完整版基于CAN总线的多点温度监测及报警系统设计毕业论文设计40论文41Word文档下载推荐.docx
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PMA子层和MDI子层有多种规范，由不同的组织制定，可应用在不同的领域和场合。
CAN层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致，每一层与另一设备上相同的那一层通讯，实际的通讯发生在每一设备上的相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连，表2-1中展示了OSI开放式互连模型的各层。
应用层协议可以由CAN用户定义成合适特别工业领域的任何方案，已在工业控制和制造业领域得到了广泛应用的标准是DeviceNet，这是PLC和智能传感器设计的，在汽车工业，许多制造商都应用他们的标准。
表2-1OSI开放系统互连模型
7
应用层
最高层用户软件网络终端等之间用来进行信息交换如DeviceNet
6
表示层
将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式
5
会话层
依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递
4
传输层
两通信节点之间数据传输控制操作如数据重发数据错误修复
3
网络层
规定了网络连接的建立维持和拆除的协议如：
路由和寻址
2
数据
链路层
规定了在介质上传输的数据位的排列和组织如数据校验和帧结构
1
物理层
规定通讯介质的物理特性如电气特性和信号交换的解释
CAN物理层定义了传输线和硬件的机械、电气和电信号特征及功能。
机械特征包括连接器尺寸、类型等；
电气特性包括最大传输速率、最大传输距离、信号电平状态代表意义等；
电信号特征包括对应电平信号的逻辑信号、信号的传输时序、数据采样方式等。
但在CAN2.0AB中对物理层部分的内容做了规定，而在ISO11898标准中的内容更加具体，但没有指明通讯介质的材料，因而用户可以根据自己的需要选择双绞线，同轴电缆或光纤，最常用的就是双绞线。
表2-2CAN总线长度与传输距离的关系
CAN总线波特率
任意两节点间的最大距离
1Mbps
40m
500kbps
130m
250kbps
270m
125kbps
530m
100kbps
620m
50kbps
1.3km
20kbps
3.3km
10kbps
6.7km
5kbps
10km
CAN网络的速度取决于总线的长度。
控制器最快能达到1Mbps，但对总线长度有限制。
对于50m长的总线，最大波特率是1Mbps，而对于150m的总线，波特率约为0.5Mbps。
CAN网络上的任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，其对应关系见表2-2所示。
图2.3总线位的数值表示
CAN总线上的电平形式中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：
“显性”或“隐性”。
显性数值表示逻辑“0”，而“隐性”数值表示逻辑“1”。
“显性”和“隐性”同时发送时，最后总线数值将显示为“显性”。
在“隐性”状态下，
和
被固定于平均电压电平，
近似为0。
在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。
“显性”状态改写“隐性”状态并发送。
总线位的数值表示如图2.3所示。
（差动传输方式）
2.2.4.2报文传输及其帧结构
图2.4数据帧标准格式中的仲裁场结构
CAN总线的数据传输由以下4个不同的帧类型所表示和控制，它们分别是[7]：
数据帧：
数据帧将数据从发送器传送到接收器。
远程帧：
总线单元发出远程帧，请求发送具有相同标识符的数据帧。
错误帧：
任何单元检测到总线错误就发出错误帧。
超载帧：
超载帧用以在相邻的数据帧或远程帧之间提供附加的延时。
数据帧和远程帧用一个帧空间与前面的帧分开。
以下将逐一对各帧的结构做详细介绍。
CAN技术规范2.0B中有两种不同的帧格式，标准帧和扩展帧。
不同之处在于每帧的标识符的长度不同：
标准帧的标识符长度为11位，而扩展帧的长度则为29位。
标准格式和扩展格式的仲裁场格式不同。
在标准格式中，仲裁场由11位标识符ID和远程发送请求位RTR组成。
11位标识符为ID.28～ID.18，如图2.4所示。
数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。
数据场的长度可为0。
数据帧的结构如表2-3所示。
表2-3数据帧结构
……
帧起始
仲裁场
控制场
数据场
CRC场
ACK场
帧结束
帧起始（SOF）标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位构成。
只有在总线处于空闲状态时才允许站开始发送。
所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。
而在扩展格式中，仲裁场由29位标识符、SRR位、IDE位和RTR位组成，标识符为ID.28～ID.0，如图2.5所示。
图2.5数据帧扩展格式中的仲裁场结构
控制场由6位组成。
其结构如图2.6所示。
图2.6控制场结构
标准格式的控制场结构和扩展格式的不同。
标准格式里的控制场包括数据长度码DLC，IDE位及保留位r0；
扩展格式里的控制场包括DLC和两个保留位r1和r0。
保留位必须发送显性位。
数据长度码指出数据场的字节数目。
数据长度码为4位，在控制场中发送。
数据字节的允许数目为0～8。
远程帧由6个不同的位场组成：
帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。
与数据帧相反，远程帧的RTR位是隐性位。
远程帧不存在数据场，DLC的数值没有意义，它可以是0～8中的任何数值，这一数值为对应数据帧的DLC。
错误帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是出错界定符。
有两种形式的错误标志，一种是活动错误标志，另一种是认可错误标志。
活动错误标志由6个连续的显性位组成，认可错误标志由6个连续的隐性位组成。
超载帧包括两个位场：
超载标志和超载界定符。
有三种超载条件会导致超载标志的发送：
一是要求延迟下一个数据帧或远程帧的内部条件，二是在间歇场的第1位和第2位检测到显性位，三是如果CAN节点在错误界定符或超载界定符的第8位（最后一位）采样到一个显性位，节点会发送一个超载帧（不是错误帧）。
超载标志由6个显性位组成，所有形式对应于活动错误标志形式。
超载界定符由8个隐性位组成，与出错界定符具有相同的形式。
2.2.4.3报文滤波
CAN总线通过报文滤波技术，可以实现点对点、一点对多点及全局广播等多种数据传送方式[8]。
报文滤波技术实际是通过屏蔽寄存器和滤波寄存器来实现。
屏蔽寄存器设定需要校验的二进制位，滤波寄存器存储需比较的数值。
对这一概念的理解有助于深刻了解CAN协议的原理及其硬件结构，为软件的实现打下基础。
滤波寄存器和屏蔽寄存器决定是否将信息装入接收缓冲区。
信息帧仲裁场的标识符与滤波寄存器中的值比较，如果二者相等，则将信息装入相应的接收缓冲区。
屏蔽寄存器的作用是决定标识符的哪些位需要与滤波寄存器比较。
如果屏蔽寄存器的每一位为1，那么这一位会自动接收，无须与滤波寄存器的相应位进行比较。
可见如果信息标识符的高字节为11001101，屏蔽寄存器值为00001111，若滤波寄存器的值为11001101则将数据收入缓冲区。
也就是说满足下列两等式之一，则报文被接收。
（ID.10～ID.3）≡（AC.7～AC.0）
（AM.7～AM.0）≡11111111
屏蔽寄存器和滤波寄存器存放在CAN控制器中，其自动识别标识符的功能由硬件实现，但滤波寄存器和屏蔽寄存器的值需要软件设定。
3基于CAN多点温度检测系统的总体设计
3.1系统总体方案设计
温度检测系统有则共同的特点：
测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。
若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、AD转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。
这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；
又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。
所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：
温度传感器的选择和远程通信的设计。
温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。
系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想。
设计一种可以用于大规模多点温度的检测报警系统。
系统的主控模块与监控模块之间采用CAN总线进行数据传输，从而成为总线上的监控节点。
系统组成框图如下图3.1。
图3.1系统组成框图
3.2系统设计的主要器件选择
在粮库、仓库中温度是主要的参数，本设计要求设计温度参数的自动检测系统，该系统由单片机或其它微型机来完成，并实现显示温度值，当测量到的温度超过用户界限时报警。
目前CAN总线已被公认为是最有前途的几种现场总线之一。
因其高性能价格比、实现简单等突出优点深得越来越多的研发人员的青睐，CAN控制器有82C250、SJA1000及Intel8252682527等；
根据当前市场、开发工具和课题的实际需要，系统的智能节点均选用ATMEL8位单片机AT89S52为微处理器，并选取PhiliPs公司的SJA1000CAN控制器以及PCA82C250总线收发器，主要考虑到SJA1000支持CAN2.0AB协议，而82C250可以支持110个CAN节点，并且国内市场上PhiliPs的产品型号比较多，购买比较方便。
3.2.1微处理器
AT89S5152系列单片机是美国ATMEL公司生产的一种低功耗、高性能的片内有4K8K快闪可编程擦除只读存储器（FPEROM）的8位COMS微控制器。
除与8031引脚和指令系统完全兼容外，又增加了许多新的功能。
AT89S52具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位IO口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最新的89S系列时钟频率支持到了3MHz，包含看门狗定时器WDT、2个数据指针等新功能，极大的增强了单片机的性能，是目前取代MCS-51单片机的主流芯片之一。
故本系统选用AT89S52单片机作为微控制器。
AT89S52单片机主要性能：
●与MCS-51单片机产品兼容
●8K字节在系统可编程Flash存储器
●1000次擦写周期
●全静态操作：
0Hz～33Hz
●三级加密程序存储器
●32个可编程IO口线
●三个16位定时器计数器
●八个中断源
●全双工UART串行通道
●低功耗空闲和掉电模式
●掉电后中断可唤醒
●看门狗定时器
●双数据指针
●掉电标识符
3.2.2SJA1000控制器
SJA1000是一个独立的CAN控制器，SJA1000是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代品，功能更强，增加了一种新的工作模式（PeliCAN），这种模式支持CAN2.0B协议[9]~[12]。
SJA1000主要负责把并行的数据转换成CAN的格式进行发送和接收。
它内部自带发送和接收缓冲，并有超强的错误报警和双重滤波处理。
SJA1000具有如下特点：
①完全兼容PCA82C200及其工作模式，即BASICCAN模式；
②具有扩展的接收缓冲器，64字节的FIFO结构；
③支持CAN2.0B；
④支持11位和29位识别码；
⑤位速率可达1Mbits；
⑥支持peliCAN模式及其扩展功能；
⑦24MHz的时钟频率；
⑧支持与不同微处理器的接口；
⑨可编程的CAN输出驱动配置；
⑩增强了温度范围（-40℃～+125℃）。
SJA1000的硬件结构框图如图3.2所示。
图3.2中，SJA1000由CAN核心模块、接口管理逻辑、发送缓冲区、验收滤波器单元、接收FIFO（先入先出）等几部分组成。
图3.2SJA1000的硬件结构框图
CAN核心模块负责CAN信息帧的收发和CAN协议的实现。
接口管理逻辑负责同外部主控制器的接口，该单元中的每一个寄存器都可由主控制器通过SJA1000的地址数据总线访问[13]。
发送缓冲区可存储一个完整的信息帧，长度为13字节。
主控制器可直接将标识符和数据送入发送缓冲区，然后置位命令寄存器（CMR）中的发送请求位TR，启动CAN核心模块读取发送缓冲区中的数据，按CAN协议封装成一个完整的CAN信息帧，提供给收发器发往总线。
SJA1000主要由接口管理逻辑IML、信息缓冲器（含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIFO）、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部振荡器及复位电路等构成。
IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向主控器提供中断信息及状态信息。
CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB，TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到CAN总线。
BTL始终监视CAN总线，当检测到有效的信息头“隐性电平-控制电平”的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器BSP处理，并由ASP过滤。
只有当接收的信息的识别码与ASP检验相符时，接收信息才最终被写入RXB或RXFIFO中。
RXFIFO最多可以缓存64字节的数据，该数据可被CPU读取。
EML负责传送层中调制器的错误管制，它接收BSP的出错报告，促使BSP和IML进行错误统计[14]。
验收滤波器单元完成接收信息的滤波，只有验收滤波器通过且无差错，才把接收的信息帧送入接收FIFO缓冲区，且置位接收缓冲区状态标志SR.0，表明接收缓冲区中己有成功接收的信息帧，接收帧的数量可通过访问接收信息计数器（RMC）得知。
接收FIFO共有64个字节，远远超过8X200的接收缓冲区，因而SJA1000的超载能力也大大加强。
3.2.3PCA82C250总线收发器
PCA82C250是PhiliPs公司的CAN控制器和物理总线间的接口，可提供对总线的差动发送和接收能力。
它与ISO11898标准完全兼容，最高速率可达IMbps，采用斜率控制可降低射频干扰，并且其未上电节点不会千扰总线。
在硬件电路中使用82C250是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线。
PCA82C250是CAN控制器和物理总线之间的接口，它最初为汽车中的高速通信（最高达1Mbps）应用设计[12]。
该器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。
（1）82C250的主要特性如下：
①与ISO11898标准完全兼容
②高速（最高可达1Mbps）
③具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力
④采用斜率控制（SlopeControl），降低射频干扰（RFI-RadioFrequencyInterference）
⑤热保护
⑥电源和地之间的短路保护
⑦低电流待机模式
⑧未上电节点对总线无影响
⑨可连接110个节点
（2）PCA82C250的内部结构
PCA82C250的内部结构框图如图3.3所示。
图3.382C250功能框图
（3）PCA82C250的功能
首先，82C250驱动电路内部具有限流电路，可防止输出级对电源、地或负载短路[13]。
虽然短路出现时功耗增加，但不致使输出级损坏。
其次，82C250采用双线差分驱动，有助于抵制恶劣环境下的瞬变干扰。
引脚
可用于选择三种不同的工作模式：
高速、斜率控制和待机。
在高速工作模式下，发送器输出级晶体管尽可能快地启动和关闭。
在这种模式下，不采取任何措施限制上升和下降斜率，此时，建议使用屏蔽电缆以避免射频干扰问题。
通过将引脚8接地可选择高速模式。
对于较低速度或较短总线长度，可用非屏蔽双绞线或平行线作总线。
为降低射频干扰，应限制上升和下降的斜率，上升和下降的斜率可通过由引脚8至地连接的电阻进行控制，斜率正比于引脚8上的电流输出。
若引脚8接高电平，则电路进入低电平待机模式，在这种模式下，发送器被关闭，接收器转至低电流。
若检测到显性位，RXD将转至低电平，微控制器应通过引脚8将驱动器变为正常方式作为对此条件作出的反应。
由于在待机模式下接收器是慢速的，因此第一个报文将被丢失。
对于CAN控制器及带有CAN总线接口的器件，82C250并不是必须使用的器件，因为多数CAN控制器均具有配置灵活的收发器件，并允许总线故障，只是驱动能力只允许20～30个节点连接在一条总线上。
而82C250支持多达110个节点，并能以1Mbps的速率工作于恶劣电气环境下。
利用82C250还可方便地在CAN控制器与收发器之间建立光电隔离。
在实际应用中，CAN总线大都用在如汽车和工业现场控制等的环境中，环境对电路的影响很大，所以为减少这些干扰，在设计CAN总线的节点时，通常在电路中使用高速光耦，如6N137等，使SJA1000的TX0与RX0不直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦与82C250相连，这样就能很好地实现总线上各CAN节点间的电气隔离。
3.2.4温度传感器的选择
温度传感器大致可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器两类。
模拟温度传感器，其输出的信号通常是电流、电压等线性信号，要通过信号前端调理电路和AD转换电路来实现数字化，才能输入到PIC控制核心来运算。
这类常用的型号如：
热敏电阻、热电偶、热电阻、ADI公司出品的AD590、美信公司出品的MAX6613等。
模拟温度传感器根据输出的信号还可以细分为电流型和电压型。
另外，各个模拟温度传感器的精度、线性度、测量范围、价格也要根据不同的应用来考虑。
其优点是常用、采购容易、价格低廉，配合不同类型的ADC，可实现不同档次的精度需求。
缺点是电路复杂、
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