现场总线大作业

1、 南京工程学院 现场总线大作业 课程名称 基于CANopen总线的温度测量节点的设计 院（系、部、中心） 自动化学院 专 业 自动化 班 级、 姓 名 数控133 吴雅雯 起 止 日 期 2016/11/4 -2016/12/14 37 目录一、设计任务 3二、总体方案 3 三、 硬件设计 4四、软件设计 6五、设计总结 8六、参考文献 8一、 设计任务1 系统整体方案设计，包括（1）课题分析，方案选择；（2）主控制器和通信控制器的选择；（3）温度传感器的选择（4）系统总体结构框图及各模块功能。2系统硬件设计，包括： 2.1测量对象的数据采集（1）测量电路的设计；（2）数据采集电路的设计； 2

2、.2 CAN通信最小系统的设计（ 1）主控制器最小系统电路（2）根据主控制器的类型（是否集成CAN控制器功能）设计CAN通信接口与驱动电路；3CANopen通信节点的软件设计；（1）数据采集模块程序流程；（2）主程序流程设计；（3）底层CAN通信程序流程设计，及各功能模块子程序设计，包括：初始化程序设计、接收报文程序设计、发送报文程序设计；（4）应用层的CANopen协议程序设计；（5）CANopen对象字典部分的程序设计，依据DS301和DS401对CANopen 对象字典进行配置；二、总体方案CAN是 ControlerAreaNetwork的缩写, 即控制器局部 网, 通常称为 CANb

3、us(CAN总线), 是一种支持分布式控制的串行通信协议。 CAN最初出现在汽车工业中, 是 20 世纪 80年代德国 Bosch公司为汽车的监控、控制系统而设计的,主要是解决汽车中的电子控制装置之间的通信, 减少不断增 加的信号线 。 CAN总线的直接通信距离最远可以达到10 km, 此时通信速率为 5 kbps以下;而通信速率最高可达1 Mbps, 此时通信距离长为 40 m。 同时 CAN总线的通信媒 介采用双绞线或光纤 , 选择灵活, 其结构较简单, 总线接口芯 片支持 8位、16位的 CPU。由于 CAN总线采用短帧结构, 在标准格式中 , 短帧的字 节数为 8个, 因此传输时间短,

4、 受干扰的概率低, 重新发数据 帧的时间短, 并且每帧信息都有 CRC校验及其他检错措施, 这样可以保证极低的数据出错率。 CAN总线上的节点在错 误严重时, 可以自动关闭总线的功能, 使总线上的其它操作 不受到影响。 由于 CAN总线的数据通信具有卓越的特性及 极高的可靠性, 因而非常适合工业过程监控设备互连, 也是 最有前途的现场总线之一 2 。 由于 CAN总线的特点, 使得 其广泛地应用于电力、航空航天、治金、交通工具、机器人、医 疗设备、环境监控和家用电器等众多领域。 本文提出基于 CAN总线的温度测量节点的设计。1 系统总体结构设计图 1 分布式温度测量节点结构框图根据系统的设计要

5、求, 其总体设计结构如图 1所示。 整 个系统由主站节点、分布式温度测量节点两部分组成。 由于 基于 CAN总线的温度测量节点是一种分布式、实时的通信 系统, 可采用主从方式通信, 其特点就是系统中任一节点设 一为主站节点, 其余均为从站节点, 主站节点通过 CAN总线与各个从站节点进行通信。 我们只需设一个主站节点作为 主监控器, 以点对点方式进行通信, 其余的从站均为各个温 度测量节点。 各个节点都通过 CAN总线实现信号数据的连 接, 各个温度测量节点具有较强的独立性, 具有工作可靠性、 性能稳定、测量精确、安装调试方便、造价低廉等特点。三、硬件设计CAN总线温度测量节点主要任务是温度采

6、集与 CAN通 信, 其硬件结构框图如图 2 所示。 硬件电路由微处理器STC89C52、总线控制器 SJA1000、总线驱动器 PCA82C50和传感器 DS18B20四个部份组成。 微处理器负责对 SJA1000 和 DS18B20进行初始化, 通过总线控制器 SJA1000实现数据 的接收和发送等通信任务。图 2 温度测量节点硬件电路结构框图2.1 温度传感器 DS18B20DS18B20是美国 DALLAS公司推出的第一片支持“一线 总线”接口的温度传感器 3 , 该传感器只需一个端口引脚进 行通信, 就可以实现多点分布的应用, 具有低功耗、高性能、 抗干扰强等优点。 其传感器的特性为

7、:(1)温度测量范围宽, 能测到 -55 125 的温度, 在 -10 +85 时精度为正负 0.5 。(2)提供 9 -12位的测量分辩率, 对应的温度精度分别 为 0.5 、0.25 、0.125 和 0.0625 , 实现了高精度的 测量。(3)接口方式独特, 仅需一条信号线就可以实现与微处 理器的双向通信。(4)测量出的温度能直接转化成串行数字信号供 CPU 处理, 同时还传送 CRC校验码, 具有很强的抗干扰纠错能力。温度传感器的电路设计由单片机的引脚 P3.5与传感器 DS18B20的 DQ脚相连, 实现微处理器与传感器的双向数据 的通信。 同时 DQ单总线外接一 4.7 k的上拉

8、电阻。 温度传 感器的电路图如图 3所示。2.2 CAN通信电路的设计 CAN通信电路是整个系统实现通信的关键部分, 系统 中各个节点和节点控制器是通过 CAN通信电路接入 CAN 总线网络上的, 实现信号数据的传输。 CAN通信电路采用STC89C52 处理器、 PHILIPS公司的总线控制器 SJA1000、NXP公司的总线收发器 82C250和高速光电耦合器 6N137 等器件组成。 在 CAN通信电路中微处理器负责对 SJA1000 进行初始化, 各信号通过 CAN总线控制器实现信号数据的 接收和发送等通信任务。 同时为了增加 CAN总节点的抗 干扰能力, 更好地实现了总线上各 CAN

9、节点间的电气隔离, SJA1000的 TX和 RX引脚通过连接光耦 6N137 后再与总线 收发器 PCA82C250 相连, 总线收发器 82C250 的 TXD和 RXD分别接光耦 6N137的输出 OUT和输入 IN端, 再通过具 有差动发送和接收功能的总线终端 CAN H和 CAN L连接 入总线电缆中, 完成通信的传输。 图 3 温度传感器电路 四、软件设计温度测量节点的软件设计包括 CAN总线初始化、发送 子程序及中断接收程序软件设计和温度传感器 DS18B20的 程序设计。 其节点流程图如图 4所示。图 4 温度测量节点流程图3.1 CAN初始化程序 CAN初始化即初始化 CAN

10、节点 。要保证通信正确可靠 则必须先对控制器 SJA1000进行初始化参数设置。 初始化 设置是通过微处理器对 SJA1000的寄存器进行初始化, 这些 初始化包括控制寄存器的配置、命令寄存器的配置、状态寄 存器的配置、中断管理寄存器的设置、总线定时寄存器的配 置、输出控制寄存器的设置以及时钟分频寄存器的设置等。 系统上电后, 对 CAN初始化只有在复位模式下才可以开始, 初始化设置完成后, CAN控制器就可以回到工作状态, 即进 入工作模式 , 执行正常的通信任务。 CAN控制器初始化流 程图如图 5所示。图 5 CAN控制器初始化流程图3.2 CAN通信电路程序CAN总线节点要完成通信任务

11、则还必须包括发送子程 序及中断接收程序 4 。 发送子程序负责各节点报文的发送 任务。 发送时只需将待发送的数据信息按特定的格式组合 成一帧报文, 送入 CAN控制器 SJA1000的发送缓冲器中, 启 动 SJA1000发送即可完成发送报文任务。 在向 SJA1000发送缓冲器发送报文之前, 可先做一些判断, 判断其是否正在 接收数据、先前发送是否成功以及发送缓冲器是否锁定等 等, 以确保数据发送的可靠性。中断接收程序主要是负责节点报文的接收以及其它中 断情况的处理。 当进入中断后要进行是否有数据的判断, 以 防干扰误中断。3.3 温度传感器的程序设计温度测量节点电路上电后也要进行初始化设置, 初始化 完成后, 温度测量节点中的温度传感器对采集到的数据信息 实时处理、现场数据实时显示, 并判断采集的信息是否超过正 常值, 如出现异常, 则报警提示并通过 CAN通信电路进行通信。 五、设计总结 本文主要介绍了以 DS1820 为传感器测温的程序及SJA1000 部分程序流程图。基于 CAN 总线温度测量节点的设计具有良好的可靠性和实时性，得到了广泛的应用，已广泛应用于工业现场，化工、食品生产、温室温度控制