基于CAN總線的多點紅外測溫系統(tǒng)設計

摘要：在工業(yè)控制領域，溫度測量是不可或缺的工作。隨著工業(yè)控制精細化、多點化要求，多點測溫系統(tǒng)的需求空間越來越大。本文基于CAN總線設計了一個多點測溫系統(tǒng)，硬件電路由微處理器、CAN控制器與驅(qū)動器、數(shù)字測溫芯片DS18B20、LCD、復位電路等幾部分組成，單片機STC89C52RC是硬件電路的核心，承擔 CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)控制等任務。實驗證明，該系統(tǒng)精度高，可靠性好，結構簡單，成本低，適用范圍內(nèi)可取代傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)。

關鍵詞：CAN總線；多點測溫系統(tǒng)；DS18B20溫度傳感器

1 引言

在工業(yè)控制領域，溫度測量是不可或缺的工作。隨著工業(yè)控制精細化、多點化要求，多點測溫系統(tǒng)的需求空間越來越大。CAN（控制器域網(wǎng)，Controller Area Network）總線在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點以及它的高價比決定了它在眾多領域具有廣闊的發(fā)展前景，尤其是在分布在多點測溫應用方面。本文基于 CAN 總線設計了一個多點紅外測溫系統(tǒng)，能夠?qū)崟r對多點進行測溫，具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應能力強等特點。

2 硬件設計

CAN 總線多點測溫系統(tǒng)主要由現(xiàn)場設備，主控設備和計算機組成，系統(tǒng)總體結構圖如圖 1。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2.1 溫度測量電路設計

DS18B20 傳感器可以把溫度直接轉換成串行數(shù)字信號供微控制器進行處理。由于每個傳感器含有唯一的硅串行數(shù)，故一條總線上可以有任意多個 DS18B20 芯片。 本設計中的 DS18B20 是在模擬的現(xiàn)場節(jié)點上的，采用不同材質(zhì)的通信電纜，其最大測溫范圍不一樣。因此，使用 DS18B20 設計長距離測溫系統(tǒng)時，電容與阻抗匹配問題是不可忽略的一個因素。DS18B20 的寄生電源模式有兩項基本功能，一是保證微處理器和 DS18B20 之間的正常通訊，二是為 DS18B20 提供電源。實際應用中當單總線上所掛 DS18B20 超過 8 個時，就需要考慮微總線驅(qū)動問題，這一點進行測溫時要尤為注意。

2.2 CAN總線通訊節(jié)點電路設計

本文選用選用 STC 的單片機做為主控器，選用 CAN 控制器和 CAN 驅(qū)動器來構建 CAN 通訊網(wǎng)絡。主要由三部分構成：微控制 STC89C52、獨立 CAN 通 信控制器 SJA1000 和 CAN 總線收發(fā)器 PCA82C250；微處理器 STC89C52 負責 SJA1000 的 初始化，通過控制 SJA1000 實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的接收與發(fā)送；SJA1000 的 AD0 ～ AD7 連接到 STC89C52 的 P0 口上，CS 連接到 STC89C52 的 P2.0，P2.0 為 0 的 CPU 片外存貯器地址可選中 SJA1000，CPU 通過這些地址可對 SJA1000 執(zhí)行相應的讀寫操作。

2.3 數(shù)碼管顯示電路設計

由于 STC89C52 的 P1、P2、P3 口內(nèi)部都有上拉電阻，為了減少硬件電路的復雜度，在這里選用 STC89C52 的 P1 口來做為數(shù)碼管的段碼控制口，P2 口的四位做為數(shù)碼管的位選信號，從而省去了數(shù)碼管復雜的驅(qū)動電路，也降低了硬件設計的難度；為了節(jié)省單片機的端口資源，同時降低成本，這兒選用四位一體的共陰數(shù)碼管做為顯示設備，采用動態(tài)掃描的方法顯示，比著用四個獨立的數(shù)碼管來顯示要容易的多，硬件也簡單的多。

2.4 液晶接口電路設計

根據(jù)設計要求，主控板需要將模擬的三個現(xiàn)場節(jié)點的溫度值讀取過來并在液晶上顯示，為了能夠同時顯示漢字和字符，這兒選用 YJD12864 做為液晶顯示模塊，相比于只能顯示字符的 1602，12864 的顯示更加美觀，更加人性化。YJD12864 有并行數(shù)據(jù)傳輸和串行數(shù)據(jù)傳輸兩種工作方式，本設計選用 8 位并行傳輸方式，STC 單片機的 P1 口做為 12864 的數(shù)據(jù)口；P2.1 接 12864 的 4 腳，用來向 12864 發(fā)送數(shù)據(jù)和控制指令；P2.2 接 12864 的 5 腳，用來通知 12864 本次操作是讀操作還是寫操作；P2.3 接 12864 的 6 腳，對 12864 操作的使能信號，高電平使能操作。

2.5 串口通訊電路設計

設計要求中規(guī)定，現(xiàn)場設備將溫度值傳給主控設備，然后主控設備再將數(shù)據(jù)傳送到上位機顯示，并且上位機可以隨時更改現(xiàn)場設備參數(shù)，從而實現(xiàn)遠程控制；為了滿足上述設計要求，這里使用 485 加 232 的方式通訊，由于 232 的傳輸距離有限，雖然 CAN 總線寬范圍的傳輸距離能夠彌補 232 這一缺點，且設計成本低，但考慮到現(xiàn)場的各種干擾信號比較復雜，一旦現(xiàn)場噪聲到達極值時可能會連同上位機一并損壞；而 485 則不同，它是一個半雙工通訊器件，其采用平衡壓差的方式傳輸數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)線上的衰減和干擾都大大降低，從而加大了傳輸距離，提高了抗干擾能力，故在這里又加了一層 485 的通訊，不僅使現(xiàn)場和上位機有效地隔離，而且進一步加大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。

3 軟件設計

智能 CAN 總線節(jié)點的軟件主要用來完成三項任務：一是溫度傳感器的采樣；二是現(xiàn)場節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給主控節(jié)點，由主控節(jié)點將數(shù)據(jù)處理之后送給上位機顯示；三是主控節(jié)點隨時準備接收上位機傳來的參數(shù)，并通過 CAN 總線發(fā)給現(xiàn)場節(jié)點修改相關參數(shù)。主控節(jié)點的流程如圖 2。

圖2 主控節(jié)點流程圖

3.1 溫度采樣系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)，主要操作包括高低溫報警數(shù)據(jù)的寫入、溫度數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)處理、碼制轉換以及數(shù)碼顯示等幾部分；對 DS18B20 處理時要注意以下幾點：①每次讀寫之前要復位；②收到信號后等待 16 ～ 60 μs 后發(fā)出 60 ～ 240 μs 的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號后表示復位成功；③緊接著依次發(fā)送一條 ROM 指令、RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行正確操作。

3.2 CAN通訊控制器初始化

CAN 初始化主要是設置 SJA1000 的參數(shù)。需要初始化的 CAN 控制寄存器有：模式寄存器、時鐘分頻寄存器、接收代碼寄存器、輸出控制寄存器等。SJA1000 的初始化程序如下：

3.3 LCD顯示及串口發(fā)送接收軟件設計

液晶 YJD12864 的初始化程序流程圖如圖 3 所示。

在這里需要說明一下，上位機給主控板發(fā)數(shù)據(jù)時，當發(fā)送的第1個數(shù)據(jù)是字符“$”，最后1個數(shù)據(jù)是字符“*”時，主控板才認為接收到的是有效數(shù)據(jù)，否則，主控板不對接收到的數(shù)據(jù)進行處理；用發(fā)送的第 2 個字符來區(qū)分要發(fā)送的數(shù)據(jù)是送給哪一個現(xiàn)場節(jié)點的，字符“A” 表示現(xiàn)場節(jié)點 1，字符“B”表示現(xiàn)場節(jié)點 2，字符“C”表示現(xiàn)場節(jié)點 3；第 3 ～ 6 個字符是要傳送的高低溫報警值，高溫在前，低溫在后。

4 實驗結果分析

為了驗證設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，對系統(tǒng)顯示模塊、測溫模塊、CAN 總線模塊及串口通信進行調(diào)試。調(diào)試完畢后，我們用設計的測溫系統(tǒng)在實驗室不同時間段不同地點采集十組數(shù)據(jù)，其中上午測試五組，下午測試五組，除了測溫方式不同，其他因素全部相同，具體數(shù)據(jù)如表 1 所示。

由表可知，系統(tǒng)對照值與測量值，最大偏差小于0.2，系統(tǒng)測溫方案的可靠性較強。

5 結語

本文利用紅外輻射測溫的原理，計了一種基于 CAN 總線和 DS18B20 為傳感器的多點紅外測溫系統(tǒng)，硬件電路由單片機 STC89C52、CAN 控制器、測溫芯片 DS18B20、LCD、LED、串行通訊口、復位電路等幾部分組成?；?CAN 總線的多點紅外測溫系統(tǒng)具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應能力強等特點。該系統(tǒng)通過 CAN 適配器與計算機連接，可以方便地構成分布式測控系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)不僅具有高精度溫度測控功能，而且通過 CAN 總線實現(xiàn)對多個地區(qū)溫度進行集中監(jiān)控，具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應能力強等特點。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)