基于CAN总线的粮仓温湿度检测系统设计

1摘 要CAN 总线是目前流行的现场总线技术之一，依靠可靠性高、价格低廉的优势，已得到了广泛的应用。本文以 CAN 总线通信网络为基础，研究设计了一种新型的数字式粮情监控系统，用以实现对粮食的存储情况进行实时监控。首先，本文简要介绍了 CAN 总线的发展状况和性能特点，分析了 CAN 总线的性能特点，并对 CAN 总线技术规范的主要内容作了细的说明。其次，本文详细阐述了粮情监控系统的设计和开发。按照系统的总体结构，将该系统的设计分为两个部分。其中一部分为 CAN 总线粮仓测控节点的设计，主要用于实现 CAN总线的数据通信、温湿度测量和通风控制等功能，在设计中对 CAN 总线接口的软硬件的开发作了重点介绍，同时对粮仓测温网络的单总线技术也作了基础性的探讨;另一部分为CAN 总线网络适配器的设计，这也是课题的一个难点，在此，本文提出了一种基于 RS-232 接口的 CAN 总线网络适配器的设计方案，利用控制器 MAX232 实现 PC 机与 RS-232总线通信，文中对测控节点和适配器的软硬件开发流程作了详细论述。最后，在测控节点与适配器的软硬件设计的基础上进行监控机程序的设计，来实现对粮仓温湿度数据的采集、显示和数据库操作。监控机程序用 VB 来编写，充分利用 VB 这一强大的开发工具，来实现监控机功能。关键词：CAN 总线； 单总线； ATmega16； 数据采集； 数据库1ABSTRACTThe CAN bus is one of the Popular field-buses at present,which is more highly reliable and low priced,and being used more and more extensively.In this thesis,a kind of new-type digital grain situation monitoring system,based on CAN bus communication network,is studied and designed,which can monitor situation of grain greatly.First of all, the development and performance characteristics of the CAN bus are introduced briefly in this thesis. Analysis of the performance characteristics of the CAN bus, and the main content of technical specification of CAN bus is explained in detail.Secondly, this thesis elaborated on the design and exploitation of grain monitoring system.According to framework of the system,the design of the system is divided into two parts.One part is the design of monitor module of warehouse based on CAN bus,which can realize data communication,temperature and humidity measurement, ventilation control,etc. In the design, the hardware and software of the interface of CAN bus are introduced, and the 1-WIRE bus technology of temperature measuring net work is discussed. Another Part is the design of CAN bus network adapter, which is a difficult point in this thesis. A project of design of CAN bus network adapter based on PS-232 interface is put forward，the controller MAX232 is used to realize communication to the PC by RS-232 bus. Furthermore, the hardware and software development process of the control nodes and the adapter were discussed in detail.Finally, design the Procedures of Monitoring computer, based on the project of hardware and software design of monitor module of warehouse and CAN bus network adapter, which can realize data collection, display, databace operation, etc. The Proced- ures of monitoring computer compiled with Visual Basic, takeing full advantage of VB, powerful development tools, to realize the function of Monitoring computer.Keywords： CAN bus; 1-WIRE bus; ATmega16; data acquisition; databace- 1 -目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 粮情监控技术的国内外研究动态 .11.3 现场总线技术与 CAN 总线发展概况 .21.4 本课题的主要研究内容 .32 总体设计方案 .52.1 系统功能及主要性能指标 .52.2 现场通讯方式比较 与选择 .52.3 系统硬件整 体设计 .72.4 本章小结 .73 CAN 总线 .83.1 CAN 总线简介 .83.2 CAN 总线的性能特点 .83.4 CAN 总线的技术规范 .93.5 本章小结 .114 CAN 总线粮仓测控节点硬件设计 .124.1 微机控制器及辅助电路 .124.2 CAN 总线接口电路 .144.3 温湿度测量及通风控制电路 .184.4 电源供电模块电路 .224.5 本章小结 .245 RS232-CAN 网络适配器硬件设计 .255.1 网络适配器方案选择 .255.2 RS232-CAN 网络适配器 .285.3 本章小结 .316 温度传感器组的布线与设计 .326.1 DS18B20 电缆接口电路设计 .326.2 DS18B20 电缆布线设计 .386.3 本章小结 .467 测控节点及网络 适配器下位机程序设计 .477.1 CAN 总线粮仓测控节点程序设计 .477.2 RS232-CAN 网络适配器程序设计 .507.3 本章小结 .538 监控机上位机程序设计 .548.1 串口数据采集与粮情显示 .548.2 数据库记录查询 .55- 2 -8.3 软件发布 .588.4 本章小结 .63结束语 .64参考文献 .65附录 .67致谢 .8111 绪 论1.1 引言粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及其它突发性事件而采取的有效措施，科学储粮是保障人民粮食供应，促进社会安定的大事。因此，粮食的安全储藏具有非常重要的意义。目前，地方及垦区的各种大型粮库都还存在着程度不同的粮食储存变质问题。根据国家粮食保护法规定，必须定期抽样检查粮库各点的粮食温度和湿度，以便及时采取相应的措施。但全国除了大型中央储备库外大部分粮库仍然采取人工测量温度和湿度的方法，这不仅使粮库工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮库的温度和湿度检测任务如不能及时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。据有关资料统计，我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿斤，直接造成的经济损失是惊人的。影响粮食安全储藏的主要参数是粮食的温度和湿度，这两者之间又是互相关联的。粮食在正常储藏过程中，含水量一般在 12%以下(为安全状态)，不会产生温度突变，一旦粮库进水、结露等使粮食的含水量达到 20%以上时，由于粮食受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧” 和霉变，并可能形成连锁反应；温度也是一个重要的影响因素，温度在 之间时虫卵最容易孵化，23OC:造成虫害，从而造成不可挽回的损失。因此设计出一种经济实用的粮库粮情温湿度智能检测系统是非常有必要的 。4为了减少粮食在储存过程中的损失，保障粮食的品质和质量，就必须及时准确地掌握粮食储存过程中的各种物理因素的变化情况，找出其变化规律。粮情监控系统利用了现代电子技术，在粮食储存过程中能实现对粮食的变化情况实时检测、对实时检测数据进行分析与预测、以及对异常情况提出处理建议和控制措施等，它为科学及安全储粮提供了技术保证和科学依据。在现有粮情监控系统的基础上，利用目前先进的检测和计算机控制技术，优化监控系统的产品种类，研究建立适应于不同仓型的监控系统成套技术和监控设备，使粮食储存的相关技术日趋规范化、标准化和系列化，是国情及粮食储存的需要。粮情监控技术标准化、系列化问题的研究解决，将有力地推动我国粮情监控技术新体系的建立，为仓储业务管理规范化、标准化工作提供强适应性监控手段，确保储粮的科学与安全 。401.2 粮情监控技术的国内外研究动态粮情检测属监控系统范畴，近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域，因此，粮情检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。早期粮情监测主要采用温度计测量法，它是将温度计放入特制的插杆中，根据经验插在粮堆的多个测温点，管理人员定期拔出读数，确定粮温的高、低，决定是否倒粮。这种方法对储粮有一定的作用，但由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部粮温过高不易被及时发现，导致因局部2粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有发生。近几年来，随着计算机技术的发展和测量技术的提高，传统的人工查看粮温的方法，已逐步被电子测温设备所取代，小型的粮库一般采用小型测温仪检测粮温，而大中型的粮库已逐步配备微机测温系统。前一种方式多采用由操作者拨动手动开关逐点查看粮温的方法，有些也采用自动巡检方式配备小型打印机记录粮温数据；后一种方式可在微机机房检测粮温情况，并能利用微机对粮温数据进行分析对比 。43当前，由于微处理器芯片和网络通信技术的发展，现场总线技术正成为自动化领域技术发展的热点之一，现场总线控制系统成为继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统后的新一代控制系统。它的出现，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。采用现场总线技术，并结合数字化检测仪器仪表组成的粮情监控系统代表着未来粮情监控技术研究发展的方向，也符合自动化控制和仪器仪表工业革的要求。1.3 现场总线技术与 CAN 总线发展概况传统的控制系统难于实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，是一个“信息孤岛”。要满足自动控制技术现代化的要求，同时实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，就必须设计一种能在工业现场环境中运行、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是这种实际需求的驱动下应运而生的 。45现场总线技术是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术，也可以说时工业控制与计算机网络两者的边缘产物。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统以实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势，它的出现使控制系统的体系结构以及自动化技术发生了一次根本性的变革，并显示出强大的生命力。所有现场总线一般都具有以下突出特点 ：1l) 开放性:现场总线控制系统(FCS)采用公开化的通信协议，以使采用同一通信标准的不同厂商的设备之间可以互连并实现信息交换。用户可以灵活选用不同厂商的现场总线产品来组成实际的控制系统，以达到最佳的系统集成。2) 互操作性:互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组态，实现统一的控制策略和“即插即用” ，不同厂商的性能相同的设备可以互换。3) 灵活的网络拓扑结构:现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次型网络结构等。4) 系统结构的高度分散性:现场设备本身属于智能化设备，具有独立自动控制的基本功能，从而从根本上改变了 DCS(集散控制系统)的集中与分散相结合的体系结构，形成一种全新的分布式控制系统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简化了控制系统的结构。现场总线与上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。5) 现场设备的高度智能化:传统的 DCS 使用相对集中的控制站，其控制站由 CUP 单3元和输入/输出单元组成。现场总线控制系统则将 DCS 的控制站功能彻底分散到现场设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID 运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。6) 环境的高度适应性:现场总线是专为工业现场设计的，它可以采用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉价的双绞线，并允许现场设备利用数据通信线进行供电，还能满足本质安全防爆要求。由于现场总线的诸多优点，近十年来出现了多种有影响的现场总线标准，如FF、Profibus、Lonworks 、 HART、CAN(Controller Area Network)等，并分别在不同的行业得到了广泛的应用。由德国 Bosch 公司为汽车内部大量控制测量仪表与执行机构之间数据交换和控制开发的 CAN 总线技术，由于具备多项优点除被世界各大汽车制造商采用外，更广泛地被应用于机械制造、数控机床、医疗器械、建筑管理监控、变电站检测设备的监控等。CAN 总线性能可靠、协议公开、接口器件丰富，技术要求相对较低，因此CAN 总线技术在国内得到了广泛的应用，包括工业测量与控制、智能大厦小区安防、交通工具、环境监测等众多领域 。21.4 本课题的主要研究内容针对传统粮情监控系统存在的缺陷和现场总线控制系统的优点，本课题将以 CAN 总线网络为基础，设计一种新型数字化粮情监控系统，系统的总体结构图如图 1.1 所示。整个系统主要由监控计算机和各粮仓智能测控节点构成，具体可分为通用计算机、CAN 网络适配器、CAN 总线网络和若干个粮仓智能测控节点。该系统主要实现的功能是对各粮仓的温湿度等粮情进行实时巡检，对采集的数据进行处理分析来掌握粮食的存储情况，并根据分析的数据来实时控制粮仓的通风设备并能做出报警。其中 CAN 网络适配器主要功能是实现各个粮仓的 CAN 测控节点与监控计算机之间的数据交换，因为通用计算机没有 CAN 接口，通过 CAN 网络适配器间接将计算机连入 CAN 总线网络中。粮仓智能测控节点的任务是完成对粮仓内的温湿度的采集和通风设备的控制，并能通过 CAN 总线和监控计算机通信。图 1.1 系统的总体结构图4本文的主要研究内容大致可为以下几个方面:1) 分析研究 CAN 总线技术深入了解 CAN 总线的特点以及技术规范，并确定本系统的总体框架和设计思路。2) 粮仓智能测控节点设计本文将完成以 ATmega16 单片机为中心的数据采集与通风控制的粮仓节点的设计，其中最重要的工作是完成粮仓温度测量网络的设计。由于粮仓数据采集一般以温度采集为主，温度是影响粮食存储的最重要的因素，其测量点数目之多，使温度测量的难度加大，因此粮仓温度的测量一直是粮情监控系统设计的关键。在设计中将采用单总线数字式温度传感器 DS18B20 组成单总线数字式测温网络，并最大限度的缩短和简化电缆布局。本文将同时完成用 ICC 语言对粮仓测控节点的固件编程，以使粮仓智能测控节点能正常工作。3) CAN 网络适配器设计在 CAN 网络适配器选择方面要充分考虑到 CAN 总线的提点以及通用性等方面，故综合考虑选可用带有 USB 接口的网络适配器，不过开发成本较高，对于中小型的粮库粮情监控系统来说传输数据量较少，可以用 RS-232 转 CAN 网络适配器来实现数据交换。本文选用 MAXIM 公司的 MAX232、CAN 控制器 SJA1000、周立功的通用 CAN 隔离收发器 CTM8251T 和 ATMEL 公司的 ATmega16 单片机，设计了一个 RS232-CAN 通用网络适配器，并完成用 ICC 语言对 RS232-CAN 适配器的固件进行编程，以使 RS232-CAN适配器能在软件的控制下完成其数据交互的任务。4) 上位机软件设计上位机用 VB 编程，VB 中有 MSComm 串口插件，可以实现上位机与 RS232-CAN 适配器的通信，并且 VB 良好的可视化界面可以直观的显示当前的粮情情况，并且操作简单给操作人员带来很大方便。52 总体设计方案2.1 系统功能及主要性能指标2.1.1 系统任务以数据采集单元和 CAN 总线通讯为基础，组建一个基于 VB.MSComm 控件显示控制的数据采集测控系统，能够实现对粮仓温湿度等粮情的检测、报警和智能控制通风设备等。2.1.2 系统原则考虑到现场实际情况，确定设计原则如下 ：231) 系统适应持续工作；2) 能实现多点巡检；3) 实现准确实时测量；4) 可实现远距离监测和控制；5) 系统可靠性高；6) 具备较高的性价比。2.1.3 系统目标结合系统任务和原则，选用单片机系统作为下位机进行采集，并采用最有效的通讯和上位机显示软件，设计目标如下：1) 从现场采集温湿度信号，对粮仓的粮情进行实时监测；2) 结合实际情况设置报警阀值，对温湿度进行报警并智能控制通风设备；3) 利用 CAN 总线实现远程通讯，并能与监控计算机通讯；4) 利用 VB.MSComm 控件实现通信，并 VB 编写上位机来完成对粮情的分析处理。2.1.4 技术指标1) 测量误差：5%2) 测量周期：1min3) 电源电压：220V4) 环境温度：-20-50 2.2 现场通讯方式比较与选择2.2.1 RS-232 标准RS-232 是美国电子工业协会 EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS 是英文 “推荐标准”的缩写，232 为标识号。RS-232 总线标准设有 25 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232 标6准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。RS-232 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。由于 RS-232 的发送端与接收端之间有公共信号地，所以它不能使用双端信号，否则共模噪声会耦合到信号系统中。由于 RS-232 接口标准出现较早，在现场使用中难免有不足之处，主要有以下四点：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接。传输速率较低，在异步传输时波特率为 20Kbps。接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 英尺，实际上也只能用在 15 米左右。2.2.2 RS-485 标准RS-485 是在 RS-232 基础上发展起来的电气接口标准，是一种双向、平衡传输线标准接口，采用平衡驱动和差分接收，具有抑制共模干扰能力，它以半双工方式通信，支持多点连接，允许创建多达 32 个节点的网络，具有传输距离远(最大传输距离为 1200m)，传输速率快(1200m 时为 90kbps)等优点，可用于多站互连，便于组建成本低廉、可靠性高及分布范围较大的总线网络。具有抑制共模干扰的能力，加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485 标准存在的主要问题是:1) RS-485 总线的通讯速率低，常用波特率为 9600bps。而且其速率与通讯距离有直接关系，当达到数百米以上通讯距离时，其可靠通讯速率小于 1200bps。2) RS-485 芯片功耗较大，静态功耗达到 2-3mA，工作电流（发送）达到 20mA，若加上偏置电阻及终端电阻，工作电流会更大，从而增加了线路电压降，不利于远程布线。3) RS-485 总线自身的电气性能决定了其在实际工程应用中稳定性较差，在多节点、长距离场合需对网络进行阻抗匹配等调试，增添工程复杂性。4) RS-485 总线通常不带隔离，当网络上某一节点出现故障会导致系统整体或局部的瘫痪，而且又难以判断其故障位置。5) RS-485 总线采用主机轮询方式，这样会造成以下的弊端： 通信的吞吐量较低，不适用于通信量要求较大（或平均通信量较低，但呈突发式的）场合。 系统较大时，实时性较差。 主机不停地轮询各从机，每个从机都必须对主机的所有查询作出分析，以决定是否回应主机，势必增加各从机的系统开销。 当从机之间需要进行通信时，必须通过主机，增加了从机间通信的难度及主机负担。6) RS-485 总线长距离传输(1200 米以上)时一般暴露于户外，极易因为雷击等原因引7入过电压。RS-485 收发器工作电压较低（ 5V 左右） ，其本身耐压也非常低（-7V+12V） ，一旦过压引入，就会击穿损坏。通信节点受损后无法恢复，因此必须采取多种措施加以保护。2.2.3 CAN 接口标准CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 作为一种多主方式的串行通讯总线，具有高位速率和较高的抗电磁干扰性能，而且能够检测出通讯总线上产生的任何错误。CAN 总线的具体特点将在第 3 章中做详细阐述。2.3 系统硬件整体设计根据系统功能和主要性能指标，系统硬件设计整体分为一下 3 部分：1) CAN 总线粮仓测控节点设计 CAN 总线粮仓测控节点由微机控制器及辅助电路、CAN 总线接口电路、温湿度测量及通风控制电路和电源供电模块电路四个硬件模块构成。该节点为温湿度的测量和通风设备控制提供了良好的硬件平台，同时也构成了 CAN 网络通信的物理链接，是完成 CAN网络通信的硬件基础。详细的设计说明将在第 4 章作具体的阐述。2) RS232-CAN 网络适配器设计 RS232-CAN 网络适配器设计由 CAN 网络接口与 RS232-CAN 网络接口两部分组成，其功能是实现 CAN 总线与 RS232 串行总线之间的数据传输和转换。它在 CAN 总线和RS232 总线之间起到了桥梁的作用。详细的设计将在第 5 章作具体的阐述。3) 温湿度传感器组设计 现场选用 DS18B20 作为主要的传感器，每根测温电缆由 4 个 DS18B20 组成，分别测量粮仓上层、中上层、中下层和下层的温度情况。粮仓每隔 3 米设计有一个分支连接器，均匀分布于整个粮仓，用于挂接装有 DS18B20 的测温电缆。装有 DS18B20 的测温电缆将被放入粮食堆放的地方。详细的传感器选择和节点及布线设计将在第 6 章作以阐述。2.4 本章小结本章从系统所要实现的功能、系统设计原则、技术指标和通讯方式能方面进行探讨、比较，选择确定了最合适的系统总体的设计方案。系统分为监控计算机（或工控机）、CAN 总线网络适配器、CAN 总线粮仓智能测控节点三个主要部分组成（系统的总体结构见图 1.1）。83 CAN 总线3.1 CAN 总线简介控制器局域网 CAN 为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。由于它具备多主从、交错能力、强噪声抑制能力，而且现在又出现了大量与之相关的电子设备，因此己被广泛应用于集散控制领域。CAN 协议只取了 ISO 开放系统互联参考模型底层的物理层及数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质可为双绞线或光缆。最高通信速率可达 1Mbps/40m (传输距离小于或等于 40m 时，最大通信速率为 1Mbps)，直接传输距离最远可达 10Km/5Kbps(通信速率为小于或等于 5KbpS 时，最大传输距离为10Km)。3.2 CAN 总线的性能特点由于 CAN 总线采取了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：1) CAN 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。2) CAN 为多主从方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。这种通信方式比较灵活，可以方便地构成多机备份系统。3) CAN 网络上的节点信息分成不同的优先权，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在 134us 内得到传输。4) CAN 采取非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先权较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。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。5) CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度 ”。6) CAN 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)。7) CAN 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个；在标准帧报文标识符有 11 位，而在扩展帧的报文标识符的个数几乎不受限制。8) CAN 的报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。9) CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施，有极好的检错结果。10) CAN 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光缆，选择灵活。11) 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。3.3 CAN 总线位值表示与通信距离CAN 总线用“显性”(Dominant)和“隐性”(Recessive)两个互补的逻辑值表示“0” 和“1”。9当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线数值为显性(即“0”与“1” 的结果为“0”) 。如图 3.1 所示， 和 为 CAN 总线收发器与总线之间的两接口引脚，信CANHVAL号是以两线之间的“ 差分”电压形式出现。在隐性状态 和 被固定在平均电压电CANHVAL平附近， 近似于 0。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位。显性位以大于最小阀值dif的差分电压表示。CAN 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关。两节点间的最大距离如表 3.1 所示。3.4 CAN 总线的技术规范随着 CAN 在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。为此，1991 年 9 月 Bosch 公司制定并发布了 CAN 总线技术规范(Version2.0)。该技术规范包括A 和 B 两部分。2. 0A 给出了 CAN 报文标准形式，而 2. 0B 给出了标准的和扩展的两种格式。此后，1993 年 11 月 ISO 正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局域网(CAN)国际标准 ISO11898，为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。3.4.1 CAN 总线的分层结构为使设计透明和执行灵活，根据 ISO/OSI 参考模型， CAN 总线分为数据链路层(包括逻辑链路控制子层 LLC 和媒体访问控制子层 MAC)和物理层(包括物理信令 PLS、物理媒体附属装置 PMA、媒体相应接口 MDI)，CAN 的分层结构。在 CAN 技术规范 2.A0 的版本中，数据链路层的 LLC 和 MAC 子层的服务和功能被描述为“目标层” 和“传送层” 。LLC 子层的主要功能是为数据传送和远层数据请求提供服务，确认由 LLC 子层接收的报文实际己被接收，并为恢复管理和通知过载提供信息。在定义目标处理时，存在许多灵活性。MAC 子层的主要功能是规定传送协议(即控制帧结构)、执行仲裁、应答、错误检测、出错标定和故障界定。如开始一次新的发送，MAC 子层还要确定总线是否开放或者是否正要开始接收。同时，位定时特性也是 MAC 子层的一部分。MAC 子层不存在修改的灵活性。物理层的主要功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。在一个网络内，物理层的所有节点必须是相同的。然而，物理层存在很大的灵活性。CAN 总线技术规范 2.0B 定义了数据链路层中的 MAC 子层和 LLC 子层的一部分，并描述了与 CAN 有关的外层。物理层定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码和同步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器/接收器特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。MAC 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC 子层由称为故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。LLC 子层的主要功能是报文滤波、过载通知和恢复管理。表 3.1 CAN 总线系统任意两节点之间的最大距离103.4.2 CAN 报文类型和传送CAN 总线报文传送由 4 种不同类型的帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。最常用的是数据帧。数据帧携带数据从发送器至接收器。它由 7 部分组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结尾。CAN 协议支持两种报文格式，其唯一的区别在于标识符(ID)长度的差异，标准格式为 11 位，扩展格式为 29 位。在标准格式中，报文的仲裁场由 11 位标识符和远程发送请求位(RTR)组成。RTR 位标明该帧是数据帧还是远程帧，在远程帧中没有数据字节。数据场的长度可以为 0-8 个字节。数据帧的标准格式和扩展格式的结构下图所示：图 3.1 数据帧的标准格式和扩展格式在 CAN 总线进行数据传送时，发出报文的单元称为报文的发送器，该单元在总线空闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空闲状态，则该单元为接收器，尽管该单元不一定真正接收此报文。CAN 总线上的数据报文传送主要有三种方式：请求数据、发送数据和中断服务处理。当 CAN 上的节点接收一个报文时，与所使用的 CAN 结构相关的标识符就会与验收滤波器或者用户在 CAN 控制器定义的标识符列表进行比较。如果标识符匹配，它就会被节点接收并产生 CPU 中断。因而相同的报文能够被希望建立通讯的节点所接收。3.4.3 CAN 总线仲裁和错误检测当许多节点同时向总线发送报文时，必然引起冲突，必须通过仲裁避免总线瘫痪。CAN 总线利用优先权解决总线仲裁问题，其机理是基于竞争的仲裁。当节点开始传送它们各自的报文时，标识符的每一个位都被写到总线里，而且能被每一个节点读回。如果一个节点写进了隐性位而读回显性位，它会知道另一个较低标识符号码的（高优先权）节点正在访问总线。它会停止传送报文并继续接收更重要的报文，这种技术叫做“ 非破坏性逐位仲裁 ”。它保证了发送一个高优先权报文赢得仲裁并能够在一个时间限度内达到目的节点，这些都是由系统设计者来控制的。必须注意如果两个节点用同样的标识符发出数据，两个都会得到总线的仲裁并开始传输数据。一般情况是两个节点都会后退并且重新开始整个传输过程，在最坏的情况下会锁死网络。11CAN 协议有五种错误检测方法：三个报文级的，两个位级的。如果一个报文出错，那么错误检测的任何一个方法都能使节点不接收报文并产生一个出错帧，使所有的节点都忽略它并使发送节点重新发送此报文。3.5 本章小结本章简要介绍了 CAN 总线的性能特点和物理电气特性，并根据 CAN 总线的分层结构，分析了物理层和数据链路层的相关功能，最后主要对 CAN 总线的技术规范的内容作了详细的介绍。124 CAN 总线粮仓测控节点硬件设计系统的粮仓测控节点专门负责温湿度的监测和通风控制任务，并且节点采用了单总线测温技术，避免了测温网络的复杂化，本章将阐述粮仓测控节点各个硬件电路模块的设计和实现（节点总体电路图可见附录 A）。4.1 微机控制器及辅助电路微机控制器及辅助电路图如图 4.1 所示，它由微控器 ATmega16、ISP 下载线接口、看门狗 MAX706 和粮仓 ID 输入器件（8 位拨动开关）构成。它将完成系统复位、数据存储、节点 ID 输入等工作。4.1.1 微机控制器 ATmega16ATmega16 是 ATMEL 公司的 AVR 单片机，是一款基于 AVR RISC 的低功耗 CMOS 的 8 位单片机。通过在一个时钟周期内执行一条指令，ATmega16 可以取得接近1MIPS/MHz 的性能，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这RESTM1VC2GND3PFIWO765UX0K-B(/)9LmegapYHzdr图 4.1 微机控制器及辅助电路13种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节 EPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C)，片内 /外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 4.1.2 看门狗 MAX706MAX706 是 MAXIM 公司推出的一款廉价、实用的微处理监控器件，广泛用于各种手持式、只能设备及计算机、通信设备中。Max706 具有以下几个功能 ：281) 提供上电复位、断电复位功能；2) 提供独立的看门狗保护功能；3) 提供电源电压检测报警功能；4) 提供手动复位功能。Max706 有以下特点：1) 200ms的复位时延；2) 对手动复位信号消抖、兼容TTL/CMOS；3) 独立的 1.6s 时长 watchdog。看门狗 Max706 主要用于防止系统程序跑飞而造成的工作异常，同时它也将实现系统上电复位、手动复位等功能。系统加电时，Max706 能自动产生脉冲宽度为 200ms 的复位脉冲，使系统复位。Max706 芯片共有 8 个引脚，其引脚 WDI 接至 ATmega16 的 P3.2，由 P3.2 提供喂狗信号。如果 P3.2 在 1.6 秒内无触发信号，则 Max706 的内部定时器将溢出，其输出端( )输出一低电平，此信号通过二极管 D2 接至手动复位端 ， 变WDO MR低会引发 RESTE 端产生复位信号，可使系统复位，重新运行程序。如果系统要手动复位，按下并松开图中的复位开关 K2 使 获得低电平便可使 RESTE 端输出复位信号。MR4.1.3 外部 ID 输入器件外部 ID 输入电路部分主要是用于几点微控器读取外部 ID，它由一个 的排电810K阻和一个 8 位拨动开关构成。ATmega16 的 I/O 口的驱动能力较 51 单片机要强很多可以不用外接 74LS244 进行驱动，可以直接通过 P2 口可读入用户设定的粮仓节点 DI 号，方14便设计人员给每个粮仓节点设置 ID，增强节点的通用性并提高下位机程序的可移植性。4.2 CAN 总线接口电路CAN 总线接口电路图如图 4.2 所示，它由微控器 CAN 控制器 SJA1000 和通用 CAN隔离收发器 CTM8251T 构成。 SJA1000 将完成 CAN 通信协议的所有要求，通用 CAN 隔离收发器 CTM8251T 是 CAN 控制器与物理总线间的接口，实现总线与控制器的隔离收发。4.2.1 SJA1000SJA10