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1、陈海基于CAN总线和组态王的粮库监控系统的研究 摘 要 基于CAN总线和组态王的粮库监控系统的研究 粮食问题是一个关系到国计民生的重大问题，在粮食的存储过程中粮库起着极为重要的作用。特别对于我国这样一个世界第粮食大国，粮食安全的特殊性，仓容严重不足的现实，决定了我国粮库建设是一项长期任务。本文在分析当前粮库监控系统的发展状况和发展趋势的基础上，提出了基于CAN总线和组态王的粮库监控系统。来实现粮库内外温度，湿度，虫害情况等参数进行采集和控制。从而提高粮情监测系统的可靠性，扩大粮情监测的功能。该系统采用分布式网络结构，主要分为上位机和下位机两部分组成。而整个系统主要完成了三部分的设计：下位机CA

2、N节点和参数采集控制设计，EPP并口协议的CAN通讯适配器的设计以及组态王的组态设计。下位机CAN节点硬件采用AT89S52和SJA1000来完成，软件利用汇编语言实现。温度采集选择了DS18B20一线制数字传感器，湿度选择了HS1101电容式传感器，均采用数字信号进行采集，不存在由模拟量到数字量转换的中间环节，使系统具有稳定可靠、测量精度高、一致性好、无需任何调整、信号线长短不会影响其性能等优点。利用PC机的高级语言VB控制EPP并口来实现与CAN总线的通讯，具有开发成本低及运行速度较快的特点。监控管理机采用组态王软件使操作更加方便，系统直观。能很好的模拟现场，实现整个系统的全面监视和远程控

3、制。同时由于该系统采用了CAN总线作为通讯网络，大大提高了系统内部的速率和实时性。将具有很好的应用前景。关键词：CAN总线 粮库 组态王 EPP 监控系统 第一章：概论 1 1.1 课题研究的背景和意义 21.2 国内外粮库监控系统的发展状况和趋势 21.3 粮库监控发展存在的问题 41.4 粮库监控发展趋势 41.5 粮库监控系统的方案提出 41.6 本课题主要要完成以下几方面的工作 4第二章：CAN总线简介 42.1 CAN总线主要特点 42.2 CAN报文的帧结构 42.2.1 数据帧 52.1.2 远程帧 62.2.3 错误帧 62.2.4 超载帧 72.3 CAN总线的协议规范 72

4、.4 CAN总线的报文滤波技术 82.4.1 单滤波技术 82.4.2 双滤波技术 92.5 CAN总线的发展及优势分析 10第三章 粮库监控系统的总体规划 103.1 系统总体结构规划 113.2 系统各部分功能 113.2.1上位机功能 113.2.2 下位机功能 113.3 系统的工作过程 11第四章 下位机系统的设计 124.1 CAN节点的组成 124.2 CAN节点主要器件介绍 124.2.1 AT89S52单片机 124.2.2 CAN控制器SJA1000器件 134.2.3 PCA2C250器件 194.3 监控节点的软件设计 204.4 温度检测部分 264.4.1 传感器介

5、绍 264.4.4 温度检测的硬件设计 284.4.5 软件设计分析 284.4.6 使用DS18B20注意事项 294.5 湿度检测部分 294.5.1 传感器介绍 294.5.2 湿度测量硬件设计 294.5.2 HS1101测量湿度的原理分析 304.5.3 焊接HS1101时注意事项 314.6 虫害检测部分 314.7 温/湿度及虫害控制部分 31第五章 上位机系统的设计 335.1 CAN通讯适配器的设计 335.1.1 EPP简介 335.1.2 CAN适配器硬件设计 345.1.3 CAN适配器软件设计 355.2 上位机组态设计 375.2.1 组态简介 375.2.2 组态

6、王的主要特点 375.2.3 组态王主要功能具体实现 375.2.4 组态界面的具体设计 415.2.5 远程管理控制部分设计 42第六章 系统的可靠性设计及注意事项 456.1 系统的可靠性设计 456.2 系统的注意事项 466.1.1 系统安装注意事项 466.1.2 系统操作注意事项 47附录 52附录A 52A1 CAN节点电路原理图 52A2 CAN节点电路实物图 52附录B 52CAN节点部分程序 52附录C 66C1 湿度的计算 66C2 除湿控制 67C3 熏蒸控制 68附录D 68D1 WINIO模块申明 68D2 CAN适配器实物图 68 第一章 概 论 1.1 课题研究

7、的背景和意义粮食问题历来是关系国家国计民生和经济安全的重大战略性问题。2000年10月，中共中央首次正式提出国家粮食安全体系问题。中共十五届五中全会决议明确指出“要高度重视保护和提高粮食生产能力，建设稳定的商品粮基地，建立符合我国国情和社会主义市场经济要求的粮食安全体系，确保粮食供求基本平衡”。2004年和2005年，国务院更是先后以中央1号文件的方式，对粮食安全问题给予了高度重视。而粮食安全中粮食的安全合理储藏就是其中很重要的一环。为了适应粮食储藏技术现代化的发展，一批自主开发、先进实用的粮食储藏专用新技术、新装备，得到了全面推广和产业化应用，大大提升了我国粮食储藏技术水平。以环流熏蒸、谷物

8、冷却机、机械通风和粮情测控为代表的“四项新技术”广泛应用，大大提高了储藏技术管理水平。在“四项”储粮新技术（谷物冷却、机械通风、环流熏蒸、粮情测控）中，其中粮情监控是基础，是关键，它是各项储粮技术运行状态的观察者和运行结果的真实反映者。粮情监控系统的准确性、可靠性直接关系到储粮技术的运用和应用效果。而粮食储存在仓库里易受温度、湿度及其它环境因素的影响，可能出现发热、霉变、虫害等情况。为了减少粮食储藏过程中的损失，保障粮食的品质和质量，首先应该及时准确地掌握粮食储藏过程中各种物理量的变化情况，找出其变化规律。建立合理的粮库监控系统。对粮情变化进行实时检测、并对实时检测数据进行分析和控制，从而达到

9、科学保粮的目的。1.2 国内外粮库监控系统的发展状况和趋势11粮食作为我国重要的战略资源，由于其生产的季节性，因此粮食的存储是关系到国计民生的大事。长期以来，国家建设了大批粮食储备库，而早期的粮情检测主要是靠人工的手测进行的，不光测试速度慢，精度低，而且人员劳动强度大。对于大型粮库的检测情况这些问题更是突出。对于通风除湿等控制基本上也是手动操作。后来国内有关厂家研制出了粮仓温度，湿度测试仪等，但一般只适合单一仓库的检测，不能实现对整个粮库粮情参数的集中显示，管理和控制。随着自动化技术，计算机及网络技术的进步与发展。计算机广泛用于粮库监控，现在国内大多数的粮库都已经实现了计算机粮情测控系统的应用

10、。按通讯网络分，主要有以下几类粮库监控系统：（1） 基于RS485总线的粮库监控系统4 RS485总线是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。RS485通信技术应用时间较长，软硬件实现较为容易，因此现阶段在国内粮情测控系统应用很广。但由于RS485总线技术不支持多主结构，系统容量、通讯距离等方面具有很大的局限性，所以随着现代化大型粮食储备库的逐年增多，RS485通讯方式显得愈来愈力不从心。（2） 基于电力线载波的粮库监控系统10电力线载波通信技

11、术出现于本世纪二十年代初期。它以电力线路为传输通道，电力线和信号线合一，不需要另外布置信号线。具有通道可靠性高、投资少见效快、与电网建设同步等电力部门得天独厚的优点。电力载波通讯利用现有库区交流电源线作为通讯线路，不必申请付费专用频道优势明显。但由于电力线上对信号存在高削减、高噪声、高变形，传输数据的过程中会出现意想不到的问题。加之和其它新兴通信手段共存，更显示出了其局限。目前对电力线载波评价不高似乎已是比较普遍的现象。（3）基于无线通讯技术的粮库监控系统基于无线通讯技术的粮库监控系统主要有基于无线收发芯片发射电路的粮库监控系统，基于GSM技术的粮库监控系统以及基于GPRS技术的粮库监控系统。

12、1） 无线收发芯片发射电路的粮库监控系统79无线收发芯片主要采用NRF401和NRF903为核心。这类设计满足无线管制要求，无须使用许可证。工作频率稳定，外围元件少，便于设计。系统安装、维护方便，可靠性高。缺点是距离一般只有几百米。现主要用于粮库的温度检测。适合于中小型粮库监控系统。2） 基于GSM技术的粮库监控系统13GSM技术采用拨号方式的电路交换数据传送方式。通过手机短信SMS (Short Message Service) 方式进行无线通信，优点是覆盖面积广。缺点是传输过程采用排队处理。如果数据量太大或者传输周期太短，可能会产生数据丢失。可用于传输周期较长，数据量不大的数据传输。现主要

13、用于粮库的温度，湿度的检测。适合于中小型粮库监控系统。3） 基于GPRS技术的粮库监控系统8GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，但它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统(BSS)从一开始就可

14、提供全面的GPRS覆盖。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS数据传输具有“永远在线”，“快速登录”，“高速传输”，“按量收费”等优点。但要实现GPRS数据传输，需要有固定的IP地址。（4） 基于TCP/IP协议的工业以态网的粮库监控系统6TCP/IP（传输入控制地议/网际协议）是一种网络通信协议，它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据传输格式以及传送方式。基于TCP/IP协议的工业以态网符合国际主流标准,协议开放、完善不同厂商设备容易互联具有操作性，可以实现远程访问、远

15、程诊断。具有更高的通讯带宽，能方便的实现现场设备层与企业管理层之间的无缝连接。随着高速以态网和交换式以态网的发展，以态网的实时性得到了很大提高。这些现象表明：基于TCP/IP的工业以态网将在工业控制网络中成为很重要的一部分。但是就现在的应用情况看，它不适合在工作环境恶劣，可靠性要求高等场合的应用。一般可以和其他总线混合应用。如和RS485混合应用于粮库系统。（5） 基于现场总线网络的粮库监控系统 现场总线技术是一个全新的总线技术，是一种应用于现场设备之间，现场设备与控制之间实行双向，串行，多节点数字通讯的技术。它的出现为自动化控制和仪器仪表工业带来了巨大的变革，它代表着未来发展的方向。目前国内

16、粮情监控系统主要采用了三种现场总线：LONWORKS总线技术，PROFIBUS总线5和CAN总线2021技术。1） LONWORKS总线技术通信是采用一种称为LonTalk的网络标准语言实现的。LonTalk协议由各种允许网络上不同设备彼此间智能通信的底层协议组成。支持OSI/RM的所有七层模型，通过神经元芯片（Neuron Chip）上的硬件和固件实现提供介质存取，事物确认，认证，组播消息发送及通讯等服务。其总线开放、可靠性高、通信速度最高可达1.5Mbit/s，最大通信距离可达2700米。网络的大小可以是两个到32385个设备。2） PROFIBUS总线也是参考ISO/OSI模型。PROF

17、IBUS总线支持主从系统，纯主站系统，多主多从混合系统等几种传输方式。传输速率为9.6Kbit/s到12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s时为1200米，1.5Mbit/s时为200米，可用中继器延长至10千米，最多可挂接127个站点。3） CAN总线技术在粮情测控系统中的应用比LONWORKS总线技术更为广泛。CAN总线技术具有先进的多主网络结构、通讯距离远、价位低、可靠性高、系统容量大等优点。同时CAN总线最大通讯距离可达10公里，这对库区较大、粮仓分布较分散的大型储备粮库是非常适用的。CAN现场总线技术的另一个优点是可以大大节约连接导线以及安装维护费用，使得整个系统在大大提高

18、系统整体性能的同时具有很高的性能价格比。1.3 粮库监控发展存在的问题19国内粮库监控系统的发展在许多粮库中取得了良好的效果和明显的经济效益，为实现粮库现代化管理起到了十分积极的作用。但还存在一些不足的地方：（1） 现场采集抗干扰能力差。大部分监控系统检测参数时通常采用测量电路将温度转换为05V的信号，然后经数字模拟AD转换，将信号传送到单片机进行分析处理，由于现场传感器的引线太长。其温度转换信号易受工业及其它杂波信号干扰，影响测温数据和系统稳定性。（2） 监测参数少。有的监测的对象往往比较单一，比如有的只有温度或湿度监测，很少涉及虫害等其它参数的监测。（3） 仓内的采集元器件保护不好易损坏。

19、在高温雷雨季节或实施熏蒸处理后系统检测元件出现短路、断路或数值过高、过低。甚至于整仓采集传输不回计算机进行处理数据。究其原因主要是因为一些电子元器件的防腐蚀、防雷击、防静电等的技术处理不完善。电子元件板的密封处理达不到技术要求。增加了损坏数量。（4） 有的监测的自动化程度低。没有建立一个完善的自动化监测通讯网络，检测的数据利用率不高。 （5） 粮情测控系统之间存在兼容性问题。一些分批建设的粮库。每次建库、扩库都使用不同厂家生产的粮情测控系统。几套粮情测控系统之间互不兼容，造成国家建设资金浪费。也不利于实际操作维护，不容易升级和推广。1.4 粮库监控发展趋势19（1） 传感器的集成化、数字化和智

20、能化。如将传感器及微处理器集成在一个芯片上则成为数字化和智能化的传感器。随着传感器制造技术的发展，集成化、数字化和智能化的传感器成本必然降低，易于推广，这样粮情测控系统的结构将发生根本性的改变。（2） 数据检测的全面化：粮情测控系统检测的内容不但包括目前的温度湿度，还将包括粮食水分、粮堆内相关气体的浓度、储粮害虫的密度等，使粮情测控系统更能全面地反映影响粮食储藏安全和粮食品质的各种参数，为安全储粮和延缓陈化提供可靠的技术保证。（3） 数据分析的智能化：能够完成对检测数据的图形、图表显示、分析、查询，并能根据对粮情数据的分析结论，提供相应的警告、建议等。粮情测控系统软件能按照机械通风技术规程的规

21、定同时对多个有不同通风目的仓房，实行实时通风的控制，并可随时根据储粮条件的变化经控制通风参数及其进程，完成对一个完整通风过程全面清晰的记录，界面友好，操作简便。（4） 粮库监控系统产品系列化、标准化。（5） 粮库监控系统的自动化和网络化：粮食储藏中的粮情监控技术同计算机控制技术一样，也必将朝着逐渐成主流的现场总线控制系统和多媒体控制系统方向发展。多媒体和集散粮情测控系统可将粮情多媒体信息(如储粮害虫密度等)进行采集、监视、传输，以及综合分析处理和管理，提高粮食储藏技术的管理和自动化水平；同时利用局域网/因特网的实时状态查询和设备监控。从而将粮食储藏过程中的机械通风、环流熏蒸、谷物冷却储粮控制和

22、生产过程控制等独立完善的控制系统有机结合。逐步建立起集粮情检测、粮情分析与粮情控制于一体的集成化粮情测控系统，提高粮食储藏的现代化水平。1.5 粮库监控系统的方案提出考虑到粮库参数很多，其中最重要的是库内外温度，湿度，库内虫害和水分等，如果对这些参数不能及时的采集和处理，很可能造成严重的损失。这里我们主要对粮库在内外温度湿度以及虫害进行检测和控制。对于水分，气体浓度等其它参数预留有检测控制口。为以后扩展作好准备。通讯网络我们采用CAN总线，管理控制部分采用组态王进行监控，设计整个系统的抗干扰能力强，实时性和纠错能力强，扩展容易。网络具有布线方便、经济等。同时现场采集采用数字式传感器。信号传输过

23、程的衰减不会影响系统精度，且传输距离长。从而提高粮情监测系统的可靠性，扩大粮情监测的功能。1.6 本课题主要要完成以下几方面的工作（1）：分析当前粮库监控系统的发展状况和发展趋势，为设计作好理论依据。（2）：CAN总线为通讯网络的分布式粮库监控系统的整体方案设计和具体实施。（3）：管理控制部分的组态设计和数据库管理。（4）：现场传感器的选择和现场控制器的控制。第二章：CAN总线简介CAN总线（SJA1000 Area Network）即控制器局域网，由德国BOSCH公司20世纪80年代推出。是国际上应用最广泛的现场总线之一。遵从OSI模型，划分为物理层和数据链路层。2.1 CAN总线主要特点1

24、（1） CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可以方便的构成多机备份系统。（2） CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134s内得到传输。（3） CAN采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可以不受影响地继续传输数据，从而大大的节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况（以太网则有可能会出现网络瘫痪）。在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能

25、，以使总线上其它节点的操作不受影响。（4）CAN只需通过报文滤波即可实现点对点，一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。（5） CAN的传输介质可用双绞线，同轴电缆或光纤，方式灵活。直接通讯距离达到10km（速度5Kbit/s以下）；通信速率最高可达1Mbit/s（此时的通讯距离最长为40M）。（6） CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个报文；标志符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标志符几乎不受限制。（7）CAN采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。每帧信息都有CRC校验。保证了数据出错率极低

26、。2.2 CAN报文的帧结构2CAN通讯协议2.0 A 规定了4种不同的帧类型：数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。错误帧：任何单元检测到一总线错误就发出错误帧。过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。其中数据帧（或远程帧）通过帧间空间与前述的各帧分开。2.2.1 数据帧数据帧由7 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束。数据场的长度可以为0。具体组成如图2.1 图2.1（1）帧起始： 以一个比特的显位出现，只有在总线处于空闲状态时，才允许开始发送。仲裁场：仲

27、裁场包括识别符和远程发送请求位（RTR）。识别符：识别符的长度为11 位。这些位的发送顺序是从ID-10 到ID-0。最低位是ID-0。最高的7 位ID-10 到ID-4）必须不能全是“隐性”。RTR 位：该位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。如图2.2 图2.2（2）控制场：由6 个位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。所发送的保留位必须为“显性”。接收器接收所有由“显性”和“隐性”组合在一起的位。数据长度代码：数据长度代码指示了数据场中字节数量。数据长度代码为4 个位，在控制场里被发送。如图2.3。 图2.3（3）数据场：由数据帧中的发送数据组成。它可以

28、为08 个字节，每字节包含了8 个位，首先发送MSB。CRC 场包括CRC 序列（CRC SEQUENCE），其后是CRC 界定符（CRC DELIMITER）。应答场长度为2 个位，包含应答间隙（ACK SLOT）和应答界定符（ACK DELIMITER）。在应答场里，发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙（ACK SLOT）期间（发送ACK 信号）向发送器发送一“显性”的位以示应答。帧结束：每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定。这个标志序列由7 个“隐性”位组成。2.1.2 远程帧通过发送远程帧，作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同的数据传送进

29、行初始化设置。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、帧结束。与数据帧相反，远程帧的RTR 位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代码的数值是不受制约的（可以标注为容许范围里0.8 的任何数值）。此数值是相应于数据帧的数据长度代码。如图2.4。 图2.42.2.3 错误帧错误帧由两个不同的场组成。第一个场用作为不同站提供的错误标志（ERROR FLAG）的叠加。第二个场是错误界定符。如图2.5 图2.5 2.2.4 超载帧超载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。有两种过载条件都会导致过载标志的传送：1. 接收器的内部条件（此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有

30、一延时）。2. 间歇场期间检测到一“显性”位。由过载条件1 而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇场的第一个位时间开始。而由过载条件2 引发的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。如图图2.6 图2.6 2.3 CAN总线的协议规范12（1）CAN2.0B标准帧信息为11个字节，包括两部分：信息和数据部分。前3个字节为信息部分。 如下表2.1： 表2.17654321字节1FFPTRXXDLC（数据长度）字节2（报文识别码）ID.10ID.3字节3ID.2ID.0PTR字节4数据1字节5数据2字节6数据3字节7数据4字节8数据5字节9数据6字节10数据7字节11数据8a.字节1为帧信息。第

31、7位（FF）表示帧格式，在标准帧中，FF0；第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧；DLC表示在数据帧时实际的数据长度。b.字节2、3为报文识别码，11位有效。c.字节411为数据帧的实际数据，远程帧时无效。（2）CAN2.B扩展帧信息为13个字节，包括两部分，信息和数据部分。前5个字节为信息部分。如表2.2 表2.27654321字节1FFPTRXXDLC（数据长度）字节2（报文识别码）ID.28ID.21字节3ID.20ID.13字节4ID.12ID.5字节5ID.4ID.0XXX字节6数据1字节7数据2字节8数据3字节9数据4字节10数据5字节11数据6字节12数据7字节13数据8a.字节1为帧信息。第7位（FF）表示帧格式，在扩展帧中，FF 1；第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0