器，負責(zé)整個窗口機和鍵盤的監(jiān)控。窗口機的通信任務(wù)是DS80C410內(nèi)嵌的CAN控制器在CPU控制下完成的，CAN控制器通過CAN總線收發(fā)器PCA82C250接收總線上的數(shù)據(jù)，供CPU讀取，也可以將CPU送來的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。窗口機硬件還包括一個44鍵盤（10個數(shù)字鍵、6個功能鍵）控制和選擇、前后各10位數(shù)碼顯示（顯示內(nèi)容完全相同）所確定的數(shù)額。項目采用CAN總線控制，與傳統(tǒng)的傳輸方式最大的區(qū)別在于：(1)多主方式工作，非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)；(2)采用短幀結(jié)構(gòu)，受干擾概率低，每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施；(3

6、)對嚴重錯誤具有自動關(guān)閉總線功能,使總線其它操作不受影響；(4)CAN總線最大傳輸速率可達1MB/s，最大傳輸距離為10km，傳輸介質(zhì)可為雙絞線。二、項目研究內(nèi)容（目前研究的現(xiàn)狀、方法、觀點、難點、特點和提出的創(chuàng)新點等）目前現(xiàn)狀總線控制系統(tǒng)由于其自身的優(yōu)越條件在當今社會的各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而傳統(tǒng)的RS-485總線傳輸方式多為一主多式的傳輸，而且對錯誤的處理能力較低，高峰期響應(yīng)也較慢，會使得對用戶的使用造成一定影響，在目前社會的快速發(fā)展中，其會越來越不適應(yīng)需求。觀點與特點在日常生活和生產(chǎn)制造中，很多地方都會需要總線控制，如總線智能控制、總線溫度、防火控制，尤其是汽車總線控制，所以了解和研

7、究總線控制對以后的發(fā)展會有很大幫助。但無論如何，首先要考慮的還是一個產(chǎn)品的性價比，對基于CAN總線控制的刷卡系統(tǒng)，其相對具有以下優(yōu)點：(1)多主工作方式：網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。(2)檢測和處理錯誤：CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250

8、的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。(3)開發(fā)難度適中：CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場總線比

9、較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。實驗方法1. 基本原理系統(tǒng)框圖如圖所示DS80C410（單片機）鍵盤LED顯示EEPROM復(fù)位光電耦合CAN總線收發(fā)器（PCA82C250）非接觸式IC卡（）CAN0控制器 圖1系統(tǒng)原理圖該控制系統(tǒng)由復(fù)位電路，晶振電路，鍵盤控制電路，單片機控制CAN總線電路，LED顯示電路，電源電路等組成。DS80C410通過光電耦合與CAN總線收發(fā)器（PCA82C250）連接控制總線進而控制窗口機，通過鍵盤設(shè)定窗口機，在LED上顯示，經(jīng)CAN總線與服務(wù)器進行傳輸與反饋。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實時通信的食堂售飯系統(tǒng)的通信特點

10、非常適合于采用CAN總線。它的短幀結(jié)構(gòu)非常適合系統(tǒng)對抗干擾能力和實時通信能力要求較高，單次通信量很小的場合;靈活的組網(wǎng)特點完全可以解決大型食堂售飯系統(tǒng)中多個食堂和營業(yè)網(wǎng)點較分散的問題?；贑AN總線的食堂售飯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用總線型接法，主要包含三層：服務(wù)器、中繼器和終端。其中服務(wù)器包括工作服務(wù)器和備用服務(wù)器，這兩個服務(wù)器在營業(yè)時同時工作，互為備用，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。中繼器可以延伸通信距離，增加終端數(shù)目，變換通信速率，并能起到濾波和隔離作用。終端主要是銷售用的窗口機，還包括掛失機、解掛機、發(fā)卡/充值機等。 發(fā)卡充值機工作服務(wù)器備用服務(wù)器打印機CAN總線中繼器n中繼器1CAN總線CA

11、N總線窗口機1窗口機2窗口機3窗口機1窗口機2窗口機3 圖2食堂售飯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖3主要程序流程圖窗口機具有連網(wǎng)和脫網(wǎng)兩種運行方式。窗口機的默認工作方式分為連網(wǎng)運行，只有在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或其他原因無法連網(wǎng)運行時，才通過開關(guān)設(shè)定為脫網(wǎng)運行。圖3為窗口機運行的主程序流程圖。窗口機初始化后，先進行鍵盤處理，LED顯示處理，并判斷是否回收消費記錄。然后查詢是否讀到卡，讀到卡后，調(diào)用相應(yīng)連網(wǎng)或脫網(wǎng)子程序，進行營業(yè)操作。 YY窗口機初始化有鍵按下？調(diào)用顯示子程序調(diào)用按鍵處理子程序開始YEEPROM中有消費記錄？服務(wù)器回收消費記錄子程序讀到卡？調(diào)用10ms延時子程序判斷聯(lián)網(wǎng)？調(diào)用聯(lián)網(wǎng)子程序調(diào)用脫網(wǎng)子程序YNN

12、NN圖3 窗口機運行主程序流程圖4工作流程 NNNNYYYY收到服務(wù)器確認？顯示提示信息重新總消費額重發(fā)三次？返回重發(fā)三次？重新發(fā)卡號通過MMM讀寫器模塊，獲取卡號發(fā)送卡號給服務(wù)器請求服務(wù)器發(fā)余額收到余額？顯示余額子程序入口顯示提示信息計算并顯示總消費額計算并顯示新余額將總消費額額發(fā)送到服務(wù)器 圖4 工作流程5幀的發(fā)送和接收DS80C410中CAN模塊提供了15個報文中心，作為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的存儲器。幀的發(fā)送和接收通過這15個報文中心實現(xiàn)，也可以選擇一個或若干個報文中心發(fā)送或接收幀。這15個報文中心發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的優(yōu)先級順序是以報文中心的逆序排列的。報文中心1-14可設(shè)置為接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，報文

13、中心15只能接收數(shù)據(jù)。報文中心的控制寄存器（C0M1CC0M15C）位于SFR中。每個報文中心有一個格式寄存器（C0MyF）、4個仲裁寄存器和8個字節(jié)（C0MyD0C0MyD7）的數(shù)據(jù)區(qū)域。仲裁寄存器的值可以在初始化中設(shè)置，也可以在發(fā)送程序中設(shè)置，而且它的值可隨著數(shù)據(jù)的接收而自動更改。另外，報文中心15的C015M0C015M3寄存器，還可以執(zhí)行附加的濾波。當窗口機處于接收狀態(tài)時，CAN控制器將根據(jù)屏蔽寄存器和接收報文中心的仲裁寄存器的值對接收幀的ID標識符進行判斷，確定報文中心是否接收，只有當接收幀的標識符與仲裁寄存器的值相等的時候，幀才被接收;另外，CAN模塊還有媒體屏蔽寄存器和媒體仲裁寄

14、存器，可對接收的數(shù)據(jù)幀的第0和1兩個字節(jié)進行額外的校驗。6.項目創(chuàng)新點1.設(shè)計與以往采用不同的總線連接方式，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，處理錯誤能力強等特點。2.此設(shè)計采用的單片機集成度較高，能同時完成對窗口和鍵盤的操作，且時鐘頻率高，響應(yīng)速度快。3.設(shè)計功能完備，使用方便，性價比高，可直接用于商業(yè)開發(fā)。三、 項目進度安排（查閱資料、選題、自主設(shè)計項目研究方案、開題報告、實驗研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理與分析、研制開發(fā)、填寫結(jié)題表、撰寫研究論文和總結(jié)報告、參加結(jié)題答辯和成果推廣等）研究計劃及預(yù)期成果主要研究階段（起止時間）階段預(yù)期成果成果形式前期2011年7月15日至2011年9月 25日理論分析、資料查閱、項目總體規(guī)劃項目計劃書及電路設(shè)計圖中期2011年9月26日至2012年3月31日基本完成硬件電路這其中還包括春節(jié)假期硬件電路后期2012年4月1日至2012年9月10日軟件編寫以及最終硬件系統(tǒng)調(diào)試實物最終研究成果最終成果名稱最終成果形式基于CAN總