基于CAN總線的智能型溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要:設(shè)計(jì)一種基于CAN總線的智能型溫濕度數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩大模塊構(gòu)成:現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊和USB-CAN轉(zhuǎn)換接口模塊。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集是以AT89S52單片機(jī)為核心控制單元，外接溫度傳感器AD590和濕度傳感器HM1500，通過CAN總線控制器SJA1000將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上;USB-CAN轉(zhuǎn)換接口模塊是以ATmega 162芯片為控制單元，外接FT245BM USB通信芯片及SJA1000控制器，實(shí)現(xiàn)USB-CAN接口轉(zhuǎn)換。整個(gè)系統(tǒng)的終端設(shè)備為監(jiān)控PC機(jī)，用戶軟件采用VC++語言編寫，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控、上下限報(bào)警和中斷接收數(shù)據(jù)管理等功能。

關(guān)鍵詞:CAN總線;單片機(jī);數(shù)據(jù)采集;USB-CAN接口轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào):TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)01-126-03

Design of Intelligent System for Humidity and Temperature

Acquisition Based on CAN Bus Technology

LIU Yang，JIN Taidong

(School of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun，113001，China)

Abstract:An intelligent online acquisition system for humidity and temperature is designed.The system is mainly constituted by two modules:field data acquisition module and USB-CAN converter interface module.Field data collection is based on single chip AT89S52 as the core control unit，AD590 temperature sensor and humidity sensor HM1500 as auxiliary devices.The data is sent CAN bus by the controller SJA1000.USB-CAN converter interface module is based on ATmega 162 chip as the control unit，F(xiàn)T245BM USB communications chip and SJA1000 controllers as auxiliary devices.Then，USB-CAN interface conversion has been achieved.The terminal device of the entire system is the monitoring PC.Client software is written by VC++ language，and it can achieve the monitoring for status in field，alarming for the site of upper or lower limits，management of the receiving data for disruption and so on.

Keywords:CAN bus;single-chip microcomputer;data acquisition;USB-CAN interface conversion

0 引 言

溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在環(huán)境試驗(yàn)、科學(xué)研究(諸如種植、養(yǎng)殖、生物工程、化工工程)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)。它能模擬各種環(huán)境條件，即按照實(shí)際要求精確控制環(huán)境的溫度和濕度，為研究不同的生化過程創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。因此，溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、冶金、化工、林業(yè)、環(huán)境科學(xué)及生物遺傳工程等領(lǐng)域。

為了滿足化學(xué)工業(yè)過程對(duì)環(huán)境條件的需求，我們?cè)趥鞲衅髦悄芸刂品桨负途唧w應(yīng)用中做了大量的研究和可行性分析，開發(fā)了一種具有智能化功能的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊和接口模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊采用了以單片機(jī)AT89S52為核心外接傳感器的結(jié)構(gòu)框架，保證了系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。而接口模塊則采用了處于當(dāng)前通信領(lǐng)域前沿的USB-CAN轉(zhuǎn)換接口模塊，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提供了堅(jiān)實(shí)的通信保障，而且筆者認(rèn)為這種通信方式已經(jīng)成為了工業(yè)化通信的發(fā)展方向。

1 溫濕度采集模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

溫濕度采集模塊的硬件電路由CAN總線的SJA1000控制器、TJA1050收發(fā)器、溫度傳感器AD590、濕度傳感器HM1500和單片機(jī)TA89S52芯片組成，其電路框圖如圖1所示。

圖1 溫濕度采集模塊電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路的核心采用美國(guó)AD公司生產(chǎn)的二端式集成溫度-電流傳感器AD590，該器件體積小、重量輕、性能穩(wěn)定，且非線性誤差小和校準(zhǔn)方便、互換性好、功耗極低、適合于動(dòng)態(tài)溫度測(cè)試和遠(yuǎn)距離測(cè)溫[1]。溫度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 溫度信號(hào)采集電路

在傳感器輸出信號(hào)處理方面，由于被測(cè)量含有一定的干擾信號(hào)，所以采用放大器芯片LM324和穩(wěn)壓管D對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行二次處理。AD590的電源電壓范圍為4~30 V，可以承受44 V正向電壓和20 V反向電壓，因而即使反接也不會(huì)損壞器件。穩(wěn)壓管D1連接可調(diào)電阻用于保證A點(diǎn)(即放大器反相端)的輸入電壓;穩(wěn)壓管D2限制了電源所提供的電壓電流，通過連接可調(diào)電阻，保證了B點(diǎn)(即放大器同相端)的輸入電壓，而且適當(dāng)?shù)馗淖僐8和R9的電阻值，可以改變輸出電壓的線性放大倍數(shù)。

1.2 濕度檢測(cè)電路

濕度檢測(cè)電路采用集成溫度傳感器HM1500，其輸出電壓在1~4 V間隨溫度線性變化。由于該設(shè)計(jì)采用的是單電源結(jié)構(gòu)，濕度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 濕度信號(hào)采集電路

線性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500采用濕敏電阻HS1101設(shè)計(jì)制造，其濕度測(cè)量范圍為5%~99%(相對(duì)濕度);相對(duì)濕度精度為3%;工作溫度為-30~+60 ℃;工作濕度范圍為0%~100%(相對(duì)濕度);供電電壓為5 V(最大電壓為DC 16 V);可輸出DC電壓為1~4 V;響應(yīng)時(shí)間為5 s，適用于動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。

由于該電路中沒有負(fù)壓，電路的主體采用差分式減法電路。通過設(shè)置R3，R4，R6，R7這四個(gè)精密電阻可調(diào)節(jié)增益，其輸出電壓的計(jì)算公式為:

Vout=R3R4(Vin-Vs)=R7R6(Vin-Vs)

圖3中R1可以用來消除由于傳感器差異而帶來的誤差。

2 CAN總線接口電路

本系統(tǒng)選取PHILIPS公司CAN總線控制器SJA1000以及收發(fā)器TJA1050，考慮到SJA1000是一種獨(dú)立的CAN總線控制器，同時(shí)支持CAN 2.0A和CAN 2.0B協(xié)議，通信速率可達(dá)1 Mb/s，能夠完成通信協(xié)議的所有要求。TJA1050是CAN總線控制器與物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器，其可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能。SJA1000主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路層的工作，把發(fā)送緩沖器的信息經(jīng)過處理后送到TJA1050，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后放到接收緩沖器等待微處理器的讀取[2，3]，CAN總線接口電路框圖如圖4所示。

圖4 CAN總線接口電路結(jié)構(gòu)框圖

3 USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊接口電路

由于計(jì)算機(jī)沒有專用的CAN總線接口，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)模塊單元將CAN總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB接口數(shù)據(jù)，模塊的一端接監(jiān)控計(jì)算機(jī)的USB接口，另一端接CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口[4]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用Atmel公司的ATmega 162芯片。總線控制器SJA1000實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，接收方式仍采用中斷方式;USB通信控制芯片F(xiàn)T245BM實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收;ATF16V8負(fù)責(zé)對(duì)兩個(gè)接口芯片得地址進(jìn)行編碼。USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括:監(jiān)控PC機(jī)通信處理軟件、溫濕度控制算法軟件和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與處理軟件。軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分成若干相對(duì)獨(dú)立功能模塊，并為各模塊安排適當(dāng)?shù)娜肟诤统隹趨?shù)，使得模塊之間的相互連接組合靈活方便。系統(tǒng)軟件模塊主要由數(shù)據(jù)采集、溫度傳感器的線性化校正、鍵盤輸入、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示、輸出控制、CAN總線通信等組成，各模塊在監(jiān)控程序的調(diào)度下協(xié)調(diào)工作。

圖5 USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)框圖

4.1 通信處理軟件

采用Window XP SP3作為平臺(tái)、VC++語言進(jìn)行編程。包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、本機(jī)狀態(tài)查詢、上下限報(bào)警、中斷接收數(shù)據(jù)管理等功能模塊。監(jiān)控PC機(jī)首先對(duì)CAN總線適配器及自身進(jìn)行初始化，然后發(fā)送命令通知特定節(jié)點(diǎn)向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，通過CAN總線適配器轉(zhuǎn)換后，由監(jiān)控PC機(jī)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)處理，監(jiān)控PC機(jī)采用定時(shí)循環(huán)掃描方式向各節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。

4.2 節(jié)點(diǎn)軟件

節(jié)點(diǎn)軟件由初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收三部分組成。初始化程序放在主程序的最前端，考慮到系統(tǒng)對(duì)程序運(yùn)行效率的要求，數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收采用中斷方式進(jìn)行。當(dāng)監(jiān)控PC機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)采集時(shí)，將采樣點(diǎn)所在區(qū)域的溫濕度和CAN節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳送給上位計(jì)算機(jī)，完成溫濕度傳感器的采樣和控制算法。

5 結(jié) 語

基于CAN總線的智能型傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)過程中溫濕度的自動(dòng)測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程溫控濕控、保持環(huán)境溫濕度符合工藝要求提供了高效的測(cè)控手段。USB-CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的使用，使數(shù)據(jù)的傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的RS 232轉(zhuǎn)換，而且支持“熱插熱拔”，使用方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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