参考基于can总线（controller area network）jpeg图像远程传输（论文）

西安石油大学本科毕业设计（论文） 基于CAN总线的JPG图像远程传输系统及软件设计摘 要：随着计算机网络技术和芯片技术的发展，控制芯片的性能大大提高，其成本不断降低，以现场总线为代表的控制网络也在工业及其他控制系统中扮演着不可缺少的角色。而在石油开采过程中，由于仪器与井壁之间发生碰撞有可能导致仪器部件掉落井内，这就需要高精度的设备进行打捞，本系统就是基于这个目的设计的。本文结合实际石油开采现场的需要，提出了下位机以摄像头为核心，以CAN总线技术为数据传输方式，上位机采用VB编写的控制界面。在设计中主要开发了数据采集模块，CAN总线通讯模块软、硬件，编写了上位机CAN总线通讯控制程序，并针对现场的干扰因素设计了防干扰措施，实现了综合测井的整体功能。本系统的主要功能是实现井下图像的采集，进而实现井下异物的打捞。关键词：CAN总线；图像传输；井下打捞JPG images of remote transmission based on CAN bus and software designAbstract：With the development of computer network technology and chip technology, control chip performance is greatly improved, its costs coming down, represented by the field bus control network in industrial and other control system also plays an indispensable role. But in the process of oil exploration，due to the collision between instruments and wall may cause parts fall well within the instrument，which requires high precision equipment for salvage. This system is designed based on this purpose In this paper, combined with the actual oil field; lower machine with camera as the core was put forward, with CAN bus technology for the data transmission mode, PC using VB control interface. In the main development in the design of data acquisition module, CAN bus communication module software and hardware, wrote the upper machine CAN bus communication control program, according to the interference factors of site design anti-interference measures, to realize the whole function of comprehensive logging. The main function of this system is to realize the image acquisition, so as to realize the underground foreign salvage.Key words: CAN-bus; data transmission; downhole fishing目 录第一章 绪论11.1 本课题研究背景和意义11.2 CAN总线发展概况11.3 图像传输的技术发展21.4 CAN总线技术简介21.5 本论文的主要研究内容3第二章 系统功能分析及总体设计52.1 系统功能分析52.2 方案比较62.3 方案验证72.4 系统总体构成设计9第三章 CAN总线通信原理103.1名词解释103.2 数据帧103.3 报文传输103.4 错误检测113.5 CAN总线结构构成12第四章 CAN控制器的硬件实现134.1 CSM100芯片介绍134.1.1 CSM100模块结构134.1.2 CSM100引脚定义134.1.3 CSM100与MCU接口电路144.1.4 CSM100网络连接144.2 CP2102芯片介绍154.2.1 CP2102极限参数154.2.2 CP2102的引脚定义164.2.3 USB功能控制器和收发器164.2.4 异步串行数据总线接口164.2.5 EEPROM174.2.6 虚拟COM口器件驱动程序174.2.7 CP2102的电压调节器174.3 摄像头介绍184.3.1摄像头的主要结构和组件184.3.2 摄像头分辨率194.3.3 摄像头工作原理194.3.4 图像压缩方式194.4 摄像头的控制194.5 电路设计204.6 电路的连接23第五章 CAN控制器的软件实现24第六章 结 论25致 谢27参考文献28附 录2930第一章 绪论1.1 本课题研究背景和意义中国石油工业是在新中国成立后开始起步的，由于国民经济的快速增长和对环境保护要求的提高，对石油天然气的需求逐步加大，我国面临的能源安全问题非常严重。基于石油行业测井系统的研究和提高石油的开采能力已经成为我国经济发展的一个重大问题，如何使得石油开采实现智能化、信息化和精确化也成为了一个重要课题，这就要求有一整套更为有效的手段，通过计算机系统对石油行业的各项数据进行整合、分析、进而对决策提供一定的支持。本课题研究的背景是基于石油钻井时，经常有异物或是仪器零部件掉落到井内，给钻井的施工作业带来不便。基于这种实际情况，我就考虑能不能设计一种小型仪器，能够深入到几千米下的井内，查清异物掉落的具体位置，然后实施打捞作业。于是，我就构思了这个基于CAN总线的JPG图像远程传输的系统。系统采用分布式总线型模块化体系结构，大大提高了系统的可靠性；总线型连接，结构简单节约电缆；系统小型化，安装连接快速高效；模块化设计，提高数据采集系统的处理速度和开放性，系统扩充方便快捷，降低维护工作量，从而提高了综合测井仪器的整体性能，科技含量。1.2 CAN总线发展概况（1） 20世纪80年代，Bosch的工程人员开始研究用于汽车的串行总线系统，因为当时还没有一个网络协议能完全满足汽车工程的要求。参加研究的还有Mercedes-Benz公司、Intel公司，还有德国两所大学的教授。（2） 1986年， Bosch在SAE（汽车工程人员协会）大会上提出了CAN。（3） 1987年，INTEL就推出了第一片CAN控制芯片82526；随后Philips半导体推出了82C200。（4） 1993年，CAN的国际标准ISO11898公布，从此CAN 协议被广泛的用于各类自动化控制领域。（5） 1994年开始有了国际CAN学术年会（ICC）。（6） 1994年美国汽车工程师协会以CAN为基础制定了SAEJ1939标准，用于卡车和巴士控制和通信网络。（7） 到今天，几乎每一辆欧洲生产的轿车上都有CAN；高级客车上有两套CAN，通过网关互联；1999年一年就有近6千万个CAN控制器投入使用；2000年销售1亿多CAN的芯片；2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个 。1.3 图像传输的技术发展图像可以定义为景物在某各介质上的再现，例如图片、电影、传真、电视等介质都 可以使人们获得图像信息。把图像信息传送到远方或是存储图像信息的过程，统称为图像传输。图像传输技术包括信源处理和信道处理两个过程。信源处理的主要内容，是在保证图像有要求的质量前提下压缩图像信息的传送量，使它适应传输信道的频带宽度和传送 速率。信道处理则是保证图像信息在信道中传送而不受外界干扰，或使干扰在容许的范围之内，使接收的图像信息达到规定的质量要求。图像传输技术有模拟传输和数字传输两种方式。模拟图像压缩与数字图像压缩对比起来，数字图像的压缩比较容易，而且压缩比例大。随着数字技术、计算机技术和大规模集成电路的迅猛发展，近些年来，数字图像压缩编码技术取得了很大进展。图像的数字传输除了便于压缩编码处理外，还具有抗干扰性强、易于加密等一系列重要的优点。因此，现在除了某些近距离的图像传输，例如有线电视、范围不大的内部 图像通信系统等仍然是模拟方式传输外，大部分图像传输已都采用数字传输方式了。1.4 CAN总线技术简介CAN（Controller Area Network）总线属于现场总线的一种，是一种简化型网络结构，为了有别于LAN故称为控制器局域网。CAN总线是德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。尽管CAN最初是为汽车电子系统设计的，但由于它在技术与性价比方面的独特优势，在航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等领域得到了广泛应用。在火车、轮船、机器人、楼宇自控、医疗器械、数控机床、智能传感器、过程自动化仪表等自控设备和现场总线系统中，都有CAN总线技术的身影。CAN总线广泛的应用与其良好的性能密切相关，其特点如下：（1） CAN总线可实现全分布式多机系统，且无主、从之分，网络上任意一个节点均可在任意时刻，主动的向其它节点发送信息，通讯方式灵活，利用这一特点，可以方便的构成多机备份系统。（2） CAN总线采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络发送消息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可以不受影响的继续发送信息，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。（3） CAN总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点几全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。（4） CAN总线的直接通信距离最远可达10Km（速率5Kbps）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。（5） CAN总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。（6） CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。（7） CAN总线具有超高的性价比。它的结构简单，器件容易购置，每个节点的价格低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。1.5 本论文的主要研究内容 基于CAN总线的图像传输系统分为数据采集和中心数据监控软件两个部分。数据采集部分具体分为：现场环境参数采集、传输节点；中心数据监控部分具体分为：中心数据处理，监控节点。在完成这两部分功能的基础上，扩展中心节点的应用范围。本论文完成的工作主要包括以下几个方面：（1） 完成CAN总线通信模块软、硬件设计，主节点摄像头CAN、CAN上位机通信接口设计，制定了CAN总线应用层协议。（2） 针对现场干扰，在系统中设计了相应的抗干扰措施，保证了整套系统在测井现场可靠、稳定运行。（3） 完成CAN总线各个功能节点的调试，对整个数据采集系统软、硬件电路进行调试，实现各个节点数据精确采集、传输。本人所做的工作主要是传输节点的设计、中心节点数据接收。本论文的章节如下：第1章 ：绪论首先简要介绍了基于CAN总线图像远程传输系统的研究背景、研究意义和发展历程，然后对本论文的结构和内容进行了规划。第2章 ：系统功能分析及总体设计主要介绍了方案对比和方案验证第3章 ：CAN总线传输图像的原理主要介绍了CAN总线的工作原理，数据传输的原理第4章 ：CAN总线模块的设计和硬件的实现主要介绍了基于CAN总线的图像远程传输系统的硬件设计，首先介绍了芯片的选用，芯片的介绍，然后介绍了芯片的使用方法以及设计电路时用到的软件，最后介绍了设计完成的电路系统。第5章 ：上位机的设计主要介绍了上位机的开发环境，VB6.0的开发流程。第6章 ：结论回顾了本文的架构和内容，对主要内容进行了归纳总结。第二章 系统功能分析及总体设计 CAN总线型测井系统采用分布式总线型体系结构，大大提高了系统的可靠性和系统的稳定性；总线型结构连接简单、安装连接快速高效、系统扩充方便快捷、降低维护工作量，适用于各种测井现场。2.1 系统功能分析本系统对摄像头的要求不是很高。本系统的目的是能够看清异物所在位置即可，主要任务是确定异物位置，打捞异物。由于井下深度较深，所以必须选用能够远距离传输图像的总线CAN总线。其实要想实现图像的远距离传输，不止CAN总线可以，也可以使用电缆传输。电缆（electric cable） 通常是由几根或几组导线每组至少两根绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层。电缆有很多优点，比如连续长度长，极限长度可达2000m，燃烧时无烟无毒，电缆不仅截面流量大,而且具有较大的过载能力，耐腐蚀，无电磁干扰，使用寿命长等等。电缆根据用途的不同可分为：电力电缆、控制电缆、补偿电缆、屏蔽电缆、高温电缆、计算机电缆、信号电缆、同轴电缆、耐火电缆、船用电缆等等。它们都是由多股导线组成，用来连接电路、电器等。一般视频信号的传输都采用同轴电缆。同轴电缆是由两个同轴布置的倒导体组成，传输的信号完全封闭在外导体内部，从而具有高频损耗低、屏蔽及抗干扰能力强、使用频带宽等显著特点。同轴电缆屏蔽层铜网能屏蔽电磁干扰或EMI的无用外部信号干扰，编织层中绞合线的多少和含铜量决定了其抗干扰的能力。编织层松散的商业电缆能屏蔽80%干扰信号，适合于电气干扰较低的场合，如果使用金属管道效果更好。高干扰的场合要使用高屏蔽或高编织密度的电缆。铝箔屏蔽或包箔材料的电缆不适用于电视监控系统，但可用于发射无线电频率信号。同轴电缆越细越长，损耗越大，信号频率越高，损耗越大。基带传输的一个缺点就是抗干扰能力差，同轴电缆的屏蔽层对频率越低的电磁波的屏蔽作用越差，因此易受到广播干扰和低频电磁波的干扰。还有阻抗失配，传输距离过长、损耗过大、电缆质量不高、大功率可控硅设备使用造成电源不洁净等原因造成的干扰。本系统本身就是一个简单的远程JPG传输方案，打捞井下异物必须要深入到地下几千米的地方，电磁干扰相当严重，此外，用电缆传输还要有发送器，还要有电缆保护层，装备太过复杂，所以电缆传输的方案就被排除了。因此，作者就选用了CAN总线来传输JPEG图像。总之，CAN总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。将CAN总线应用于测井数据采集系统中，将减少测井数据采集系统的实际成本，减轻现场布线的困难，保证即使在野外恶劣的环境下运行，也能高速、灵活、可靠地进行实时数据传输。2.2 方案比较方案一：要解决井下采集图像并远程传输，首先可以运用单片机去读取图像，压缩图像，然后进行传输，然后到上位机那块儿时，再进行解调，最后运用硬件去检查误码率，最后才能显示在屏幕上。为此，我还设计了单片机控制CAN总线系统，设计了CAN总线控制器SJA1000，收发器TJA1050。在图像传输系统中，单片机通过两片SJA1000来实现和摄像头之间的通讯。CAN总线接收到摄像头传入的数据帧后，根据规定的格式对数据帧进行解析后生成相应的控制信号传给单片机的相应模块。单片机C8051CAN控制器SJA1000CAN接收器TJA1050CAN LCAN H图2-1 方案一构想图方案二：这个方案相对于方案一就简单得多。只需要一个CAN转串口模块，CAN转USB模块，即可实现主要功能。大致思路如下：上位机给摄像头发送采集命令，由摄像头采集完数据后，经CAN转串口模块将数据转换到CAN总线进行传输，在上位机前段再接一个CAN转USB模块，直接将传过来的数据保存至上位机，同时进行显示。虽然思路简单，但大致能够完成主要功能。而且系统简单，设计不复杂。需要自己设计的只有一个CAN转串口模块，CAN转USB模块，摄像头市场可以买到，大大缩短了研发周期。摄像头CAN TO UARTUART TO CANUART TO USBPC图2-2 方案二构想图综合多方面考虑，我选择了第二种方案。2.3 方案验证（1） 验证摄像头方案能不能实现，摄像头好坏很关键。对此，作者首先验证摄像头的工作性能。摄像头使用前需要配置。配制方法如下：首先给电脑安装CP2102的驱动，然后配置串口号（摄像头采用串口），右击“我的电脑”，单击“属性”，再“硬件”，再“设备管理器”，再“端口”，即可看到摄像头占用的是哪个COM口。比如说是COM2口，则在串口号设置中选中COM2。其次，串口波特率设置，这个一般设为115200，固定的。所有设定好以后，点击打开串口。界面右边可以设置图片的压缩质量，有高、中、低三个等级可选，一般选高，虽然图片体积有点大。分辨率、数据包长度可以不用设置，默认即可。所有参数设置好后，线连接好后，就可以采集图像了，点击界面右边的开始抓图，采集到的图像如上图所示。图2-3 摄像头采集数据（2） 验证CP2102验证CP2102方法：首先给电脑安装CP2102驱动程序，网上可以下载，32位和64位有区别。然后将CP2102的RX与TX短接，然后将D+、D-、VDD、GND连接到电脑的USB端口。点击“我的电脑”、“属性”、“硬件”、“设备管理器”、“端口”，查看串口设备是哪个COM口，比如说是COM3。启用串口调试器2002，点击“选择串口”，然后再点击“打开串口”，手册上说波特率最大可为921600，作者选的是115200，在发送字符栏里输入“12345678”，点击“手工发送”，于是在“接收字符”栏里就出现了“12345678”。证明CP2102能够实现串口功能，能够实现串口转USB功能。图2-4 测试CP2102（3） 验证CSM100CSM100测试前需对芯片进行配置，将两个模块的波特率设置为相同参数，量模块才能进行相互通信。配置软件为CSM100CFG。图2-5 配置CSM100参数配置方法：将CAN转串口模块连接至电脑后该软件会自动检测出连接端口，比如COM3口，然后点击连接设备，在转换参数这一栏转换模式可选为透明转换，转换方向为双向，但一定要注意，当配置CAN转USB模块时，两模块的选项配置一定要相同。串口参数这一栏可设置波特率，一般设为115200，CAN参数这一栏的波特率为250K，帧类型为标准帧，其它选项不用设置，默认值即可。切记，两模块的参数设置一定要相同。完了后，点击写入配置，即可完成模块的配置。然后开始两台电脑之间的通信。将两个CAN转UART测试板分别连接一台电脑，打开串口调试助手，用一台电脑给另一台发数据，实验证明，两块测试板之间能够完成通信。实验现象如图：图2-6 两台计算机实现CAN通信2.4 系统总体构成设计基于CAN总线的JPG图像远程传输主要由摄像头、串口转CAN模块和监控数据计算机及其外围设备等组成。基于CAN总线的JPG图像远程传输系统总体框图如下所示：摄像头UART TO CANCAN TO USB 井下遥传PC图2-7 基于CAN总线的JPG图像远程传输总体框图本系统从功能上主要分为数据采集传输部分、中心数据监控部分。分别负责信号的采集传输和采集数据的处理监控。（1） 数据采集部分：完成传感器信号从物理信号到模拟信号的转换和模拟信号调理及完成数字化，通过CAN总线方式传送到上位机。（2） 中心数据监控部分：完成现场节点的数据采集、信号处理、历史数据存储、实时显示、现场打印等功能。第三章 CAN总线通信原理3.1 名词解释（1） 报文（Messages）：它是网络交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发行的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。（2） 位速率（Bit Rate）：不同的系统，CAN的速率不同。可是，在给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。位速率一般是通过上电复位由CAN控制。（3） 仲裁（Arbitration）：只要总线空闲，任何单元都可以发送报文。如果两个或两个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保信息和时间均不会损失。当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是隐性电平而监控视到为显性电平时，那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。（4） 错误检测（Error Detection）：为了检测错误，必须采取以下措施：a.监视（发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较）；b.循环冗余检查；c.位填充；d.报文格式检查。3.2 数据帧数据帧由七个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结尾。图3-1 CAN总线的数据帧结构3.3 报文传输CAN网的MAC层采用CSMA/CD的非破坏性仲裁技术。在CAN总线的位中，逻辑”0“被称为显性位，逻辑”1“被称为隐性位。CAN采用总线拓扑结构，各节点发送电路的端口用集电极开路门实现，因此可实现线与。图3-2 总线数值表示在总线上当显性位和隐性位进行线与时，其结果隐性位被称为冲突，在竞争中退出。非破坏性优先权逐位仲裁规则为：（1） 预发帧的字节当总线在空闲时同时发送帧且同步于SOF的上升沿；（2） 各帧的标识字段在总线同时相遇时，借助总线使标识字段逐位线与，根据其结果进行冲突仲裁；（3） 如果发送结果没有检测到冲突，则继续发送下一位；（4） 如果发送节点检测到冲突，则立即中断，不再继续后面位的传送；（5） 各标识字段逐位线与结束后，未检测到冲突的字节便获得优先发送权，可以发送数据帧后面的各字段；若检测到冲突的节点，则不能发送后面的数据字段，而等待下一次发送。图3-3 标识符的逐位仲裁报文校验发送器接收器 编码图3-4 报文发送流程图3.4 错误检测CAN总线的报文传输常见有五种错误类型，且这五种错误不会相互排斥：（1）位错误；（2）填充错误；（3）CRC错误；（4）形式错误；（5）应答错误。3.5 CAN总线结构构成CAN总线协议具有两个国际标准，分别是ISO11898和ISO11595。其中，ISO11898是通信速率为125kbps1Mbps的高速CAN通信标准，属于闭环总线，最大长度为40m/1Mbps。ISO11519定义了通信速率为10125kbps的低速CAN通信标准，属于开环总线，最大长度为1km/40kbps。由于CAN报文采用短帧结构，并且每帧均包含CRC校验部分，保证了数据出错率极低。CAN总线在工程应用中结构如图所示：图3-5 CAN总线系统分层结构对于传输介质层，需要根据环境干扰噪声、总线长度等来确定。在强干扰噪声的情况下必须采用屏蔽线；由于分布电容造成的总线波形失真及分布电阻造成的总线电平的衰弱，总线长度需要考虑采用的传输介质的分布电阻和分布电容特性；同时，若采用高速总线还需要通过实验确定总线的匹配电阻值。第四章 CAN控制器的硬件实现CAN即控制器局域网，属于工业现场总线的范畴。与其他的现场总线相比，CAN总线具有通信速率高、容易实现且性价比高等诸多特点。CAN总线的数据通信所具有的可靠性、实用性和灵活性等特点使其越来越受到人们的重视，其应用范围也从最初的汽车行业逐步向自动化控制、航空航天、机器人、医疗器械、数控机床及传感器等领域发展。本章首先介绍了CAN控制模块的结构，然后说明了本系统中CAN总线传输数据的基本原理，最后详细介绍了基于CSM100的独立CAN控制模块的设计与硬件实现方法，并进行了性能分析。CAN控制模块主芯片采用CSM100、CP2102，CSM100主要功能是实现UART和CAN之间的透明转换，CP2102主要功能是将串口转换为USB。4.1 CSM100芯片介绍CSM100嵌入式CAN转UART模块采用全密封的灌封工艺，内部集成完全电气隔离的CAN-bus接口电路，具有很强的抗干扰能力，同时可防潮、防震动，大大提高了系统在恶劣环境中实用的可靠性。4.1.1 CSM100模块结构CSM100模块的主要功能是实现UART和CAN之间的透明转换，用户可以不深入了解CAN-bus的相关知识，利用此芯片操作CAN-bus就如同操作UART一样方便。图4-1 CSM100模块功能框图4.1.2 CSM100引脚定义CSM100的RES引脚不需要连接，电路连接时保持悬空；GND引脚有两个，可任选一个连接或全部链接；当配置引脚（CFG）接地，重新上电时CSM100进入配置模式，可用CSM100CFG软件通过串口配置CSM100的串口波特率，CAN波特率，转换模式等参数。表4-1 CSM100 引脚定义序号名称引脚定义1Vin+5输入2GND电源地3NC-4TXDUART数据发送端5RXDUART数据接收端6GND电源地7-10NC无引脚引出11CANLCANL信号连接端12CANHCANH信号连接端13-18NC无引脚引出19-23RES保留引脚24CFG配置引脚4.1.3 CSM100与MCU接口电路使用CSM100模块时，必须将CSM100模块加入到用户的电路板中，如图为MCU与CSM100接口芯片的连接原理图：图4-2 CSM100 MCU接口电路4.1.4 CSM100网络连接CSM100模块实现UART数据与CAN-bus总线数据的双向透明转换，CSM100T则实现UART数据与CAN-bus总线数据的双向自定义转换。如图所示为CAN-bus网络的连接示意图。两个设备的CAN_H与CAN_H相连，CAN_L与CAN_L相连。CAN-bus网络的终端结点需要安装120欧姆的终端电阻。图4-3 CSM100网络连接示意图4.2 CP2102芯片介绍CP2102是一种高度集成的USB转UART桥接器，提供一个使用最小化的元件和PCB空间实现RS232转USB的简便的解决方案。该芯片包含了一个USB2.0全速功能控制器，USB收发器，振荡器和带有全部的调制解调器控制信号的异步串行数据总线，全部功能集成在一个5mm5mm MIP-28封装的IC中。无需其他的外部USB元件。图4-4 CP2102示例电路框图4.2.1 CP2102极限参数超过CP2102的极限参数可能会造成对器件的损坏。长时间在最大允许值或超过最大允许值的条件下工作可能影响器件的可靠性。表4-2 CP2102极限参数参数最小值典型值最大值单位环境温度-55125储存温度-65150任何I/O引脚或/RST的对地电压-0.35.8VVDD引脚的对地电压-0.34.2V流过VDD和GND的最大总电流500m AI/O引脚的最大输出灌电流100m A4.2.2 CP2102的引脚定义表4-3 CP2102 引脚定义引脚名称引脚号类型说明VDD6电源输入电源输出2.7-3.6V电源电压输入，3.3V电压调节器输出GND3接地/RST9数字I/O器件复位。内部端口或VDD监视器的漏极开路输出。一个外部源可以通过该引脚驱动为低电平至少15uS启动一次系统复位。REGIN7电源输入5V调节器输入。此引脚为片内电压调节器的输入VBUS8数字输入VBUS感知输入。此引脚为片内电压调节器的输入D+4数字I/OUSB D+D-5数字I/OUSB D-TXD26数字输出UART发送RXD25数字输入UART接收CTS23数字输入清楚发送控制输入（低电平有效）RTS24数字输出准备发送控制输出（低电平有效）DSR27数字输入数据设置准备好控制输出（低电平有效）DTR28数字输出数据终端准备好控制输出（低电平有效）DCD1数字输入数据传输检测控制输入（低电平有效）RI2数字输入振铃指示器控制输入（低电平有效）SUSPEND12数字输出当CP2102进入USB挂起状态时，该引脚被驱动为高电平/SUSPEND11数字输出当CP2102进入USB挂起状态时，该引脚被驱动为低电平NC10,13-22这些引脚应为未连接或连接到VDD引脚4.2.3 USB功能控制器和收发器CP2102的USB功能控制器是一个符合USB2.0的全速器件，并集成了收发器和片内相应的上拉电阻。USB功能控制器管理USB和UART间所有的数据传输以及由USB主控制器发出的请求用于控制UART功能的命令。4.2.4 异步串行数据总线接口CP2102接口包括TX（发送）和RX（接收）数据信号以及RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI控制信号。UART支持RTS/CTS，DSR/DTR和X-On/X-Off握手。可以通过编程使UART支持各种数据格式和波特率。UART的数据格式和波特率的编程是在PC的COM口配置期间进行的。表4-4 CP2102支持的UART 波特率数据位8停止位1校验位无校验，偶校验，奇校验波特率300,600,1200,1800,2400,4800,7200,9600,14400,19200，28800,38400,56000,115200,12800,230400,460800,9216004.2.5 EEPROMCP2102内部集成了一个EEPROM，可以用于存储由设备原始制造商定义的USB供应商ID、产品ID、产品说明、电源参数、器件版本号和器件序列号等信息。USB配置数据的定义是可选的。如果EEPROM没有被OEM数据占用，则采用图4.9所示的默认配置数据。内部的EEPROM是通过USB进行编程的，这允许OEM的USB配置数据和序列号可以在制造和测试时直接写入到系统板上的CP2102中。EEPROM的写寿命的典型值为100000次，数据保持时间为100年。表4-5 CP2102默认的USB配置数据名称值发行商ID10C4h产品IDEA60h电源参数（属性）80h电源参数（最大功率）0Fh版本号0100h序列号001（最多123字符）产品说明“CP2102 USB转UART桥控制器”4.2.6 虚拟COM口器件驱动程序CP2102的虚拟COM口（VCP）器件驱动程序允许一个基于CP2102的器件以PC机的应用软件的形式作为一个增加的COM口（独立于任何现有的硬件COM口）使用。运行在PC机上的应用软件以访问一个标准的硬件COM口的方式访问基于CP2102的器件。但PC与CP2102器件间的数据传输却是通过USB完成的。因此，无需修改现有的COM口应用就可以实现通过USB向基于CP2102的器件传输数据。4.2.7 CP2102的电压调节器CP2102是一个可以由USB总线驱动的器件，电源由USB的VBUS信号提供。它包括一个用于实现此功能的片内5V转3V电压调节器。电压调节器的3V输出被引出到VDD引脚，使得外部的3V器件可以由USB供电。CP2102的VBUS和REGIN引脚都应该总是被连接到USB的VBUS信号上。表4-6 电压调节器电气特性参数条件最小值典型值最大值单位输入电压范围4.05.25V输出电压输出电流=1至100mA3.03.33.6VVBUS检测输入阀值1.01.84.0V偏置电流90待定u V4.3 摄像头介绍摄像头可分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主，市场上可见的大部分都是这种产品。除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但还不是主流。由于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高，而且不能满足BSV液晶拼接屏接口等原因，USB接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此市场以USB接口的数字摄像头为主流。图4-5 a 数字摄像头图4-5 b 模拟摄像头4.3.1 摄像头的主要结构和组件（1） 镜头（LENS） 透镜结构，由几片透镜组成,有塑胶透镜（Plastic）或玻璃透镜（Glass）。 （2） 图像传感器 可以分为两类：a. CCD（charge couple device） ：电荷耦合器件 b. CMOS（complementary metal oxide semiconductor）：互补金属氧化物半导体（3） DSP厂商介绍 DSP生产厂商较多，市面上较为流行的有： VIMICRO（中星微）301P/L、SONIX（松瀚）102/120/128、ST（罗技LOGITECH的DSP提供商）、SUNPLUS（SUN+重点发展单芯片的CIF和VGA，但图像质量一般）、PIXART（原相）PAC207单芯片CIF、SQ（倚强）SQ930C等。（4） 电源摄像头内部需要两种工作电压：3.3V和2.5V，最新工艺芯片有用到1.8V。4.3.2 摄像头分辨率在实际应用中，摄像头的像素越高，拍摄出来的图像品质就越好，但另一方面也并不是像素越高越好，对于同一画面，像素越高的产品它的解析图像的能力也越强，但相对它记录的数据量也会大得多，所以对存储设备的要求也就高得多。如果将摄像头用于网络聊天或者视频会议，那么分辨率越高则需要的网络带宽就越大。因此消费者在这方面应该注意，应根据自己的需要选择一款像素适合自己的产品。4.3.3 摄像头工作原理摄像头的工作原理大致为：景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D(模数转换)转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。4.3.4 图像压缩方式JPG：(joint photo graphic expert group)静态图像压缩方式。一种有损图像的压缩方式。压缩比越大，图像质量也就越差。当图像精度要求不高存储空间有限时，可以选择这种格式。大部分数码相机都使用JPG格式。4.4 摄像头的控制本摄像头具有上电休眠功能，即上电时只有通讯接口和图片存储器部分工作，耗电较多的图像处理部分处于休眠状态，在休眠模式下该模块只有十几毫安。向摄像头发出拍照命令前应唤醒然后再发送拍照命令，图像处理部分开始正常工作。正常工作后，除非接收到休眠命令，否则摄像头不会自动进入休眠状态。在异步串行接口中（在本协议中），一个字节数据由一个起始位，8 位数据位和一个停止位组成。起始位始终为0，数据位低位先发，停止位始终为1，最后发送。下图为发送一个为0Xa1的字节；图4-6 摄像头发送一个字节波特率出厂预设为115200bps,用户可根据自己需要通过命令修改。通常的命令区命令格式如下：包长 = 命令码字节数+数据区字节+校验和字节数；校验和 = 命令码+数据0+数据1+数据2+数据N-1;数据区为多字节，其余均为单字节，校验和为命令码与数据区各字节的校验和，校验和只取低字节校验和。高字节舍弃不用协议中的数字均是16 进制值，例如FF表示0xFF。4.5 电路设计电路设计用的是Altium Designer。Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows XP操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。Altium Designer的主要功能是原理图设计、印刷电路板设计、FPGA的开发、嵌入式开发等等。CAN转USB模块原理图、PCB图如图所示：（1） 地线、电源线的连接及除噪处理：图4-7 地线电源线的设计（2） CSM100内部集成完全电气隔离的CAN-bus接口电路，具有很强的抗干扰能力，故外围电路不是很复杂图4-8 CSM100外围电路设计（3） 两个CAN模块之间的连接非常简单，只需要两个设备的CAN_H与CAN_H相连，CAN_L与CAN_L相连。图4-9 CAN模块插孔设计（4） CP2102实现串口到USB之间的转换，电路很简单，接入USB的发送和接收端，在SUSPEND端口接入一个指示灯是为了指示单片机已上电，方便工作。图4-10 CP2102外围电路设计（5） 以下是用Altium Designer软件画的CAN转USB模块的PCB电路图。该图为双层板。红色为顶层走线，蓝色为底层走线。图4-11 CAN转USB模块PCB设计（6） 下图为焊接好的CAN转USB模块图4-12 CAN转USB模块成品4.6 电路的连接摄像头UART-CANCAN-USBPC图4-13 系统连接框图在连接各部分组件之前，首先要安装CP2102的驱动程序。要根据自己的计算机是64位还是32位的不同而安装不同的驱动程序。此驱动程序可从网上下载。本系统数据采集设备为摄像头，摄像头为串口，一共扯出来四根线，RX、TX、GND、VDD。将摄像头的RX与CAN转UART模块的RX相连，两个的TX与TX相连，VDD与VDD相连，GND与GND相连。这样，从摄像头采集过来的图像就能转换成CAN总线数据，经CAN总线进行传输。然后在两个CAN转USB模块之间用两根电线相连，两模块的CAN-H连CAN-H，CAN-L连CAN-L，然后从第二个CAN转UART模块连一根USB线接PC，用于往PC上传输图像。连接图如下：图4-14 系统实物连接图第五章 CAN控制器的软件实现基于CAN总线的JPG图像远程传输系统要实现摄像头的采集数据的功能需要一个上位机进行控制。编写上位机的软件就是Visual Basic。Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言不仅是盛赞VB的开发者还是抱怨VB的开发者的数量。它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。图5-1 VB界面VB程序设计的基本流程：（1） 新建工程（与添加工程区别移除工程）（2） 保存工程（重点，另存为）（3） 初步设置对象属性（4） 编写代码（环境设置）（5） 运行程序（设计、运行、中断）（6） 调试程序（单步、断点、指向显示、立即窗口）（7） 生成EXE文件第六章 结 论随着计算机网络技术和芯片技术的发展，控制芯片的性能大幅提高，其成本不断降低，以现场总线为代表的控制网络也在工业及其他控制系统中扮演者不可或缺的角色。CAN总线由于具有可靠性高、成本低、容易实现等优点，在现场总线的实际工程应用中占据了较大的份额。近年来，一些业内的企业和科研单位已经由最初对现场总线技术研究、公关、师范，转变为具体应用和产品开发。本文的第一章首先介绍了基于CAN总线图像传输的发展历程和国内外现状。第二章主要介绍了系统的功能分析及总体设计，对比了两种方案，以及对可行方案的验证。接下来在第三章中介绍了CAN总线的通信原理，图像数据之间究竟是如何传递的，数据格式如何。基于第二章和第三章的内容，第四章对CAN总线图像传输进行了硬件设计，主要