基于LPC2109的冷藏車CAN總線溫度采集系統的設計

引言

在當前的汽車產業中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“通過多個LAN，進行大量數據的高速通信”的需要，1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN（Controller Area Network）通信協議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，現在在歐洲已是汽車網絡的標準協議。CAN即控制器局域網，它能有效支持高安全等級的分布實時控制。CAN的應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的多路接線都可以使用CAN。本文通過微控制器LPC2109的CAN功能接口，實現冷藏車溫度數據在CAN總線上的傳輸。

CAN總線的基本特征

CAN總線有如下基本特點：

廢除傳統的站地址編碼，代之以對通信數據塊進行編碼，可以多主方式工作；采用非破壞性仲裁技術，當兩個節點同時向網絡上傳送數據時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響繼續傳輸數據，有效避免了總線沖突；采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發送的時間短；每幀數據都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適于在高干擾環境下使用；節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上其他操作不受影響；可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數據。

CAN總線的優點：

具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點；采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中工作；具有優先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機局部網絡；可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；可靠的錯誤處理和檢錯機制；發送的信息遭到破壞后，可自動重發；節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優先級信息。

硬件電路的設計方案

CAN總線接口芯片的選擇

目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類：一類是獨立的CAN控制器，如PCA82C200、SJAl000及等，另一類是帶有片上CAN的微控制器，如STM32F103、LPC2109等。設計選用PHILIPS（飛利浦）公司的LPC2109微控制器以及PCA82C250總線收發器。

LPC2109有8K的RAM空間和64K的Flash空間，足以燒寫和運行CAN通訊代碼，工作溫度-40℃～+85℃，適合冷藏車的工作環境。因為LPC2109自帶高性能CAN通訊接口，省去了使用獨立CAN控制器的開銷。而且，相對于獨立的CAN控制器而言，LPC2109的CAN接口更加完善。在傳統的獨立CAN控制器SJA1000中，接收過濾只能滿足一些規律性較高的ID篩選過濾，或個數較少的ID（一般小于10～15個）進行任意篩選過濾，難以實現更復雜的任意ID進行篩選過濾，這無疑增加了系統軟件設計及運行時負擔。LPC2109微控制器中為自身CAN控制器提供了全局的接收標識符查詢功能。它包含一個512×32（2k字節）的RAM，通過軟件處理，可在RAM中存放1～5個標識符表格。整個AFRM可容納1024個標準標識符或512個擴展標識符，或兩種類型混合的標識符。由于允許的表格范圍有2k字節，所以能容易地滿足設計復雜ID接收過濾的要求。

總線收發器P C A 8 2 C 2 5 0是LPC2109微控制器和物理傳輸線路之間的接口，它們可以用高達1Mbit/s的位速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數據。最低-40℃的工作溫度決定它可以穩定地工作在冷藏車中。

溫度采集芯片的選擇

設計選用DALLAS（達拉斯）公司的DS18B20溫度傳感器，測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃，適合冷凍庫等測溫環境使用。DS18B20擁有獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。

硬件設計原理框圖

硬件設計原理框圖參見圖1。

軟件設計方案

溫度采集程序設計

DS18B20在使用前需要初始化，根據芯片的時序特點，通過復位和置位芯片引腳，編寫初始化函數Init_DS18B20( )，讀函數unsigned char ReadOneChar( )以及寫函數WriteOneChar(unsigned char dat)。

在初始化完成后，微控制器向溫度傳感器DS18B20發送啟動溫度轉換命令0x44可以啟動溫度采集，再通過

CAN功能的初始化

通過對相關寄存器的訪問和修改，設置CAN通訊波特率，CAN驗收濾波方式，錯誤警告邊界以及CAN通訊的中斷處理方式，初始化完成之后，LPC2109的CAN模塊進入工作模式。在初始化的過程中用到的寄存器有工作模式寄存器CANMOD，中斷使能寄存器CANIER，總線時序寄存器CANBTR，出錯警告邊界寄存器CANEWL，命令寄存器CANCMR等。因為需要對總線上的數據進行過濾，需要設置在驗收過濾RAM中設置需要接收的節點ID號。初始化流程圖如圖2所示。

CAN數據的發送與接收

接收程序是通過CAN接收中斷來實現的，中斷的設置在初始化中完成。當接收到相應節點發出的數據時，觸發CAN接收中斷，LPC2109開始處理中斷服務子程序，只需從接收緩沖區中讀出數據。通過分析該數據，如果發現該數據是一個節點發出的讀取冷藏車溫度的命令，那么微控制器將啟動溫度傳感器DS18B20的溫度采集函數，并將該函數的返回值通過CAN數據發送程序發送給對應節點。數據發送程序將取出的溫度值組信息幀，將信息幀發送到CAN控制器的發送緩沖區中，同時把LPC2109的CAN節點ID地址，填入發送幀信息寄存器中。最終通過置位命令寄存器CANCMR中的相應位，啟動CAN緩沖區的數據發送。

結語

基于LPC2109的冷藏車CAN總線溫度采集系統將具有高可靠性和良好錯誤檢測能力的CAN總線用于冷藏車的溫度采集上，極大地提高了當前冷藏車在溫度采集上的實時性和準確性，另外，由于LPC2109微控制器自身集成CAN控制器，不用再選擇獨立CAN控制器，大大降低了硬件成本。

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