基于CAN總線的灌區低功耗溫濕度采集系統設計

許燕+屈寶鵬

摘 要： 由于灌區自然環境惡劣，觀測點多且布局分散。為了分析灌區水量調配對溫濕度監測的需求，設計開發了一種基于CAN總線和MSP430單片機相結合的低功耗溫濕度采集系統。溫濕度信號采集采用SHT10數字溫濕度傳感器，通過SPI總線技術與控制器進行通信，并引進CAN總線通信技術實現終端數據的傳輸。相比其他總線技術，CAN總線具有抗干擾能力強、數據的傳輸速率高、傳輸距離遠、可靠性及性價比高等優點。設計中擬采用Microchip公司生產帶SPI接口的CAN控制器MCP2515為CAN通信模塊。

關鍵詞： CAN總線； MSP430單片機； SHT10； 數據采集； 低功耗

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0105?03

Design of temperature and humidity data acquisition system with low power consumption for irrigated area based on CAN bus

XU Yan， QU Bao?peng

（Shaanxi Institute of Technology， Xian 710300， China）

Abstract： Due to the harsh natural environment in irrigated area， there are many observation points and the distribution is scattered， to analyze the requirements of water allocation for temperature and humidity monitoring， a temperature and humidity data acquisition system with low power consumption based on the combination of CAN bus and MSP430 microcontroller is designed and developed. The temperature and humidity signal is collected by using SHT10 digital temperature and humidity sensor， and communicates with the controller through SPI bus technology. CAN bus communication technology is introduced to realize the terminal data transmission. Compared to other bus technologies， CAN bus has the advantages of strong anti?interference ability， high data transmission rate， long transmission distance， high stability and low price. CAN controller MCP2515 with SPI interface of the Microchip is adopted as CAN communication module in the design.

Keywords： CAN bus； MSP430 singlechip； SHT10； data acquisition； low power consumption

0 引 言

灌區內作物的良好生長發育依賴于適宜的溫濕度條件，合適的溫濕度變化能夠為灌區作物提供充足的能量促進其健康生長。因此，在灌區內對溫濕度進行適時準確的測量具有重要意義。由于灌區自然環境惡劣，觀測點多且布局分散，而CAN總線具有抗干擾能力強、數據的傳輸速率高、傳輸距離遠、可靠性及性價比高等優點。

因此，設計開發一種基于CAN總線的低功耗溫濕度測量系統，采用美國TI公司生產的低功耗MSP430單片機作為核心處理器，以瑞士Sensirion公司推出的新一代基于CMOSensTM技術的數字式溫濕度傳感器SHT10對溫濕度進行采集處理，通過CAN總線穩定地將采集的數據傳輸到通用計算機上，進行進一步的數據處理和分析。

1 系統組成

整個系統包括觀測節點單元、CAN適配卡及上位機三部分。灌區溫濕度采集系統總體設計如圖1所示。

圖1 溫濕度采集系統結構框圖

其中觀測節點單元系統設計結構如圖2所示，其包括溫濕度傳感器模塊、主控單元以及CAN通信模塊。觀測節點單元由微控制器MSP430F169控制，采集處理溫濕度傳感器的數據并通過CAN通信模塊進行數據傳輸；通信模塊包括CAN控制器MCP2515和CAN收發器PCA82C250，負責通過MCP2515與MSP430F169進行基于CAN總線上的數據發送和接收。

圖2 觀測節點單元結構框圖

2 硬件結構設計

2.1 溫濕度測量

本設計選用表面貼片式濕度傳感器SHT10，由于其具有兩線制串行接口，可將MSP430F169直接與其相連，通過MSP430F169自身編程來完成相關的非線性補償計算。具體硬件連接如圖3所示。

另外，SHT10的溫度最大（默認）測量精度及最小測量精度分別為14位和12位，濕度的最大（默認）測量精度及最小測量精度分別為12位和8位，用戶可根據需求通過修改其狀態寄存器來更改溫濕度測量精度[1]。

圖3 SHT10與MSP430F169硬件連接圖

2.2 微處理器MSP430F169及通信模塊設計

MSP430F169是美國德州儀器（TI）公司推出的一款16位超低功耗、具有RISC（精簡指令集）的微控制器。與其他類型的單片機相比，其高性能的處理能力及超低功耗的特點十分適合本設計中對微控制器選型的要求[2]。

本設計CAN通信模塊選用CAN控制器MCP2515和CAN收發器PCA82C250。其與微控制器MSP430F169、CAN總線之間的電路連接如圖4所示。

MSP430F169通過差分放大、A/D轉換、數據校正等處理后，將溫濕度數據通過SPI接口寫入MCP2515的發送緩存器中，然后再通過SPI接口訪問MCP2515控制寄存器來啟動報文發送，即可將數據發送至CAN總線上[3]。

3 軟件設計

單個觀測節點單元的主程序設計擬采用模塊化程序設計方式，其主要由微控制器MSP430F189與CAN控制器MCP2515的初始化、SHT10溫濕度數據采集模塊及CAN通信模塊三部分構成。該灌區低功耗溫濕度采集系統觀測節點軟件實現流程圖如5所示。

3.1 MSP430F169端溫濕度采集

MSP430F169端溫濕度采集編程要點如下：

int_clk（）；

SVCC_H；

S_Connectionreset（）；

S_WriteStatusReg（（unsigned char *）&RegCMD）；

while（1）

{

error=0；

error+=S_Measure（（unsigned char*） &humi_val.i，&checksum，HUMIDITY）； //測量濕度

error+=S_Measure（（unsigned char*） &temp_val.i，&checksum，TEMPERATURE）； //測量溫度

if（error！=0）

S_Connectionreset（）；

{

templow=（humi_val.i&0xff00）；

humi_val.i=templow>>8；

temphigh=（（temp_val.i&0xf）<<8）；

templow=（（temp_val.i&0xff00）>>8）；

temp_val.i=temphigh+templow；

humi_val.f=（float）humi_val.i； //轉換為浮點數

temp_val.f=（float）temp_val.i； //轉換為浮點數

S_Calculate（&humi_val.f，&temp_val.f）； //計算溫濕度

}

}

圖5 觀測節點主程序流程圖

3.2 MSP430F169端SPI端口初始化

MSP430F169端SPI端口初始化程序如下：

void InitSPI（）

{

U1CTL|=CHAR+SYNC+MM；//8位數據，SPI模式，主機模式

U1TCTL|=SSEL1+SSEL0+STC+CKPL；//時鐘為SMCLK，3線模式

U1BR0=0x08； //SMCLK 8分頻

U1BR1=0x00；

U1MCTL=0x00；

ME2|=USPIE1； //打開SPI1模塊

P5SEL|=BIT1+BIT2+BIT3； //P5.1 P5.2 P5.3設置為SPI口

UCTL1&=～SWRST；

}

3.3 主程序

主程序如下：

void main（）{

uchar Buf[1]；

InitClock（）； //初始化時鐘

InitPort（）； //初始化端口

InitSPI（）； //初始化SPI

MCP2510_Init（）； //MCP2510初始化

CH452_Init（）； //初始化CH452

LcdInit（）； //Lcd初始化

_EINT（）； //打開中斷

while（1）{

if（KeyValue！=0xFF）{

Buf[0]=KeyValue；

SendData（0x0000，Buf，1）；

//發鍵值到地址0x0000的節點

KeyValue=0xFF；

}

}

4 結 論

本系統在灌區進行了一系列試驗，成功地實現了基于CAN總線的遠距離的溫濕度采集。在實際的電路測試過程中，系統進行數據采集的工作電流≤6 mA，由此可見這種低功耗的溫度采集系統使電池供電成為可能。

由于CAN總線的工作方式為多主類型，因此系統中的每個CAN總線節點設備均可實現即插即拔的操作，用戶可根據實際需要還可增加其他氣象因素的監測，比如降雨量、風速、風向以及光照量等。從而方便用戶對各節點設備進行維護，提高了灌區低功耗溫濕度采集系統的可操作性和穩定性 [4]。

參考文獻

[1] 匡宇國.智能傳感器SHT11及其在便攜式溫濕度檢測儀中的應用[J].電子器件，2006（4）：1312?1315.

[2] 秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3] 許燕.基于CAN總線的灌區氣象數據采集處理系統[D].西安：西北農林科技大學，2011.

[4] 毛春奎，張穎超.基于CAN總線的氣象數據采集系統[J].南京信息工程大學學報：自然科學版，2009.

[5] 劉培國，周希偉，劉志勇.CAN總線智能檢測儀的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（18）：44?46.

[6] 周素琴，楊曉京.基于單片機的烤煙房多點溫濕度測控系統[J].現代電子技術，2012，35（21）：109?111.

另外，SHT10的溫度最大（默認）測量精度及最小測量精度分別為14位和12位，濕度的最大（默認）測量精度及最小測量精度分別為12位和8位，用戶可根據需求通過修改其狀態寄存器來更改溫濕度測量精度[1]。

圖3 SHT10與MSP430F169硬件連接圖

2.2 微處理器MSP430F169及通信模塊設計

MSP430F169是美國德州儀器（TI）公司推出的一款16位超低功耗、具有RISC（精簡指令集）的微控制器。與其他類型的單片機相比，其高性能的處理能力及超低功耗的特點十分適合本設計中對微控制器選型的要求[2]。

本設計CAN通信模塊選用CAN控制器MCP2515和CAN收發器PCA82C250。其與微控制器MSP430F169、CAN總線之間的電路連接如圖4所示。

MSP430F169通過差分放大、A/D轉換、數據校正等處理后，將溫濕度數據通過SPI接口寫入MCP2515的發送緩存器中，然后再通過SPI接口訪問MCP2515控制寄存器來啟動報文發送，即可將數據發送至CAN總線上[3]。

3 軟件設計

單個觀測節點單元的主程序設計擬采用模塊化程序設計方式，其主要由微控制器MSP430F189與CAN控制器MCP2515的初始化、SHT10溫濕度數據采集模塊及CAN通信模塊三部分構成。該灌區低功耗溫濕度采集系統觀測節點軟件實現流程圖如5所示。

3.1 MSP430F169端溫濕度采集

MSP430F169端溫濕度采集編程要點如下：

int_clk（）；

SVCC_H；

S_Connectionreset（）；

S_WriteStatusReg（（unsigned char *）&RegCMD）；

while（1）

{

error=0；

error+=S_Measure（（unsigned char*） &humi_val.i，&checksum，HUMIDITY）； //測量濕度

error+=S_Measure（（unsigned char*） &temp_val.i，&checksum，TEMPERATURE）； //測量溫度

if（error！=0）

S_Connectionreset（）；

{

templow=（humi_val.i&0xff00）；

humi_val.i=templow>>8；

temphigh=（（temp_val.i&0xf）<<8）；

templow=（（temp_val.i&0xff00）>>8）；

temp_val.i=temphigh+templow；

humi_val.f=（float）humi_val.i； //轉換為浮點數

temp_val.f=（float）temp_val.i； //轉換為浮點數

S_Calculate（&humi_val.f，&temp_val.f）； //計算溫濕度

}

}

圖5 觀測節點主程序流程圖

3.2 MSP430F169端SPI端口初始化

MSP430F169端SPI端口初始化程序如下：

void InitSPI（）

{

U1CTL|=CHAR+SYNC+MM；//8位數據，SPI模式，主機模式

U1TCTL|=SSEL1+SSEL0+STC+CKPL；//時鐘為SMCLK，3線模式

U1BR0=0x08； //SMCLK 8分頻

U1BR1=0x00；

U1MCTL=0x00；

ME2|=USPIE1； //打開SPI1模塊

P5SEL|=BIT1+BIT2+BIT3； //P5.1 P5.2 P5.3設置為SPI口

UCTL1&=～SWRST；

}

3.3 主程序

主程序如下：

void main（）{

uchar Buf[1]；

InitClock（）； //初始化時鐘

InitPort（）； //初始化端口

InitSPI（）； //初始化SPI

MCP2510_Init（）； //MCP2510初始化

CH452_Init（）； //初始化CH452

LcdInit（）； //Lcd初始化

_EINT（）； //打開中斷

while（1）{

if（KeyValue！=0xFF）{

Buf[0]=KeyValue；

SendData（0x0000，Buf，1）；

//發鍵值到地址0x0000的節點

KeyValue=0xFF；

}

}

4 結 論

本系統在灌區進行了一系列試驗，成功地實現了基于CAN總線的遠距離的溫濕度采集。在實際的電路測試過程中，系統進行數據采集的工作電流≤6 mA，由此可見這種低功耗的溫度采集系統使電池供電成為可能。

由于CAN總線的工作方式為多主類型，因此系統中的每個CAN總線節點設備均可實現即插即拔的操作，用戶可根據實際需要還可增加其他氣象因素的監測，比如降雨量、風速、風向以及光照量等。從而方便用戶對各節點設備進行維護，提高了灌區低功耗溫濕度采集系統的可操作性和穩定性 [4]。

參考文獻

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[2] 秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講[M].北京：電子工業出版社，2007.

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[4] 毛春奎，張穎超.基于CAN總線的氣象數據采集系統[J].南京信息工程大學學報：自然科學版，2009.

[5] 劉培國，周希偉，劉志勇.CAN總線智能檢測儀的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（18）：44?46.

[6] 周素琴，楊曉京.基于單片機的烤煙房多點溫濕度測控系統[J].現代電子技術，2012，35（21）：109?111.

另外，SHT10的溫度最大（默認）測量精度及最小測量精度分別為14位和12位，濕度的最大（默認）測量精度及最小測量精度分別為12位和8位，用戶可根據需求通過修改其狀態寄存器來更改溫濕度測量精度[1]。

圖3 SHT10與MSP430F169硬件連接圖

2.2 微處理器MSP430F169及通信模塊設計

MSP430F169是美國德州儀器（TI）公司推出的一款16位超低功耗、具有RISC（精簡指令集）的微控制器。與其他類型的單片機相比，其高性能的處理能力及超低功耗的特點十分適合本設計中對微控制器選型的要求[2]。

本設計CAN通信模塊選用CAN控制器MCP2515和CAN收發器PCA82C250。其與微控制器MSP430F169、CAN總線之間的電路連接如圖4所示。

MSP430F169通過差分放大、A/D轉換、數據校正等處理后，將溫濕度數據通過SPI接口寫入MCP2515的發送緩存器中，然后再通過SPI接口訪問MCP2515控制寄存器來啟動報文發送，即可將數據發送至CAN總線上[3]。

3 軟件設計

單個觀測節點單元的主程序設計擬采用模塊化程序設計方式，其主要由微控制器MSP430F189與CAN控制器MCP2515的初始化、SHT10溫濕度數據采集模塊及CAN通信模塊三部分構成。該灌區低功耗溫濕度采集系統觀測節點軟件實現流程圖如5所示。

3.1 MSP430F169端溫濕度采集

MSP430F169端溫濕度采集編程要點如下：

int_clk（）；

SVCC_H；

S_Connectionreset（）；

S_WriteStatusReg（（unsigned char *）&RegCMD）；

while（1）

{

error=0；

error+=S_Measure（（unsigned char*） &humi_val.i，&checksum，HUMIDITY）； //測量濕度

error+=S_Measure（（unsigned char*） &temp_val.i，&checksum，TEMPERATURE）； //測量溫度

if（error！=0）

S_Connectionreset（）；

{

templow=（humi_val.i&0xff00）；

humi_val.i=templow>>8；

temphigh=（（temp_val.i&0xf）<<8）；

templow=（（temp_val.i&0xff00）>>8）；

temp_val.i=temphigh+templow；

humi_val.f=（float）humi_val.i； //轉換為浮點數

temp_val.f=（float）temp_val.i； //轉換為浮點數

S_Calculate（&humi_val.f，&temp_val.f）； //計算溫濕度

}

}

圖5 觀測節點主程序流程圖

3.2 MSP430F169端SPI端口初始化

MSP430F169端SPI端口初始化程序如下：

void InitSPI（）

{

U1CTL|=CHAR+SYNC+MM；//8位數據，SPI模式，主機模式

U1TCTL|=SSEL1+SSEL0+STC+CKPL；//時鐘為SMCLK，3線模式

U1BR0=0x08； //SMCLK 8分頻

U1BR1=0x00；

U1MCTL=0x00；

ME2|=USPIE1； //打開SPI1模塊

P5SEL|=BIT1+BIT2+BIT3； //P5.1 P5.2 P5.3設置為SPI口

UCTL1&=～SWRST；

}

3.3 主程序

主程序如下：

void main（）{

uchar Buf[1]；

InitClock（）； //初始化時鐘

InitPort（）； //初始化端口

InitSPI（）； //初始化SPI

MCP2510_Init（）； //MCP2510初始化

CH452_Init（）； //初始化CH452

LcdInit（）； //Lcd初始化

_EINT（）； //打開中斷

while（1）{

if（KeyValue！=0xFF）{

Buf[0]=KeyValue；

SendData（0x0000，Buf，1）；

//發鍵值到地址0x0000的節點

KeyValue=0xFF；

}

}

4 結 論

本系統在灌區進行了一系列試驗，成功地實現了基于CAN總線的遠距離的溫濕度采集。在實際的電路測試過程中，系統進行數據采集的工作電流≤6 mA，由此可見這種低功耗的溫度采集系統使電池供電成為可能。

由于CAN總線的工作方式為多主類型，因此系統中的每個CAN總線節點設備均可實現即插即拔的操作，用戶可根據實際需要還可增加其他氣象因素的監測，比如降雨量、風速、風向以及光照量等。從而方便用戶對各節點設備進行維護，提高了灌區低功耗溫濕度采集系統的可操作性和穩定性 [4]。

參考文獻

[1] 匡宇國.智能傳感器SHT11及其在便攜式溫濕度檢測儀中的應用[J].電子器件，2006（4）：1312?1315.

[2] 秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講[M].北京：電子工業出版社，2007.

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[5] 劉培國，周希偉，劉志勇.CAN總線智能檢測儀的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（18）：44?46.

[6] 周素琴，楊曉京.基于單片機的烤煙房多點溫濕度測控系統[J].現代電子技術，2012，35（21）：109?111.