基于CAN總線的遠程水溫水位測控系統的研究

王公堂，于國棟

（山東師范大學物理與電子科學學院，山東濟南250014）

隨著城市化建設的快速發展，智能住宅小區不斷涌現，小區中生產和供應熱水的太陽能集熱熱水工程設備多、分散安裝在各個樓頂，通常管理人員需要上到樓頂才能實現控制和管理，十分不便。遠程測控系統能夠對生產和供應熱水的設備進行遠程測控，降低管理成本，管理方便。

一般測控網絡多采用RS-485作為現場總線［1］，但由于其存在著傳輸距離小于1 km、通訊失敗率高的局限性，決定了RS-485不適合小區范圍里5 km以內的通訊。與RS-485相比，CAN總線［2］是一種有效支持分布式的串行通信網絡，實時性強，可靠性高，抗干擾能力強。CAN總線在傳輸距離小于40 m時，最大傳輸速率可達到1 MB/s，當傳輸距離為10 km時，目前CAN總線仍可提供高達5 kB/s的數據傳輸速率。因此，采用CAN總線來設計遠程水溫水位測控系統，具有明顯的實用價值和現實意義。

1 系統的組成

測控系統主要由上位機和N個測控節點組成。上位機核心為PIC18F458單片機，通過CAN總線與測控節點通信，顯示各測控節點采集的水溫、水位數據，并完成功能設置，把設置好的溫差循環參數和供水參數等數據傳送給測控節點。測控節點也是以PIC18F458為主控器，完成數據采集和控制執行。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖Fig.1 General structure diagram of system

2 測控節點的設計

測控節點整體結構框圖如圖2所示。測控節點在設計上采用了模塊化結構，由PIC微處理器、水溫水位采集模塊、繼電器控制模塊、CAN通訊模塊和實時時鐘模塊組成，可根據具體情況只選用其中的部分模塊。

圖2 測控節點結構框圖Fig.2 Structure diagram of control node

2.1 PIC微處理器

目前，有兩種CAN總線器件可以選擇。一種是片內集成CAN的微控制器，如8XC591/2、MC68376等，另一種是獨立的CAN控制器，如SJA1000、82C200等，但是獨立的CAN控制芯片需要外接一個微處理器才能運行。本設計選用的是Microchip公司的帶有片內CAN控制器的PIC18F458微處理器，這樣大大簡化了節點的硬件電路設計，減少了程序的復雜程度，系統的可靠性高。而且該微處理器內置10位A/D轉換模塊，可直接實現8通道模擬信號的A/D轉換，自帶256 B的E2PROM，可以實現數據的掉電保護，滿足測控節點的設計要求。

2.2 水溫水位采集模塊

溫度測量選用NTC熱敏電阻器作測溫傳感器，每路測溫電路完全相同，都是用一個阻值固定的電阻與一個熱敏電阻串聯，對5 V電源電壓分壓，利用熱敏電阻上的壓降隨溫度變化而變化實現溫度的測量［3］。當選用玻璃封裝精度為50 kΩ±0.5%，B值為4 050 k±1%的NTC熱敏電阻，阻值固定的電阻選用精度為20 kΩ±0.5%的金屬膜電阻時，不需進行線性補償，經PIC自帶的10位A/D轉換器轉換后，直接查表獲得水溫值，精度可達±1℃。

水位測量采用非對稱式多諧振蕩器電路［4］，先把水位傳感器RW的電阻大小轉換為振蕩信號的頻率高低。振蕩器電路由74HC04、C1、R5、R6、R7和水位傳感器的電阻RW組成，振蕩頻率為f=1/［2.2（R5+R6+RW）C1］，如圖3所示。采用捕捉法測量振蕩信號的頻率。振蕩信號由RC2輸入單片機，利用CCP對上升沿進行捕捉，每次捕捉都記錄下TMR1中的值，根據相鄰兩次上升沿時TMR1的值計算得振蕩頻率［5］，誤差可控制在1 Hz以內。

圖3 水位測量電路Fig.3 Circuit diagram of water level measurement

2.3 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊電路如圖4。繼電器控制模塊由RD7輸出來控制繼電器的開關。通過光耦TLP521來隔離，增強繼電器的穩定性，光耦輸入端使用單片機電源VCC，輸出端為直流+5 V電源供電，有效地減少了電源間的互相干擾。繼電器可能會長時間工作在通電狀態，且電流較大。如果直接用光偶的輸出端來驅動繼電器，會降低光偶的使用壽命，甚至燒壞光耦，因此，在光耦輸出端加入三極管8050驅動電路，由三極管直接驅動光耦。

圖4 繼電器控制電路Fig.4 Control circuit of Relay

2.4 CAN通訊模塊

2.4.1 C AN通訊模塊的硬件設計

CAN通訊模塊的硬件電路如圖5。設計中使用CAN總線收發器82C250，它是CAN控制器與物理總線間的接口，可以提供對總線的差動發送和接受能力，與ISO11898標準完全兼容，并具有抗瞬間干擾、保護總線的能力。PIC18F458自帶CAN控制器，82C250并不是必須使用的器件，但82C250有較強驅動能力，可支持多達110個節點，并能延長通訊距離，滿足對多個測控節點遠程通訊的設計要求。為了進一步提高系統的可靠性和抗干擾能力，在CAN控制器和CAN收發器之間采用高速光耦6N137進行隔離。

圖5 CAN通訊電路Fig.5 Communication circuit of CAN

整個測控系統的CAN總線長度在5 km以內，因此將82C250的第8腳直接接地，使82C250工作在高速模式，來減少延時增加總線長度。這種模式的總線輸出信號用盡可能快的速度切換，因此一般要求使用屏蔽雙絞線電纜來防止可能的擾動。

2.4.2 C AN通訊模塊的軟件設計

CAN通信模塊的軟件主要由初始化程序、發送程序、接收程序3部分組成。其中初始化程序是實現通信的關鍵，它主要用來完成CAN控制器工作方式的選擇，即對PIC18F458中CAN控制器控制段中的寄存器進行設置［6］，包括方向控制寄存器設置，CAN控制寄存器設置，接收驗收濾波寄存器和濾波屏蔽寄存器設置，設置發送數據幀類型、標識符、數據長度。PIC自帶的CAN控制器必須進入設置模式才能進行初始化，CAN控制器初始化程序流程如圖6所示。

圖6 CAN初始化程序流程圖Fig.6 Flow chart of CAN Initialization

測控節點與CAN總線之間的數據交換是通過發送程序和接收程序實現的。上位機通過定期的訪問來獲取測控節點的數據，而不是實時傳送，從而減輕了總線負擔。這也是分布式控制方法相對于集中控制方法的一個優點。測控節點一般不主動發起通訊，但如果測控節點出現異常，會主動發起CAN通訊向上位機報錯。

2.5 實時時鐘模塊

測控節點具有依據時間來進行控制的功能，這里選用串行日歷時鐘芯片PCF8563。PIC18F458自帶I2C控制器，可方便的實現與PCF8563高速穩定的通訊，簡化了編程過程。為了防止在意外掉電后需要對PCF8563進行重新設置，加入了3.6 V后備電源。

3 上位機

上位機主要由CAN通信、鍵盤輸入、LCD顯示等幾個模塊組成。上位機的CAN通訊模塊與測控節點一樣，這里主要介紹LCD顯示模塊。在LCD顯示中，將每一界面顯示的內容分為靜態內容和動態內容兩部分。靜態內容是在同一界面中不用實時更新的部分，只需寫入一次LCD模塊即可。動態內容為界面中需要實時更新的數據。為此，設計了兩個對應的顯示模塊。靜態內容顯示模塊，只在進入某一界面時才調用，如果界面沒有切換，僅調用一次。動態顯示模塊，一直隨程序的運行而被調用，不斷更新所顯示的數據。這樣的設計大大減少單片機與LCD模塊的通訊數據量，既能實時更新數據，又能提高系統的穩定性。

4 結束語

基于CAN總線的遠程水溫水位測控系統以PIC18F458為主控制芯片，采用CAN總線技術，當通信距離為5 km時，仍可提供10 kB/s的通訊速率，并且通訊穩定，較好地解決了現代化小區對水溫水位的遠程測控問題。在軟/硬件設計中均采用了模塊化的結構，靈活性高和適用性好。在太陽能熱水工程快速普及居民小區的今天，該系統具有良好的應用前景。

[1]張修太，馬金元，翟亞芳，等.基于RS485的溫度采集系統設計[J].微計算機信息，2010，26（10）：102-104.

ZHANG Xiu-tai，MA Jin-yuan，ZHAI Ya-fang，et al.The design of the temperature acquisition system based on RS485[J].Microcomputer Information，2010，26（10）：102-104.

[2]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[3]任國興，王曉影，杜立彬.基于AD7799的熱敏電阻高精度測溫系統[J].電子設計工程，2010，18（11）：82-84.

REN Guo-xing，WANG Xiao-ying，DU Li-bin.Design of high precision thermistor temperature measurement system based on AD7799[J].Electronic Design Engineering，2010，18（11）：82-84.

[4]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006：480-483.

[5]李海濤，儀維，吳筱堅，等.PIC單片機應用開發典型模塊[M].北京：人民郵電出版社，2007：28-38.

[6]劉和平，劉釗，鄭群英，等.PIC18Fxxx單片機程序設計及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.