（信号与信息处理专业论文）基于can总线的液位数据采集、传输及监控系统的设计.pdf

基于0 a n 总线的液位 数据采集、传输及监控系统的设计 摘要 随着信息化及网络化的发展，越来越多的工业现场过程参数的传输控制采 用现场总线技术，其中c a n 总线由于其优越的性能已被广泛地采用。 本文根据泵站水池液位连锁问题，提出并设计了一种采用c a n 协议总线作 为数据传输手段，对泵站水池液位进行实时采样和显示，超出水位上下限时发 出报警信号，从而达到对水泵电机进行控制目的。本设计为一个分布式c a n 网 络中现场数据采集、监控节点，利用c a n 可以很容易扩充以实现分布式数据采 集传输系统，为企业进一步实现网络化管理奠定了基础。 该系统在结构上主要包括现场液位数据采集、单片机、数据显示及报警、 c a n 总线协议转换等单元。液位数据经a d 转换送单片机处理，并实时显示。 若超出设定的液位安全限，则产生报警信号，同时对采集数据进行c a n 协议格 式转换，经c a n 驱动送到c a n 总线上传输。c a n 网络上其它节点可以接收本 节点发出的数据，同时本节点也可以接收其它节点送来的数据，即在c a n 网络 上实现多主传送方式。 为了减小体积，提高运行的稳定性和可靠性，本系统在电路设计、器件类 型、制版方面都做了精心的考虑，如采用“看门狗”对系统运行监控，软件上 采用了数字滤波等方法。系统软件用c 编写，采用模块化结构，在减小软件体 积，提高代码效率和运行可靠性方面都有了保证。 关键词：c a n 总线，数据传输，数据采集，a d 转换，单片机 d e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n d m o n i t o r i n gs y s t e mo f 、) l ，a t e rl e v e l b a s e do nc a n - b u s a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o na n dn e t w o r k ，t h em o r ea n dm o r e p a r a m e t e r so fp r o c e s sc o n t r o li ni n d u s t r yu s et h ef i e l db u st e c h n i q u e ，o n eo ft h a t ， c a n - b u sh a sc o m ei n t ow i d eu s eb e c a u s eo f i t ss u p e r i o r i t yp r o p e r t i e s a c c o r d i n g t oa na c t u a lp r o b l e mo fm o n i t o r i n gw a t e rl e v e la tap u m ps t a t i o n ，t h i s t h e s i sp r o p o s e sa n dd e s i g n sas y s t e mu s e dt h ec a n - b u sa st h em e a no fd a t a t r a n s m i s s i o n t h es y s t e mc a nd or e a l t i m ec o l l e c ta n dd i s p l a yw a t e rl e v e lo fap o o li n p u m ps t a t i o na n da l s og i v ea na l a r ms i g n a li ft h ew a t e rl e v e le x c e e d st h eu p p e ro r l o w e rs a f e t yl i m i to fw a t e rl e v e l ，s ot h a te l e c t r i cp u m pa tp u m ps t a t i o nc a nb e c o n t r o l l e do no ro f f t h i ss y s t e mi su s e da san o d eo fl o c a ld a t aa c q u i s i t i o na n d m o n i t o r i n gi nad i s t r i b u t e dc a nn e t w o r k ，a n di ti se a s yt ob ee x p a n d e db yu s i n g c a n - b u sf o rc o m p o s i n gd i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h i s b u i l d st h eb a s i so f r e a l i z i n gf u r t h e rn e t w o r k i n gm a n a g e m e n tf o re n t e r p r i s e s t h i ss y s t e mc o n s i s t sm a i n l yo fl o c a lw a t e rl e v e ld a t aa c q u i s i t i o n ，s i n g l ec h i p c o m p u t e r , d a t ad i s p l a y , a l a r m ，c a n - b u sp r o t o c o ln o d eu n i t ，e t c t h ew a t e rl e v e ld a t a i sp r o c e s s e di nm i c r o c o n t r o l l e ra t 8 9 c 5 2t h r o u g h1 2b i t ss e r i a la dc o n v e r s i o na n d 4 d i s p l a y e di nr e a l - t i m eb yl e d i fw a t e rl e v e le x c e e d st h es a f e t yl i m i to f w a t e rl e v e l t h es y s t e mg i v e sa l la l a r ms i g n a la n dt h e ns a m p l e dd a t aw i l lb et r a n s m i t t e do n c a n - b u sw h e nc o n v e r t e di nf o r m a tu s i n gc a np r o t o c o lc o n v e r s i o nc h i ps j a i0 0 0 i n c a nn e t w o r ko t h e rn o d e s ，c a l lr e c e i v ed a t as e n tf r o mt h i sn o d ea n dt h i sn o d ec a n r e c e i v ed a t af s o mo t h e rn o d e sa l s o s om u l t i - h o s tt r a n s m i tm o d ei sr e a l i z e di nc a n n e t w o r k i no r d e rt od e c r e a s ev o l u m eo fs y s t e mh a r d w a r ea n di m p r o v es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo fs y s t e mo p e r a t i o n ，t h ec i r c u i ts t r u c t u r e ，d e v i c e sa n dp c bd e s i g nu s e di n t h i ss y s t e ma r ec o n s i d e r e dc a r e f u l l y , s u c ha s w a t c h d o g m o n i t o r i n ga n dd i g i t a lf i l t e r i ns o f t w a r e t h es o f t w a r ep r o g r a m m e db yc l a n g u a g ea d o p t sa m o d u l a rs t r u c t u r ef o r d e c r e a s i n gv o l u m eo fs o f t w a r e ，i m p r o v i n gc o d ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y o f o p e r a t i o n k e y w o r d s ：c a r l b u s ，d a t at r a n s m i s s i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a dc o n v e r s i o n ，s i n g l e c h i pc o m p u t e r ( 一) 课题背景及研究意义 一绪论 本课题来自内蒙古准能公司唐公塔泵站液位连锁系统。该液位连锁系统的结构如图1 - 1 所示。 一级泵站 图1 - 1 液位连锁系统 f i g 1 1w a t e r1 e v e ll o c k e ds y s t o m 当黄河水量不足时，启用该储水系统为电厂供水。一级泵站将黄河水源泵到距离为5 0 0 米左右的低位水池，二级泵站再泵到距离为6 0 0 米左右高位水池。要求若高位水池高于或低 于规定高度，产生报警( 这一点尤其重要) ，并通知二级泵站电机停止或启动，从而保持高位 水池的容量在一定范围内。随着低位水池向高位水池供水，要求其容量也要保持在一定限度 内，即一旦超过规定上下限，报警并通知一级泵站电机停止或启动，这就要求建立高位与低 位水池间的液位连锁系统。同时为了实现集中管理，设立一中心监控机房，负责收集各点的 设备的运行状态等数据，包括液位、电机轴温、流量等参数，为将来综合统一管理提供数据。 根据实地考察及与企业人员的交流，希望选择一种经济可靠，维护方便，连接线路少， 具有将来容易扩充采集多个过程参数的能力，且具有一定抗干扰的通信方式。考虑到水池液 位由于容量巨大，其液位变化并不剧烈，对传输速率要求不高，因此选择c a n 总线方式来传 输各节点间数据，利用性能稳定可靠，价格低廉的5 1 系列单片机构成现场液位采集、报警及 数据转发单元。 进行本课题的研究一方面是利用目前广泛使用的现场总线中c a n 总线技术解决具体问 题，开发一种基于c a n 总线的数据采集、监控与传输系统。同时为进一步开展现场总线技术 在煤矿企业中的应用做准备。 ( 二) 课题的主要工作 整个液位连锁系统设计分两部分完成，一部分为中心机房上位机控制，另一部分为现场 数据采集监控转发。本课题负责后一部分，设计制作以单片机为核心，将前端由现场液位仪 采集并转换来的液位信号( o 一5 v ) 进行a d 转换，经单片机处理，用l e d 数码管实时显示 液位高度，并根据设定的水池液位上下限临界值，若超出该临界值就在现场产生报警信号， 同时采集数据经c a n 协议格式转换，通过c a n 总线向中心机房的上位机传递。 根据要求目前只需向上位机发送数据，暂不需要接收。另外该子系统有1 1 路模拟信号输 入通道，系统中暂时使用一个通道用于液位数据的输入，其它通道可用于未来参数采集的扩 展。因此本系统可以作为基于c a n 总线上的一个标准采集，传输模块，应用于其它相关场合。 课题的主要工作： 设计制作以单片机为核心的数据采集、处理、显示及报警电路； 数据通信协议的转换及相关电路的制作； 所有软件的编写。 ( 三) 课题中拟解决的技术难题 合理设计整体电路，保证系统运行的可靠性、稳定性； 仔细研究c a n 总线协议，选择合适的协议转换芯片，设计c a n 总线通信电路： 由于功能较多，因而编制程序需要仔细考虑，保证各程序模块执行流畅，维护方便； 由于处于现场环境，要求系统具有一定的抗干扰能力，这在电路设计及软件编写上要 加以考虑。 二c a n 总线概述 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k i 控制器局部网) 是一种由带c a n 控制器组成的高性能 串行数据局部通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一。c a n 协议最初是由德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车内部大量的控制测试仪器与传感器、执行机构之间 的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，其总线规范已被i s o 标准组织制定为国际标准。 c a n 是一种多主总线系统，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其传输距离在通 信速率为5 k b p s 下可达1 0 k m ，且具有抗干扰能力强等诸多优点，因而c a n 总线被认为是最 有发展前途的现场总线之一。由于c a n 总线本身的优点，它的应用范围已不再局限于汽车行 业，目前已广泛应用于工业自动化、各种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控 制等领域。 ( - - ) c a n 总线的性能特点n 1 叫 c a n 协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型( i s o o s i ) 基础上的。考虑到现 场总线的应用特点，c a n 协议规定的网络系统结构由i s o o s i 七层中的物理层、数据链路层 和应用层组成。 c a n 总线的主要特点如下： c a n 是一种串行数据通信协议，是一种多主机局部网。通信介质可以是双绞线、同轴 电缆或光纤，常用的是第一种。c a n 网络上任意节点均可在任意时刻主动的向网络上其它节 点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。c a n 的直接通信距离在速率5 k b p s 以下最远可达 1 0 k m ，通信速率最高可达1 m b p s ，此时通信距离最长4 0 m 。 c a n 协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级低的节 点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总 线冲突仲裁时间。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据 最多可在1 3 4 u s 内得到传输。 o n 通过报文滤波可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标识符( d ) 可由 1 1 位( c a n2 0 a ) 或2 9 位( c a n2 o b ) 二进制数构成，从而可定义的数据块数量为2 ”和2 ”。 c a n 协议采用短帧数据结构，数据块长度不超过8 个字节，传输时间短，受干扰的几 率低，保证了通信的实时性。 c a n 协议采用c r c 检验并提供相应错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 ( 二) c a n 总线的技术规范1 1 1 连接和传递方式 平均电压电平下三兰茎兰三一vv。c“-。l 图2 - 1c a n 总线的传输电平 f i g 2 - 1 l e v o lo nc a nb u s “隐性”表示逻辑“1 ”，“显性”表示逻辑“0 ”。在“隐性”状态下v c a n - h 和v c a n l 被固定在平均电压电平，v d i f f 近似为0 ，而“显性”状态以大于最小阈值的差分电压表示， 如图2 1 所示。 但需要注意的是当“隐性位”和“显性位”同时发送时，最后的值将为“显性”，这也 是故障界定和错误检测的根本基础。 2 报文及帧结构 c a n 总线以报文为单位进行信息传送。报文中包含标识符d ，它代表了报文的优先权。 c a n 系统中，一个c a n 节点不使用有关系统结构的任何信息，如站地址等。报文中的标识 符d 并不指出报文的目的地址，而是描述数据的含义。网络中的所有节点都可以由d 来自 动决定是否接收该报文。每个节点都有寄存器和屏蔽寄存器，接收到的报文只有与该屏蔽 的功能相同时，该节点才开始正式接收报文，否则不会理睬后续的报文。c a n 支持4 种不同 类型的报文帧结构。 由于c a n 协议有a 和b 两种版本，所以也就有相应的两种帧格式，一种含有1 1 位标识符， 称为标准帧，而另一种含有2 9 位标识符，则称为扩展帧。本课题c a n 协议中采用的是2 9 位 的扩展帧格式。 在报文的传输中，报文具体分为数据帧( d a t af r a m e ) 、远程帧( r e m o t ef r a m e ) 、错误帧 ( e r r o rf r a m e ) 和超载帧( o v e r l o a df r a m e ) 。 数据帧 数据帧用于在各个节点之间传送命令和数据。它由7 个不同的位场组成：帧起始( s t a r to f f r a m e ) 、仲裁场( a r b i t r a t i o nf i e l d ) 、控制场( c o n t r o lf i e l d ) 、数据场( d a t af i e l d ) 、c r c 场 ( c r c f i e l d ) 、应答场( a c kf i e l d ) 和帧结尾( e n d o f f r a m e ) 。其结构如图2 - 2 。 帧起始( s o f ) 标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位组成，只有在总线空闲时才允许站点开始 发送数据。所有的站同步于首先开始发送报文站点的帧起始前沿。 帧起始仲裁场l e - 山一特摇儡l - r ”幅一a c k 场 帧结尾 1 1 位1 8 位 驾 0 - - 8 n 位 c r c 界 间 界 标识符标识符 矧d l c 定 隙 定 序列 符 符 图2 - 2 扩展报文的数据帧结构 f i g 2 - 2e x t e n d e df o r m a to fo a t af r a m e 仲裁场 在扩展帧格式里，包括2 9 位标识符( d ) ，s r r 位、i d e 位和r t r 位。 标识符( d ) ：d 决定了报文的优先权。标准格式中的标识符长度为1 l 位，相当于扩展 格式的基本i d 。这些位按d 一2 8 到d 一1 8 的顺序发送。7 个最高位( d 一2 8 d 一2 2 ) 必 须不能全是隐性。 扩展格式的标识符由2 9 位组成，包含两个部分：1 1 位基本d 和1 8 位扩展d 。基本 有1 1 位，相当于标准标识符的格式，按d 一2 8 到d 一1 8 的顺序发送，最高位是d 一2 8 。 基本d 定义了扩展帧的基本优先权。扩展d 有1 8 位，它按d 一1 7 到d 一0 顺序发送。 s r r 位：隐性位s s r ( 代替远程请求位) 是为了版本的兼容性而代替前版本的r t r 位位 置来区分标准帧和扩展帧的优先权。 d e 位：i d e 位为“标识符扩展位”，扩展格式里为隐性。 r t r 位：r t r 位为“远程发送请求位”，可根据r t r 分辨数据帧还是远程帧，显性则为 数据帧，反之则为远程帧。 控制场 控制场由6 个位组成，包括数据长度代码d l c 和两个保留位r o 和r 1 ，其结构如图2 3 所示。 图2 3 控制场结构 f ig 2 - 3s tr u c t u r eo fc o n t r o l lf i e l d 数据长度代码( d l c 3 d l c 0 ) ：数据长度码为4 位，指示了数据场包含的字节数目。其 编码与数据字节数的对应关系如表2 - 1 。( d 为显性，r 为隐性) 数据字节数目数据长度码 d l c 3d l c 2d l c ld l c 0 odddd 1dddr 2ddd 3ddr 4 d dd 5dd 6dd 7 dr r 8rddd 表2 1 数据长度代码 t a b 2 - 1d a t al e n g t hc o d e c r c 场 c r c 场包括1 5 位c r c 序列，其后是c r c 界定符，如图2 4 所示。c r c 序列是目前应用 比较广泛的检错措旅，通过位流的二进制数代码除以多项式( x 1 5 + x 1 4 + x l o + x 8 + x 7 + 掣+ x 3 + 1 ) ( 其系数以模2 计算) 得到的余数即为发向总线的c r c 序列。c r c 序列后为一个“隐性” 位的c r c 界定符。 数据场 l k lj 刃 应答场 c r c 序列 c r c 界定符 图2 4c r c 场结构 f i g 2 - 4 s t r u c t u r eo fc r cf i e l d 应答场( a c k ) 应答场长度为2 位，包括应答间隙和应答界定符，如图2 5 所示。在应答场中，发送站 发送两个隐性位。 图2 5 应答场结构 f i g 2 5s t r u c t u r eo f c kf i e l d 应答间隙：所有接收到匹配c r c 序列的站会在应答间隙间用一显性位写在发送器的隐性 位置上来做出回应。 应答定界符：应答定界符是应答场的第二位，并且必须是一个隐性位。因此，应答间隙被 两个隐性位所包围，也就是c r c 界定符和应答界定符。 帧结尾 每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这个标志序列由7 个隐性位组成。 远程帧 作为数据接收器的站，通过发送远程帧可以启动其它节点传送它们各自的数据。远程帧 由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结尾。与数据帧相 图2 6 远程帧结构 f i g 2 6 s t r u e t u r eo fr e m o t ef r a m e 反，远程帧的r t r 位是隐性的。它没有数据场，所以数据长度代码的数值没有意义。远程帧 的结构如图2 - 6 。 错误帧 错误帧由两个不同的位场组成，第个场是不同站提供的错误标志的叠加；第二个场是 错误定界符。错误帧结构如图2 7 。 图2 7 错误帧结构 f i g 2 7 s t r u c t u r eo fe r rf r a m e 接收站发现总线上的报文出错时，将自动发出“活动错误标志”，为6 个连续的显性位。 由于各个接收站发现错误的时间可能不同，总线上的实际错误标志可能由1 2 位显性位组 成。在错误标志后为8 个隐性位组成的错误界定符。每个站发送错误标志后，开始发送隐性 电平，并监视总线，检测到出错误条件时，将发送“认可错误标志”，它为6 个连续的隐性位。 超载帧 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符，其结构如图2 8 。 帧 符 图2 8 超载帧结构 f i g 2 8s t r u e t u r oo fo v e r l o a df r a m e 超载帧只能在一个帧的结束开始。在一个接收站要求延迟下一个数据帧或远程帧，或在 帧空间的间歇场的第1 、2 位检测到显性位及在错误、超载界定符的最后一位采样到显性位， 开始发送超载帧。超载标志由6 个显性位组成，而总线上的实际超载标志为6 7 位。超载界 定符为8 个隐性位。 帧间空间 1 4 数据帧和远程帧与前面的任何帧用帧间空间的位场分隔开。它包括间歇场和总线空闲场。 间歇场由3 个隐性位组成。总线空闲场可为任何长度，此时总线处于空闲状态，允许发送站 发送新报文。 3 错误检测 c a n 为了提高抗干扰能力和数据传输的可靠性，采用了多种错误检测手段。 位错误：发送站时刻检测发送的每一位数据，如检测到总线数值与发送的不同，则在 该位时刻检出一个位错误。 填充错误：在应用位填充方法进行编码的报文字段中，出现第6 个连续相同的位电平。 c r c 错误：接收站计算得出的c r c 序列与接收到的不同。 格式错：固定格式的位场格式与规定不同。 应答错误：在应答期间，发送站未检测到显性位。发现错误时，接收站将发送活动出 错标志，而发送站将发送认可出错标志。 三系统的硬件结构 ( 一) 系统的总体结构及描述 本课题设计的内容是整个基于c a n 总线的液位连锁系统中的一个节点。系统的功能框图 如图3 1 。 图3 - 1 系统总体框图 f i g 3 - 1 b l o c kd i a g r a mo fs y s t e m 功能结构上主要包括现场液位数据采集，单片机，数据显示及报警，c a n 总线协议转换 及驱动等单元。液位数据经1 2 位串行a d 转换送单片机a t 8 9 c 5 2 处理，并用数码管显示液 位实时高度，若超出设定的液位高度安全限，则产生报警信号，同时利用c a n 协议转换芯片 s j a l 0 0 0 对液位数据进行格式转换，经c a n 驱动8 2 c 2 5 0 送到c a n 总线上传输。系统电路 原理图如图3 - 2 所示。 ( 二) 单片机及定时复位单元 系统核心控制由单片机来完成，包括人机接口、启动a d 转换，数据处理，显示并产生 报警信号，同时将数据送c a n 接口进行协议转换和总线驱动等，因此单片机模块相当于应用 层。 1 微处理器a t 8 9 c 5 2 3 】 这里采用广泛应用的a t t d e l 公司生产的低功耗、高性能8 位c m o s 单片机a t 8 9 c 5 2 。 该单片机与m c s 一5 1 系列单片机兼容：在单片机内部有8 k 字节的f l a s h 程序存储器，可重复 擦写1 0 0 0 次：有2 5 6 字节的内部r a m ；正常工作频率0 - 2 4 m h z ；8 个中断源，3 个1 6 位定 时计数器，1 个全双工串行接口。 在本系统中全部程序写到内部f l a s h 中，不需要外扩程序存贮器，从而减小了系统硬 件的体积。 2 “看门狗”x 5 0 4 5 组成定时复位电路 由于单片机自身的抗干扰能力较差，在工作环 境较恶劣的场合，很容易造成单片机因外界干扰导 致“死机”现象，造成系统不能正常工作。设置“看 门狗”电路是防止单片机系统死机，提高单片机系 统抗干扰能力的一条重要途径。 此处选用x i c o r 公司的专用可编程芯片x 5 0 4 5 作为“看门狗”，引脚见图3 3 。 c s ，w d l s o w f v s s v c c r e s e t s c k s i 图3 - 3x 50 4 5 引脚 f i g 3 - 3 p i nc o n f i g u r a t i o no fx 5 0 4 5 x 5 0 4 5 带5 1 2 b ( 4 k b i t s ) 的e 2 p r o m ，具有四种常用功能：上电复位、看门狗定时器、电 源电压监控和存储器块锁( b l o c kl o c k ) 保护。定时时间通过软件可选择：2 0 0 m s 、6 0 0 m s 和 1 4 us 。f 4 】 工作时在程序的适当位置定时安排一条“喂狗”指令，要求其时间间隔小于x 5 0 4 5 的预 置间隔，这样只要系统死机或程序“跑飞”，x 5 0 4 5 会自动发出溢出脉冲，使单片机复位，从 1 7 胁* 堑h 目dh曲日州日一一，u-_三。目。一h n on，曲一山 田群蜒蛰事爝嚼n_c田 头开始执行程序。由于单片机没有s p i 接口，在硬件上要利用i o 口线通过软件来产生s p i 接口协议的操作时序，x 5 0 4 5 与单片机的连接见图3 2 。 ( 三) 数据采集单元 蔗罴篆誉! 网n i l 煞 据。已经安装在现场的超声波液位仪传送来反映 ：! ：譬1u 世二曼呈 液位高度的5 v 的电压模拟信号( 已标定) ，处 a u ，河三：i 胴f ! l n r * 芯片篓；1 公鬻。t 羔2 5 4 。位开量皇容要篓逼近型：n 4 i 9ij ：i 娶1 藿d a t f a t l c 2 5 4 3 c m o s1 2 十。u t 为位开关电容逐次逼近 ：爿：片：兰。 a d 转换器，片内含有一个1 4 通道多路选择器 a i n 7 b1 3 ir e f 一 可从1 1 个模拟输入或3 个内部自测电压中选择a i n b 口g1 2 a i n l 0 个编码。片内还包括采样保持电路，系统时钟由 g n d 41 111 pa i n g ( 四) 键盘输入、数据显示及报警单元 这部分完成报警临界值输入、液位数据在4 位数码管实时显示以及若超出规定限度产生 报警信号的功能。 1 键盘输入 由于本系统中单片机的i o 资源紧张，因而只设了三个按键：换位键( s h i f t ) 、运行键 ( r u n ) 和递增键0 n c c ) 。 换位键( s h i f t ) ：指定4 位数码管中对某一位操作； 递增键( 矾c c ) ：对指定的某一位数码管进行循环加1 操作； 运行键( r t n , 0 ：接受某一位设定值，并脱离该位设定过程转向下一位操作。 8 9 c 5 2 采用查询s h i f t 和i n c c 方式输入，r u n 以中断方式( i n t l ) 与8 9 c 5 2 相连。 电路连接见图3 2 ，键盘处理程序见后续设计流程。 2 数据显示 本系统中要求将采集到的液位数据以十进制高度形式在4 位数码管实时显示。经过分析 决定采用静态显示方式。之所以这么设计是因为本系统为一个实时数据采集、传输、显示系 统，这些操作不能间断，而单片机以顺序结构执行各程序模块，因此单片机的机时显得非常 紧张。若采用动态显示方式，就要求单片机必须在一个适当循环周期内对数码管动态扫描， 才能不出现明显的闪烁感，这对整个系统工作频率提出了苛刻的条鲑。为工革省单片粗枫时， b c d 码输八位选择输入功能 b 3 b 2b l b 0 d 1d 2d 3 d 4 o 0 0 0o000不变 l001 oo00000l 位4 b c d 码锁存 1001 00000010位3b c d 码锁存 100l 0 0 0 0010o 位2 b c d 码锁存 l001 0 0 0 0100o位1b c d 码锁存 1001 00001l11 b c d 码全部锁存 1 00 1 图3 - 5 i c m 7 2 12 引脚和功能 f i g 3 - 5 p i nc o n f i g u r a t i o l la n df u n c t i o no fi c m 72 1 2 叭们m制制叫叭盯帅h“叭“ 。盯蚰们h心柏盯”h“ 使程序结构简单，同时考虑到本系统还用于除液位以外其它高频率过程参数的采集，因此采 用静态显示方式。 静态显示芯片采用了m a x i m 公司的4 位共阳极驱动l e d 显示器的i c m 7 2 1 2 ，图3 5 为 芯片的功能表和引脚排列。 i c m 7 2 1 2 为4 位共阳极驱动l e d 显示器芯片，驱动电流大于5 m a ，典型值为8 m a ，带4 位位选择输入，采用4 位b c d 码译码，具有亮度外部调节。其中位选择输入d 1 - d 4 接单片 机p l 口的p 1 o p 1 3 ，4 位b c d 码输入接单片机p l 口的p 1 舡p 1 7 ，电路连接见图3 - 2 ，显示 程序设计流程见后续。【6 3 报警单元 系统中利用无源蜂鸣器和三极管构成了一个简单的报警电路，当液位超出规定的上下限 时报警输出。其输入接单片机p 2 口的p 2 7 ，报警时单片机送出一定频率的脉冲，经三极管 构成的放大器驱动可产生报警，电路连接见图3 - 2 ，报警程序设计流程见后续。 这里需要说明的是本系统为实验样品，在实际中为了能产生功率更大的声光报警效果， 应采用可控硅或继电器设计报警电路。 ( 五) c a n 总线协议实现及总线驱动单元 单片机将采集的液位数据输出显示的同时，还要将数据通过c a n 总线通信接口以符合 c a n 协议的数据形式发送到总线上供其它总线单元使用。完成这一功能要利用c a n 总线控 制器，这也是本系统最重要的部分。 1 c a n 总线控制器及特性 7 8 】 本课题中c a n 总线控制器芯片采用了p h l i p s 公司1 9 9 7 年推出的独立式c a n 协议控制 器s j a l 0 0 0 。它集成了c a n 的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包 括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 s j a l 0 0 0 有两种工作模式：b a s i c c a n 模式和p e l i c a n 模式。其中p e l i c a n 模式较以前 增添了很多新的特性，全面支持c a n 2 0 b 协议规范。它具有以下主要特性： 在设计上其软件和硬件与p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器兼容( b a s i cc a n 模式) ； 扩展接收缓存； 支持c a n 2 0 b 协议规范； 支持1 1 位与2 9 位标识符； 位速率可达1 m b p s ； 扩展p e l ic a n 时钟频率最高为2 4 m h z ： 接口兼容多种微处理器； e c a n 输出驱动配置可编程； 工作环境温度宽( 一4 0 - - - + 1 2 5 ) 。 咀下方面与b a s i cc a n 相比体现的特点如下 接收和发送采用扩展帧格式： 接收f i f o 为6 4 字节： 双重验收滤波器； 错误计数； 错误警告限制可编程； 错误代码捕捉寄存器； 针对每种c a n 总线错误的错误中断； 自我测试。 2 s j a l 0 0 0 引脚及内部结构 图3 - 0s i a l00 0 引脚 f i g 3 - 6 p i nc o n f i g u r a t i o no fs i a l 0 0 0 图3 - 6 为s j a l 0 0 0 的引脚分配，图3 7 为s i a l 0 0 0 的内部结构框图，表3 - 1 为引脚说明。 图3 7 sj u0 00 内邓结构框目 f i g 3 - 7b 1 0 c kd i a g r a mo fs i a l 0 0 0 2 1 一一一一一=；|m=|竺m：|； i篆嚣裟篙= s j a l 0 0 0 内部包括接口管理逻辑、发送缓存器、接收缓存器、位流处理器、位定时逻辑、 收发逻辑、错误管理逻辑、控制器接口逻辑等。s j a l 0 0 0 适合两种外部微控制器模式，本系 统中采用i n t e l 模式，因此对其的读写时序与单片机8 9 c 5 2 对外部存储器间的读写时序相同， 在电路连接上只需将s j a l 0 0 0 的肖j 3 7 - a d 0 与8 9 c 5 2 的p o 口连接，a l e 、w r 、r d 与8 9 c 5 2 的对应引脚连接，而c s 作为高位地址连到p 2 6 口线上，具体电路连接见电路原理图3 2 。 3 s j a l 0 0 0 的寄存器配置及地址分配 7 】 8 s j a l 0 0 0 可以按照c a n 2 0 b 规范完成数据的发送、接收及各种复杂的数据流错误检验 等功能，主要归功于其内部大量分工合作的寄存器。由于这些寄存器的存在，s j a l 0 0 0 控制 器通常被看作外部r a m 来访问，每一个寄存器均分配有c a n 地址。若要正确使用s j a l 0 0 0 进行c a n 通信，则必须了解这些寄存器的作用和初始化过程。表3 - 2 为p e l i c a n 模式下的寄 存器配置及c a n 地址。各寄存器的初始化设置参数及含义见后面软件设计流程。 引脚名称作用 a d 7 a d 0 分时复用地址数据总线 a l e a s i n t e l 方式：a l e 信号；m o t o r o l a 方式：a s 信号 c s片选信号端，低有效 r d ei n t e l 方式：r d ( 读信号) ：m o t o r o l a 方式：e ( 使能) w r i n t e l 方式：来自微控制器的写信号端；m o t o r o l a 方式：读写信号端。 c l k o u t 时钟输出信号端 x t a l l x t a l 2 振荡器输入、输出端 m o d e 方式选择输入。高电平为i n t e l 方式，低电平为m o t o r o l a 方式。 t x 0 ，t x l输出驱动器0 、驱动器1 到物理总线的输出端 r x 0 r x l 由物理总线到s j a l 0 0 0 输入比较器的输入端。 i n t 中断输出端 r s t复位端，低有效。 表3 - 1s j a l0 0 0 引脚说明 t a b 3 - 1 p i n n i n go fs j a l 0 0 0 名称地址76543210 方式寄存器睡眠模验收滤自检测只听模复位模 0 波器模试模式 命令寄存嚣自接收清除数释放数终止发发送请 1 请求 据溢出 据缓冲 送求 器 状态寄存器总线状错误状发送状 接收状发送完发送缓数据溢接收缓 2 态态态 态成状态冲状态出状态冲状态 中断寄存器总线错仲裁丢错误认唤醒中数据溢出错报发送中接收中 3误中断失中断可中断断出中断警中断 断断 中断使能寄存器总线错仲裁丢错误认唤醒中数据溢出错报发送中接收中 4 误中断失中断可中断断使能出中断警中断断使能断使能 使能使能使能使能 使能 保留5 总线定时寄存器0 6s j w ls 肌0 b r p 5b r p 4b r p 3b r p 2b r p _ l b r p o 总线定时寄存器1 s a m t s e gt s e gt s e gt s b gt s e gt s e g t s e g 7 2 22 l2 01 - 31 21 11 0 输出控制寄存器 o ( ? r p l0 c i n l o c p oo c 胛oo c t n 0o c p o l0 c m o 0 c m 0 8 l l0d e ld e 0 测试寄存器 9 保留1 0 仲裁丢失捕捉寄存器 1 1 a l 巴4a l c 0 位二进制标识确定仲裁丢失位置 错误代码捕捉器存器错误代错误代方向段4段3段2段1段0 1 2 码l码0 错误报警限额寄存器 由c p u 在复位模式中定义错误报警限额，当总线错误超过此值时，产生错误报警中断， 1 3 在程序编配时同错误计数器使用。默认情况下，该寄存器的值为9 6 。 r x 错误计数寄存器 1 4 r x 错误计数寄存器反映了接收错误寄存器的当前值 t x 错误计数寄存器1 5t x 错误计数寄存器记录发送错误计数器的当前值 1 1 ) ( 缓冲( 读) 、似缓冲l “ ( 写)2 8 r x 报文计数器 r x 报文计数器( 眦) 反映了r x f i f 0 中有效报文的数目，每接收一个完整报文时该 2 9 值加1 ，接到释放缓冲命令时减1 。 r x 缓冲开始地址3 0 时钟分频器3 1c d210 表3 2 p e li c m 模式下的寄存器及地址分配 t a b 3 - 2p e t i c a na d d r e ssa i l o c a t i o na n dr e g is t e r s 发送缓冲器 发送缓冲器是s j a l 0 0 0 中比较重要也是占地址比较多的寄存器，c a n 地址为1 6 2 8 。所 有的发送数据都在发送缓冲器内打包成数据帧格式。c a n 2 0 b 下扩展帧信息包含1 3 个字节， 分为描述符区和数据区，扩展帧结构如图3 8 。 c a n 地址固 团 囡 回 图3 8 发送缓冲器扩展帧格式配置 f i g 3 8e x t e n d e df r a m e f o r m a to f t r a n s m i tb u f f e r t x 帧信息：由一个字节组成，t x 帧信息结构如图3 - 9 。 b i t 7 b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t 1b i t 0 l f f r td l c 3d l c 2l c 1d l c 0 图3 - 9y x 帧信息结构 f i g 3 - 9t xf r a m ei n f o r m a t i o i l b i t 7 位( f f ) ：为1 代表c a n 控制器将发送扩展帧格式，为0 则代表标准帧 b i t 6 位( r t r ) ：为l 代表控制器将发送远程请求帧，为0 则代表发送数据帧 b i t 3 一b i t 0 ( d l c ) ：数据长度编码。 数据长度= 8 d l c 3 + 4 d l c 2 + 2 d l c 1 + d l c 0 t x 标识码：由四个字节组成( 2 8 i d o ) ，共2 9 个标识符，见图3 1 0 。 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2 b i t 1 b i t 0 i d 2 8i d 2 7i d 2 6i d 2 5i d 2 4i d 2 3i d2 2i d 2 1 i d 2 0i d 1 9i d 1 8i d 1 7i d 1 6i d 1 5i d 1 4i d 1 3 i d 1 2i d 1 1i d 1 0i d 9i