基于STM32和CAN总线的温度监控系统

摘要：介绍基于STM32和CAN总线的温度监控系统的硬件设计和软件设计，通过上位机与下位机的通信，实现对温度数据的监控。
关键词：STM32；CAN总线；Delphi；PT100；SD卡；FATFS文件系统

0 引言
    现代工业控制领域通常要测量很多信号，并将其转化为计算机可以识别的二进制信号，并利用计算机监视和记录各种测量的信号。这个过程就要涉及到信号的采集和处理。CAN总线是一种串行多主总线，它卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备
的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。本文介绍了基于STM32和CAN总线的温度监控系统的设计，通过上位机与下位机的通信，实现对温度数据的监控，并经初步实验达到了设计的要求。

1 系统总体方案概述
   系统总体框图如图l所示，本系统采用主站+从站的结构，CAN主站主要实现温度数据的存储以及CAN总线协议和串口协议之间的桥接，CAN 从站主要实现温度的采集。CAN从站采集的温度，经过CAN总线传送到CAN主站，主站将各从站的温度值传送到系统上位机中。上位机对各点的数据进行实时曲线显示并进行存储，上位机可以设定报警值，当节点温度超过设定值的时候，上位机发出报警声。在没有上位机的场合，主站将数据以文本文档的形式存储在主站的SD卡中。



2 系统硬件设计
2．1 CAN主站硬件设计
    主站电路如图2所示，主要有电源模块、STM32模块、CAN收发器模块、RS232串口模块和SD卡模块。


    其中STM32模块由STM32F103RBT6和周边时钟、复位、调试等组成。电源模块由外部输入+5V电压，经线性压降AMS1117-3.3V后供 STM32使用。CAN收发器模块采甩NXP的高速收发器TJA1040，TJA1040是PCA82C250的替代品，它完全符合ISO 11898标准，具有高速、低功耗、低电磁辐射的优点。RS232电平转换芯片采用MAX3232，它具有低功耗、高数据速率以及增强型ESD保护等特性。采用专有的低压差发送输出级，+3.0 V至+5．5V供电时利用内部双电荷泵保证RS-232性能。工作时，电荷泵仅需要四个100 nF的小电容。SD卡模块采用四线制SPI总线与SD卡相连接。
2．2 CAN从站硬件设计
    从站电路如图3所示，主要有电源模块、STM32模块，CAN收发器模块，PT100模块和从站地址选择模块。
    其中电源模块、STM32模块和CAN收发器模块与CAN主站相同。PT100模块，采用传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2．5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入STM32的AD输入口。从站地址选择模块由8位拨码开关组成，连接到 STM32 I／O的PC6-PC13。

3 系统软件设计
    本系统软件由CAN主站软件、从站软件以及Delphi上位机软件构成。其中CAN主站和从站程序用C语言编写，上位机程序用Obieet Pascal编写。
3．1 CAN主站软件设计
    CAN主站的功能是发送远程帧向从站查询数据、通过AD的转换结果计算芯片内部温度传感器的温度值、接收从站发送的数据帧、发送温度数据到上位机或存储数据到SD卡。CAN主站程序如图4所示。

    写SD卡部分程序流程图如图5所示，SD卡部分主要用到了移植的FATFS文件系统提供的访问FAT卷的应用接口(Application Interface)。主要用到了以下函数：
    ·f_mount-注册／注销一个工作区域
    ·f_open-打开／创建一个文件
    ·f_close-关闭一个文件
    ·f_lseek-移动／写指针，扩展文件大小
    ·f_puts-写字符串
    ·f_printf-写一个格式化字符串
3．2 CAN从站软件设计
    CAN从站的主要功能是通过AD转换器检测PT100电桥的差分输出电压，然后计算得出此节点的温度值，最后通过CAN总线传送给CAN主站。其中只有在 CAN从站收到与自己节点号相同的主站发送的远程帧的时候，从站CAN控制器才发出一个数据帧。CAN从站程序流程图如图6所示。


3．3 Delphi上位机软件设计
    本上位机软件主要实现了五个功能：实时曲线显示当前各从节点的温度；打印实时曲线；将实时曲线保存为图片；将实时曲线的数据保存为TXT文档以及实时温度超过报警值时报警。
    本系统上位机串口通讯控件采用SPCOMM，该控件具有丰富的与串口通信密切相关的属性及事件，支持多线程；提供了对串口的各种操作。图形控件采用TChart，TCharc是Delphi里面一个标准的图形显示控件。它可以静态设计(At Design Time)也可以动态生成。该系统设计采用的版本为TeeChart 7；实时曲线部分流程图如图7所示。上位机程序完成后界面如图8所示。



4 结束语
    本文介绍了基于STM32和CAN总线的温度监控系统的设计，初步实验证明，上述的硬件及软件设计基本达到了设计要求。本系统适用于多节点、远距离的场合，并具有实时性好、可靠性高的特点，具有一定的应用价值。