基于單片機(jī)和CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

【摘要】系統(tǒng)介紹了以CAN總線為核心所構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括總體方案，硬件和軟件設(shè)計。在硬件設(shè)計方面，使用熱電阻傳感器、Σ-Δ型AD7705轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、LED數(shù)碼管顯示器、以及目前應(yīng)用比較廣泛的CAN總線構(gòu)建傳輸總線，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化、實(shí)時化和總線化. 在軟件設(shè)計方面，使用Keil C51語言，在Keil uVision2環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行編程。

【關(guān)鍵詞】CAN 總線;單片機(jī);數(shù)據(jù)采集

1.引言

基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用現(xiàn)場總線集散采集系統(tǒng)的特點(diǎn)，把信息采集在現(xiàn)場進(jìn)行，而通過操作站集中管理。運(yùn)用CAN總線技術(shù)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時性，系統(tǒng)開發(fā)較價廉，性能價格比高，安裝維護(hù)簡潔方便，具有廣闊的應(yīng)用前景，也是工業(yè)控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Net）的簡稱，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：采用全雙工的通信方式，無主從機(jī)之分，可實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng);最大傳輸速率1Mbps/40m，最遠(yuǎn)傳輸距離10km/5kbps;采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術(shù)，仲裁的依據(jù)是數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識符;采用面向控制的短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)段的長度為0-8字節(jié)，實(shí)時性較高;采用載波偵聽和CRC校驗(yàn)技術(shù)，具有較強(qiáng)的錯誤控制功能。

分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Distributed Acqui-sition System）是相對于集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言的。它一般是由地面采集站、遙測數(shù)據(jù)傳輸電纜以及中央控制站三部分組成，其中地面采集站按測線的方向布置，負(fù)責(zé)采集一個或幾個測點(diǎn)的地球物理數(shù)據(jù)，而中央控智站的主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的記錄和質(zhì)量監(jiān)控。分布式數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點(diǎn)：具有靈活的體系結(jié)構(gòu);適應(yīng)分布式的管理和控制機(jī)構(gòu);經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越;系統(tǒng)的可靠性高、可用性好;局部應(yīng)用的響應(yīng)速度快;可擴(kuò)展性好，易于集成現(xiàn)有系統(tǒng)。

2.基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計

由于CAN總線為多主方式工作，最多可掛接110個節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)現(xiàn)代控制系統(tǒng)既需集中管理，又需分散實(shí)時控制的特殊工藝要求，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線式集散采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括操作站（上位機(jī)）和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集采集系統(tǒng)兩大部分;其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

整個系統(tǒng)工作原理為：從控制現(xiàn)場傳感器傳送來的信息可能是模擬量或數(shù)字量，模擬量通過16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息后，發(fā)送到CAN總線上，總線上的其它節(jié)點(diǎn)單元和操作站根據(jù)自己的需要和事先設(shè)計好的驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼，來判斷是否接收該信息。如果該信息需要進(jìn)一步較為復(fù)雜的處理，則可通過操作站（上位機(jī)）來處理并對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，經(jīng)過處理后的信息進(jìn)行保存，如有重要信息則可通過與操作站相連的打印機(jī)記錄打印。

3.基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件的核心器件就是CAN控制器SJA1000，通過單片機(jī)初始化后，SJAl000就可獨(dú)立工作，通過檢測總線上的電壓信號，及內(nèi)部特殊的寄存器內(nèi)容，控制器就完成數(shù)據(jù)的打包、解包、錯誤的鑒定等一系列功能，下面簡要介紹CAN控制器SJA1000：SJA1000是由PHLIPS公司研制的，主要用于自動控制和通信工業(yè)用的8位高性能微控制器，它是PHILIPS上一代控制器PCA82C200的替代品。圖2所示為SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：

圖2 SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4.基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計中，中央監(jiān)控機(jī)程序采用C語言編寫，實(shí)現(xiàn)對各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)設(shè)置和修改以及數(shù)據(jù)的收發(fā)等功能，從而進(jìn)行動態(tài)的管理與控制。對子系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計可分為兩部分。一個是對CAN 總線控制器SJA100。完成的通信功能進(jìn)行程序設(shè)計;另一個是對各節(jié)點(diǎn)控制器89C52完成的測控功能進(jìn)行程序設(shè)計。

4.1 主程序設(shè)計

溫度測量節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖3所示。在系統(tǒng)初始化以后，調(diào)用事件檢查和處理的子程序，根據(jù)對情況的判別來作出對應(yīng)的動作，此外如果有按鍵輸入按調(diào)用功能鍵子程序來設(shè)定溫度或電壓、電流值等，并通過LED來顯示相應(yīng)的值。采集到的數(shù)據(jù)可通過CAN總線利用數(shù)據(jù)傳送了程序送到監(jiān)控中心。

4.2 CAN總線的數(shù)據(jù)接收過程

接收函數(shù)與發(fā)送函數(shù)有些不同，接收函數(shù)的事件則是當(dāng)“報文接收”時觸發(fā)。不過前提就是RIE（接收中斷使能）必須為邏輯1，因?yàn)閳笪慕邮芘c引起接收中斷而該效果關(guān)系性的直接影響SJA1000 的使INT 引腳產(chǎn)生電平變化會而觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷。

接收函數(shù)觸發(fā)開始直接必須完成幾個條件;一RIE必須使能，二硬件的鏈接。SJA1000的INT引腳與單片機(jī)的INT1引腳是直接相連，而我們編程的方法是由SJA1000 RXFIFO飽和中斷，引起SJA1000引腳的電平產(chǎn)生變化而觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷服務(wù)，就是這個外部中斷源通知單片機(jī)進(jìn)行“從RXFIFO讀取報文”的函數(shù)。

圖3 溫度測量節(jié)點(diǎn)主程序圖

接收函數(shù)大體上比較簡單，就是先判斷RI，RXFIFO 空間是否“不空”，而“不空”表示接收的報文已經(jīng)存在，那么接下來的動作就是讀取報文，然后給命令寄存器設(shè)置釋放RXFIFO，過后釋放仲裁丟失捕捉寄存器和錯誤代碼捕捉寄存器（等于讀取仲裁丟失捕捉寄存器和錯誤代碼捕捉寄存器）就結(jié)束了。接收數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示：

圖4 接收數(shù)據(jù)流程圖

5.結(jié)束語

本系統(tǒng)主要分為上位機(jī)監(jiān)視和分布式采集節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)主要對溫度采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計。溫度采集節(jié)點(diǎn)主要由熱電阻傳感器電路單元、AD轉(zhuǎn)換電路單元、最小系統(tǒng)單元、數(shù)碼管顯示單元和CAN總線電路單元組成。上位機(jī)是有工業(yè)計算機(jī)和CAN通信適配卡組成，采用了VC++進(jìn)行軟件編程。

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作者簡介：馬明（1983—），男，江蘇宿遷人，碩士，南通廣播電視大學(xué)講師，主要研究方向：自動控制與計算機(jī)技術(shù)。