現(xiàn)場總線大作業(yè)

1、 南京工程學院 現(xiàn)場總線大作業(yè) 課程名稱 基于CANopen總線的溫度測量節(jié)點的設計 院（系、部、中心） 自動化學院 專 業(yè) 自動化 班 級、 姓 名 數(shù)控133 吳雅雯 起 止 日 期 2016/11/4 -2016/12/14 37 目錄一、設計任務 3二、總體方案 3 三、 硬件設計 4四、軟件設計 6五、設計總結 8六、參考文獻 8一、 設計任務1 系統(tǒng)整體方案設計，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)總體結構框圖及各模塊功能。2系統(tǒng)硬件設計，包括： 2.1測量對象的數(shù)據(jù)采集（1）測量電路的設計；（2）數(shù)據(jù)采集電路的設計； 2

2、.2 CAN通信最小系統(tǒng)的設計（ 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）設計CAN通信接口與驅動電路；3CANopen通信節(jié)點的軟件設計；（1）數(shù)據(jù)采集模塊程序流程；（2）主程序流程設計；（3）底層CAN通信程序流程設計，及各功能模塊子程序設計，包括：初始化程序設計、接收報文程序設計、發(fā)送報文程序設計；（4）應用層的CANopen協(xié)議程序設計；（5）CANopen對象字典部分的程序設計，依據(jù)DS301和DS401對CANopen 對象字典進行配置；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 80年代德國 Bosch公司為汽車的監(jiān)控、控制系統(tǒng)而設計的,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 加的信號線 。 CAN總線的直接通信距離最遠可以達到10 km, 此時通信速率為 5 kbps以下;而通信速率最高可達1 Mbps, 此時通信距離長為 40 m。 同時 CAN總線的通信媒 介采用雙絞線或光纖 , 選擇靈活, 其結構較簡單, 總線接口芯 片支持 8位、16位的 CPU。由于 CAN總線采用短幀結構, 在標準格式中 , 短幀的字 節(jié)數(shù)為 8個, 因此傳輸時間短,

4、 受干擾的概率低, 重新發(fā)數(shù)據(jù) 幀的時間短, 并且每幀信息都有 CRC校驗及其他檢錯措施, 這樣可以保證極低的數(shù)據(jù)出錯率。 CAN總線上的節(jié)點在錯 誤嚴重時, 可以自動關閉總線的功能, 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)過程監(jiān)控設備互連, 也是 最有前途的現(xiàn)場總線之一 2 。 由于 CAN總線的特點, 使得 其廣泛地應用于電力、航空航天、治金、交通工具、機器人、醫(yī) 療設備、環(huán)境監(jiān)控和家用電器等眾多領域。 本文提出基于 CAN總線的溫度測量節(jié)點的設計。1 系統(tǒng)總體結構設計圖 1 分布式溫度測量節(jié)點結構框圖根據(jù)系統(tǒng)的設計要

5、求, 其總體設計結構如圖 1所示。 整 個系統(tǒng)由主站節(jié)點、分布式溫度測量節(jié)點兩部分組成。 由于 基于 CAN總線的溫度測量節(jié)點是一種分布式、實時的通信 系統(tǒng), 可采用主從方式通信, 其特點就是系統(tǒng)中任一節(jié)點設 一為主站節(jié)點, 其余均為從站節(jié)點, 主站節(jié)點通過 CAN總線與各個從站節(jié)點進行通信。 我們只需設一個主站節(jié)點作為 主監(jiān)控器, 以點對點方式進行通信, 其余的從站均為各個溫 度測量節(jié)點。 各個節(jié)點都通過 CAN總線實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的連 接, 各個溫度測量節(jié)點具有較強的獨立性, 具有工作可靠性、 性能穩(wěn)定、測量精確、安裝調(diào)試方便、造價低廉等特點。三、硬件設計CAN總線溫度測量節(jié)點主要任務是溫度采

6、集與 CAN通 信, 其硬件結構框圖如圖 2 所示。 硬件電路由微處理器STC89C52、總線控制器 SJA1000、總線驅動器 PCA82C50和傳感器 DS18B20四個部份組成。 微處理器負責對 SJA1000 和 DS18B20進行初始化, 通過總線控制器 SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的接收和發(fā)送等通信任務。圖 2 溫度測量節(jié)點硬件電路結構框圖2.1 溫度傳感器 DS18B20DS18B20是美國 DALLAS公司推出的第一片支持“一線 總線”接口的溫度傳感器 3 , 該傳感器只需一個端口引腳進 行通信, 就可以實現(xiàn)多點分布的應用, 具有低功耗、高性能、 抗干擾強等優(yōu)點。 其傳感器的特性為

7、:(1)溫度測量范圍寬, 能測到 -55 125 的溫度, 在 -10 +85 時精度為正負 0.5 。(2)提供 9 -12位的測量分辯率, 對應的溫度精度分別 為 0.5 、0.25 、0.125 和 0.0625 , 實現(xiàn)了高精度的 測量。(3)接口方式獨特, 僅需一條信號線就可以實現(xiàn)與微處 理器的雙向通信。(4)測量出的溫度能直接轉化成串行數(shù)字信號供 CPU 處理, 同時還傳送 CRC校驗碼, 具有很強的抗干擾糾錯能力。溫度傳感器的電路設計由單片機的引腳 P3.5與傳感器 DS18B20的 DQ腳相連, 實現(xiàn)微處理器與傳感器的雙向數(shù)據(jù) 的通信。 同時 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通信電路的設計 CAN通信電路是整個系統(tǒng)實現(xiàn)通信的關鍵部分, 系統(tǒng) 中各個節(jié)點和節(jié)點控制器是通過 CAN通信電路接入 CAN 總線網(wǎng)絡上的, 實現(xiàn)信號數(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責對 SJA1000 進行初始化, 各信號通過 CAN總線控制器實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的 接收和發(fā)送等通信任務。 同時為了增加 CAN總節(jié)點的抗 干擾能力, 更好地實現(xiàn)了總線上各 CAN

9、節(jié)點間的電氣隔離, SJA1000的 TX和 RX引腳通過連接光耦 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, 再通過具 有差動發(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、軟件設計溫度測量節(jié)點的軟件設計包括 CAN總線初始化、發(fā)送 子程序及中斷接收程序軟件設計和溫度傳感器 DS18B20的 程序設計。 其節(jié)點流程圖如圖 4所示。圖 4 溫度測量節(jié)點流程圖3.1 CAN初始化程序 CAN初始化即初始化 CAN

10、節(jié)點 。要保證通信正確可靠 則必須先對控制器 SJA1000進行初始化參數(shù)設置。 初始化 設置是通過微處理器對 SJA1000的寄存器進行初始化, 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置、總線定時寄存器的配 置、輸出控制寄存器的設置以及時鐘分頻寄存器的設置等。 系統(tǒng)上電后, 對 CAN初始化只有在復位模式下才可以開始, 初始化設置完成后, CAN控制器就可以回到工作狀態(tài), 即進 入工作模式 , 執(zhí)行正常的通信任務。 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)點要完成通信任務

11、則還必須包括發(fā)送子程 序及中斷接收程序 4 。 發(fā)送子程序負責各節(jié)點報文的發(fā)送 任務。 發(fā)送時只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息按特定的格式組合 成一幀報文, 送入 CAN控制器 SJA1000的發(fā)送緩沖器中, 啟 動 SJA1000發(fā)送即可完成發(fā)送報文任務。 在向 SJA1000發(fā)送緩沖器發(fā)送報文之前, 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責節(jié)點報文的接收以及其它中 斷情況的處理。 當進入中斷后要進行是否有數(shù)據(jù)的判斷, 以 防干擾誤中斷。3.3 溫度傳感器的程序設計溫度測量節(jié)點電路上電后也要進行初始化設置, 初始化 完成后, 溫度測量節(jié)點中的溫度傳感器對采集到的數(shù)據(jù)信息 實時處理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時顯示, 并判斷采集的信息是否超過正 常值, 如出現(xiàn)異常, 則報警提示并通過 CAN通信電路進行通信。 五、設計總結 本文主要介紹了以 DS1820 為傳感器測溫的程序及SJA1000 部分程序流程圖?；?CAN 總線溫度測量節(jié)點的設計具有良好的可靠性和實時性，得到了廣泛的應用，已廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場，化工、食品生產(chǎn)、溫室溫度控制