基于CAN總線的溫度控制系統(tǒng)的研制

1、基于CAN總線的溫度控制系統(tǒng)的研制         摘 要：本文討論了基于CAN總線的通用多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)同時(shí)使用了鉑電阻溫度傳感器Pt100和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，使系統(tǒng)的功能增強(qiáng)，可用于不同范圍、不同場合的溫度測控，實(shí)用性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：溫度測量；控制系統(tǒng)；CAN總線；DS18B20 一、 引言隨著科技的不斷發(fā)展，在溫度檢測領(lǐng)域也發(fā)生了很大的變化。在檢測系統(tǒng)中使用的傳感器過去大多使用熱敏電阻為溫度敏感元件，其特點(diǎn)有：成本低、測溫范圍大、溫度測量準(zhǔn)確度較低；而現(xiàn)在愈來愈多的系統(tǒng)

2、使用數(shù)字溫度傳感器，其特點(diǎn)有：以數(shù)值方式直接輸出溫度值，溫度檢測精度較高，系統(tǒng)可靠性好，但測溫范圍?。ㄒ话?5125C）等。在工業(yè)測控系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級(jí)數(shù)據(jù)傳輸提高工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)效率的有效途徑。現(xiàn)場總線是面向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，它建立在開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型上，是一種工業(yè)環(huán)境中的通信標(biāo)準(zhǔn)?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（Controller Area Network簡稱CAN）作為現(xiàn)場總線之一，以其卓越的特性低廉的價(jià)格，極高的可靠性和靈活的結(jié)構(gòu)，在汽車工業(yè)，機(jī)械工業(yè)、過程工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛， CAN總線已成為國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。本文將研究一種由CAN總線完成測

3、控系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信、結(jié)構(gòu)靈活、通用性好的溫度測控系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，我們同時(shí)使用了鉑電阻溫度傳感器Pt100和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，以適應(yīng)不同場合應(yīng)用需要，并能方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)。二、 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理 （一）、系統(tǒng)構(gòu)成根據(jù)應(yīng)用場合的需要，本溫度測控系統(tǒng)主要完成的功能有：對(duì)熱電偶溫度傳感器Pt100的信號(hào)進(jìn)行檢測；利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20對(duì)溫度的檢測；現(xiàn)場LCD顯示及鍵盤控制功能；上位機(jī)通過CAN總線下位機(jī)通信，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。系統(tǒng)主要由：監(jiān)控、測溫模塊、現(xiàn)場顯示模塊和CAN總線等部分組成，系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖如圖1所示。（二）、各功能模塊的功能及實(shí)現(xiàn)1、監(jiān)控模塊監(jiān)控模

4、塊的主要功能是向各測溫模塊節(jié)點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，接收來自各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)或信息實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、報(bào)警、打印及其它功能。該模塊硬件由微型計(jì)算機(jī)與一塊PCCAN通信卡來實(shí)現(xiàn)。2、測溫模塊溫度測控系統(tǒng)通?？砂舾蓚€(gè)溫度測量模塊（稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)），每個(gè)節(jié)點(diǎn)可測量一個(gè)小范圍內(nèi)的多點(diǎn)溫度。單個(gè)節(jié)點(diǎn)由以下幾個(gè)部分組成：一片帶CAN控制器的單片機(jī)C8051F040、信號(hào)調(diào)整電路、若干個(gè)Pt100和若干個(gè)DS18B20。C8051F040內(nèi)部程序存儲(chǔ)器、SRAM能滿足通常用途程序需要，不需增加額外的存儲(chǔ)器；其內(nèi)部集成了10位A/D轉(zhuǎn)換器、CAN控制器等3，可簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。DS18B20是美國DALLAS公司繼DS1820之后推出

5、的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)。溫度的測量范圍為-55125，測量精度為0.5。傳感器的供電寄生在通信的總線上，可以從一總線通信中的高電乎中取得，這樣可以不需要外部的供電電源。也可直接由外部提供電源，一般在檢測的溫度超過100時(shí)，最好使用外部供電模式，供電的范圍為33.5V。當(dāng)使用總線寄生供電時(shí)，供電端必須接地，同時(shí)總線在空閑的時(shí)候必須保持高電乎，以便對(duì)傳感器充電。每個(gè)DSl8B20溫度傳感器都有個(gè)自己特有的芯片序列號(hào)，我們可以將多個(gè)這樣的溫度傳感器掛接在一根總線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的檢測。所有的DS18B20通過單線與單片

6、機(jī)通信，而其電源有外部提供。DS18B20的接口電路非常簡單、成本低廉。鉑電阻溫度傳感器Pt100其電阻值隨著溫度的變化而變化,為了便于檢測，可將其信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，這里采用外加恒流源將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓盘?hào)。在信號(hào)調(diào)整電路(見圖2)里，為了提高Pt100的測量精度，減少線路的長度對(duì)檢測結(jié)果的影響，對(duì)Pt100采用四線法進(jìn)行采樣信號(hào)，再經(jīng)過差動(dòng)放大電路，這樣可以較好的減少零點(diǎn)漂移，以及減少由于線路過長產(chǎn)生的壓降對(duì)系統(tǒng)的影響。         3、現(xiàn)場顯示模塊此顯示模塊的主要功能有：它能在現(xiàn)場顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)

7、的溫度值和溫度變化曲線，也可以通過鍵盤設(shè)定所要顯示的節(jié)點(diǎn)溫度。它有單獨(dú)的單片機(jī)進(jìn)行處理，與C8051F040通過串行口進(jìn)行通信。它的靈活性大，可以減輕下位機(jī)主控器C8051F040的負(fù)擔(dān)，而且用戶可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行選擇。單一測溫模塊、現(xiàn)場顯示模塊可構(gòu)成一獨(dú)立的溫度測控小系統(tǒng)。4、CAN總線CAN總線是監(jiān)控模塊和各測溫節(jié)點(diǎn)的物理連接,該部分主要是其物理層的設(shè)計(jì)，其電路見圖5。CAN總線遵循ISO的標(biāo)準(zhǔn)模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。在工程上，這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的。這里我們選擇PHILIPS公司的PCA82C250收發(fā)器，它可提高總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力。它與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)

8、完全兼容，有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機(jī)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在CAN控制器（在C8051F040內(nèi)部）引腳CANTX、CANRX和收發(fā)器PCA82C250之間并不是直接相連，而是通過由高速光耦6N137構(gòu)成的隔離電路后與82C250相連，這樣就可以很好的實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。這部分增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，但它卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。80C250與CAN總線接口部分也采用了一些安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)5的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，從而保護(hù)82C250免受過流的沖擊。在CANH和C

9、ANL與地之間各自接一個(gè)30p的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力；另外，在CANH和CANL之間并聯(lián)一個(gè)15V的瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS），可以保護(hù)80C250在瞬間高電壓情況下而不受損壞。82C250的Rs腳上接有一個(gè)斜拉電阻，電阻的大小可根據(jù)總線速率適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，其值一般在16K140K之間，圖3中選用47K。（三）、系統(tǒng)工作原理由圖1可見，監(jiān)控模塊的主要功能是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。它通過CAN總線不斷的向下位機(jī)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，并接收從下位機(jī)傳送過來的溫度等信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)等。用戶可根據(jù)監(jiān)控菜單的提示，選擇需要了解的項(xiàng)目。監(jiān)控模塊還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行

10、記錄、打印，以及對(duì)出現(xiàn)異常情況給予報(bào)警、處理等?，F(xiàn)場顯示模塊同樣可以接收各點(diǎn)的溫度值，并以數(shù)值曲線等形式顯示出來，用戶可以在現(xiàn)場對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行觀察等。三、 軟件設(shè)計(jì)CAN總線上的每一節(jié)點(diǎn)均可以作為主節(jié)點(diǎn)主動(dòng)地與其它節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，徹底解決了主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、其余均為從節(jié)點(diǎn)的潛在危害，CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)（信息幀）可分優(yōu)先級(jí)，這對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)無疑是極為有利的。由于本系統(tǒng)采用了CAN總線構(gòu)成局域網(wǎng)因此程序設(shè)計(jì)具有很大的靈活性。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)將程序分為兩部分：監(jiān)控程序、現(xiàn)場LCD顯示程序和測溫程序。利用微型計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控模塊的主機(jī)，監(jiān)控程序可完成較完備的溫度監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理功能如：特定點(diǎn)溫度的采集和顯示，整個(gè)系統(tǒng)溫度的采集和顯示，溫度越限報(bào)警點(diǎn)的定位等；現(xiàn)場LCD顯示程序主要完成對(duì)信息的接收、處理，并按照一定的規(guī)律將其顯示出來；測溫程序主要完成接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的各種命令，采樣信息等功能。這里給出測溫程序框圖如圖4所示。圖中初始化部分主要包括對(duì)單片機(jī)及其外圍電路的復(fù)位，設(shè)置CAN總線的波特率和設(shè)置CAN控制器的命令寄存器等。程序執(zhí)行部分首先選擇采樣通道，并判斷其終端傳感器的種類，再對(duì)其進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理。