基于CAN总线和VB的环境参数监测系统设计

引言

CAN(ControllerAreaNetwork)总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线，广泛应用于分布式测控系统。环境参数监测系统研究的主要内容是设计一种可远程采集温度、湿度、照度等参数，由参数采集、CAN数据收发、串行通信和上位机等部分组成，参数采集由数字温度传感器、湿度传感器和光敏器件等组成。CAN节点的数据收发使用独立的SJA1000总线控制器，配合CAN接口驱动芯片PCA82C250，实现CAN节点与PC机之间的数据传输。

1系统总体设计

以CAN总线为通信载体的环境监控系统设计方案中，系统上位机采用资源丰富的PC机，通过CAN主节点实现对远端CAN节点的管理。系统中的远端CAN节点具有现场数据采集、控制及CAN总线通信功能，通过CAN总线与监控现场和其他测控节点传送状态和各种参数，并接收上位机的命令和数据来调整和改变控制状态，CAN总线系统的组成结构如图1所示。

2监控节点的硬件设计

2.1CAN总线节点的组成

从系统设计成本及抗干扰能力出发，CAN节点的控制芯片采用宏晶公司的1T单片机STC12C5A60S2，具有增强型8051内核，高速、抗干扰、低功耗和在线编程等优势，CAN节点组成如图2所示[4]。远端CAN节点完成数字温度采集、照度的模拟采集、湿度的频率捕捉以及CAN通信，主节点还具有与上位PC机通信的功能。

2.2CAN现场总线

CAN总线遵从ISO/OSI模型，分为3层：物理层、数据链路层与应用层，每一层与另一设备上相同的那一层通信。实际的通信发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案[5]。CAN能够使用多种物理介质，其中最常用的是双绞线，信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也叫“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H为3.5V、CAN_L为1.5V。

2.3基于SJA1000的CAN总线接口

SJA1000是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器E具有完成CAN通信协议所要求的全部特性，经过简单总线连接的SJA1000完成CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能，其软硬件设计和PCA82C200的基本CAN模式(BasicCAN)兼容，同时新增加的增强CAN模式(PeliCAN)支持CAN2.0B协议。SJA1000主要功能由接口管理逻辑、发送缓冲器、接收缓冲器、接收滤波器、位流处理器、位定时逻辑、错误管理逻辑等控制模块组成。

本设计是基于SJA1000的CAN总线接口模块，采用STC12C5A60S2单片机作为处理核心，PCA82C250作为CAN总线驱动器，整个模块具有较好的通用性及可扩展性，电路如图3所示。单片机现场采集的数据通过总线控制器SJA1000送给驱动器PCA82C250驱动CAN总线实现数据通信。

3环境参数采集电路设计

环境参数采集部分需要完成温度、湿度和照度等信号采集，由于传感器类型和成本不同，温度采用数字式单总线传感器DS18B20,对于湿度和照度的采集分别采用模拟的HS1101和2DU10传感器，通过A/D转换为数字信号。

3.1温度采集

DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的单总线器件组成测温系统，具有线路简单、使用方便的特点。由于DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输。而对单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，必须采用软件的方法模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问，通过严格的通信协议保证各位数据传输的正确性和完整性。而每一次命令和数据的传输都是从主机启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据,在进行写命令后，主机启动读时序完成数据接收，数据和命令的传输都是低位在先，接口电路如图4(a)所示。

3.2湿度采集

湿度采集使用HS1101传感器，属于电容式湿度传感器,专利的固态聚合物结构，其工作机理是当电极间的感湿材料吸附环境中的水分时，介电常数随之变化，等效电容C与环境中水蒸汽的关系表示为：

其中ε0是真空介电常数、、是感湿材料的介电常数、s是电容式传感器有效面积、d为感湿膜厚度。在环境湿度检测中，利用HS1101湿度传感器的等效电容与湿度的关系组成振荡器，将湿度与电容的关系转化为湿度与频率的关系，图4(b)所示是由HS1101组成典型的555非稳态多谐振荡器电路,HS1101作为电容变量接在555的TR与TH两引脚上，电阻R1、R2确定后，电路的振荡频率主要由HS1101的等效电容即湿度大小决定，通过频率的测量即达到检测湿度的目的。

3.3照度采集

照度采集使用2DU10硅光电池传感器，其应用范围0.4〜1.1um,峰值波长在0.85um附近，适合在很宽的范围内使用。2DU10的光照特性决定了其短路电流I与光强JQ)成线性关系，短路电流I满足如下关系：

其中状人)为人射光的单色能流密度，,为等效转换率，在有效范围内可认为n不变。2DU10硅光电池传感器将环境光强对应的短路电流经i/u转换得到电压信号u如下：

输出电压u经运算放大器LM358_2A放大后送入A/D转换电路得到数字与照度的关系，其电路工作原理如图4(c)所示。

图4环境参数采集电路

4系统软件设计

SJA1000应用程序设计

CAN总线建立通信的过程包括系统上电和正常运行两个阶段。在系统上电阶段，首先要对STC12C5A60S2进行初始化设置，其次需要根据模式的选择对SJA1000的接收滤波、位定时逻辑等参数进行设置；在正常运行阶段，要准备待发送的报文，同时完成报文的接收并对发生的错误进行处理［7］。

可见，SJA1000的应用程序被分为SJA1000初始化程序、报文发送程序和报文接收程序。

SJA1000初始化程序

单片机STC12C5A60S2在上电后首先运行其自身的复位程序，并在此后调用SJA1000的配置程序。配置程序在设置SJA1000的寄存器前，必须通过读复位模式/请求标志来检查SJA1000是否已处于复位模式，因为要写入配置信息的寄存器仅在复位模式下进行。在复位模式下，单片机STC12C5A60S2需要配置SJA1000的控制段寄存器、模式寄存器、时钟分频寄存器、验收码寄存器和验收屏蔽寄存器、总线定时寄存器以及输出控制寄存器。根据分析,SJA1000的初始化程序如下:

〃****SJA1000初始化

SJAEntryResetMode()；

//sja1000进入复位模式

REG_CAN_CDR=0x88；

//时钟分频；CDR.3=1时时钟关闭；

CDR.7=0时basicCAN；CDR.7=1时PeliCAN

SJASetBandRateStandard(ByteRate_100k)；

//16M晶振，波特率设置

REG_CAN_IER=0x01；

//.1=0--关闭发送中断使能

REG_CAN_OCR=0xaa；

//配置输出控制寄存器

REG_CAN_CMR=0x04；//命令寄存器；释放接收缓冲器

SJASetAccCode(0x33,0x44，0x55,0x55)；

//滤波

SJASetAccMask(0xff,0xff,0xff，0xff)；

//屏蔽码设置

SJAQuitResetMode()；

//退出复位模式

SJA1000报文发送程序

采用SJA1000的中断请求控制报文的发送时，必须开放SJA1000的发送中断使能和单片机STC12C5A56S2的外部中断0,并设定SJA1000发送中断的优先级高于启动发送。报文的发送过程分为两个部分，一部分由STC12C5A56S2的主程序完成，另外一部分由SJA1000的发送中断服务程序完成,这两部分程序的流程图如图5(a)、(b)所示。

SJA1000报文接收程序

根据CAN协议规范，报文的接收由CAN控制器SJA1000独立完成，收到的报文放在接收缓冲器内，同时将状态寄存器的接收缓冲器状态标志RBS和接收中断标志RI置位。如果报文接收被使能，单片机将接收缓冲器内的新报文读出，并存储到单片机的内存单元或外部数据存储器中，然后释放接收缓冲器。本设计采用中断请求SJA1000的控制段状态标志来控制，通过SJA1000中断控制报文接收的程序流程图如图5(c)所示

(a)报文发送主程序(b)发送中断子程序(c)中断接收子程序

图5SJA1000报文发送和接收程序流程图

4.2PC机监视界面设计

VisualBasic是Microsoft公司推出的Windows编程工具，亦是最经典的可视化编程语言。本设计釆用VB标准模块中的MSComm串口通信控件[8],完成CAN节点数据接收、分析并显示，包括通信端口选择、串行通信参数设置、串口控制以及数据显示区等，本系统上位PC机监视界面如图6所示。

5结语

系统调试过程中按照模块到系统的测试方法循序渐进。首先调试数据采集模块，通过串口调试助手查看温湿度的参数采集；然后调试CAN通信，通过数据传输测试CAN控制器以及CAN收发器工作状况；最后联调两部分和串口通信。

图6上位PC机监视界面

在调试过程中，各节点能够与上位PC机传送数据，并接受来自上位机的命令，运行可靠。结果表明：系统检测可靠、操作简单、人机界面友好，可达到设计的目标。

20211117_6194f6db34c70__基于CAN总线和VB的环境参数监测系统设计