1、基于 can 總線的多點溫度監測及報警系統設計 摘要 本文設計的是一套基于 can 總線的多點溫度檢測及報警系統，主要是對糧倉的溫 度監控，以確保儲糧的安全。 系統設計分為主控模塊和監控模塊。主控監控兩模塊的微處理器都采用 at89s52 單片機。為了實現主控模塊對監控模塊的實時監測，在主控端和監控端處都設計有 can 通信電路，由控制器 sja1000 和收發器 82c250 組成 can 通信接口。另外，主 控端的外圍電路部分包括時鐘電路功能模塊、eeprom 存儲電路模塊、串口通信電路 模塊、譯碼電路功能模塊、液晶顯示屏模塊；監控端的外圍電路部分為溫度傳感器。 主控端的時鐘芯片選用 ds

2、12887，eeprom 存儲芯片選用戶 at24c16，顯示屏采用 fm12232b 液晶模塊。監控端的溫度傳感器采用數字傳感器 ds18b20，系統設置溫度 傳感器的闡值為 50。 本文給出了系統的結構和軟硬件設計方案，可實現實時溫度測量、越限報警等功 能。該系統具有可靠性好、通信速率高、抗干擾能力強等特點。本系統還適用于在糧 倉、北方暖氣和熱水供應中心、大面積水泥鋪建等多種場合。 關鍵詞：can 總線；ds18b20；at89s52 based on can bus multipoint temperature monitoring and alarming system design

3、abstract this paper designs a multi-point temperature detection and alarm system based on can bus , this system is mainly used to monitor the temperature of granary, to ensure the safety of the stored grain. this system is divided into the main control module and the surveillance module. the micropr

4、ocessor of the main control module and the surveillance module both use dsp at89s52 microcontroller. in order to achieve real-time monitoring and measuring of the surveillance module,can communications circuits are designed at the port of the main control module and the surveillance module,which is

5、composed by the controller sja1000 and the 82c250 communications interface. in addition, the external circuit section of the main control module includes the clock circuit modules, eeprom memory circuit module, serial communication circuit module, decoding circuit modules, lcd modules; the main port

6、ion of the external circuit section of the surveillance module is the temperature sensor. the clock chip of the main control module uses ds12887, the eeprom memory chip can select at24c16, the lcd display module can select fm12232b. the temperature sensor of the surveillance module use the digital s

7、ensor ds18b20, the lininal value of the temperature sensor is setted at 50 by the system. this paper presents the architecture of the system and the hardware and software design proposal , enabling the function of real-time temperature measurement and the off-limited alarm .the system has good relia

8、bility, high transmission rate, strong anti-interference and so on. this system can also be applied to the granary, the north central heating and hot water supply center, the cement paving of a large area and other occasions. keywords: can-bus；ds18b20；at89s52 目 錄 1 緒論 .5 1.1 背景介紹.5 1.2 國內外相關技術發展概況.5

9、 1.2.1 溫度傳感器的發展概況 .5 1.2.2 現場總線概況 .6 1.3 溫度監測及報警系統的應用前景.7 2 現場總線 can 原理介紹 .7 2.1 現場總線簡介.7 2.2 can 總線簡介 .8 2.2.1 can-bus 的產生與發展.8 2.2.2 can-bus 的基本工作原理.9 2.2.3 can-bus 的特征.10 2.2.4 can 協議簡介.11 3 基于 can 多點溫度檢測系統的總體設計 .15 3.1 系統總體方案設計.15 3.2 系統設計的主要器件選擇.16 3.2.1 微處理器 .16 3.2.2 sja1000 控制器.17 3.2.3 pca8

10、2c250 總線收發器.19 3.2.4 溫度傳感器的選擇 .20 3.2.5 顯示器的選擇 .24 3.3 系統硬件結構組成.25 4 系統的硬件設計 .27 4.1 單片機最小系統設計.27 4.2 串口電路設計.28 4.3 eeprom.29 4.4 can 通信電路設計 .29 4.4.1 can 通信結構框圖.30 4.4.2 can 通信電路電源模塊.31 4.4.3 can 通信接口電路.31 4.5 時鐘電路設計.32 4.6 譯碼電路.33 4.7 液晶顯示屏.34 4.8 溫度傳感器.35 4.9 鍵盤電路.36 4.10 報警電路.37 5 系統的軟件設計 .38 5.

11、1 系統整體軟件設計.38 5.2 主控模塊軟件設計.38 5.2.1 can 控制器的初始化.38 5.2.2 主控端巡檢監控端 .41 5.2.3 外圍電路軟件設計 .41 5.3 監控模塊軟件設計.47 5.3.1 can 通信模塊軟件設計.48 5.3.2 溫度傳感器的軟件設計 .48 6 結論 .49 參考文獻 .50 致謝 .50 附錄 .50 附錄 a 程序清單 .50 附錄 b 主控系統電路原理圖 .51 附錄 c 監控系統電路原理圖 .51 1 緒論 1.1 背景介紹 我國是一個農業大國，每年都有大量的新糧收獲也有部分陳糧積壓，由于儲存不 當會造成大量的糧食浪費， 科學儲糧是

12、糧食生產的一個重要環節，若管理不當，糧食 發霉或生蟲會造成極大浪費，給國家和人民造成了巨大的經濟損失，糧倉的性能成為 糧食質量的決定因素。 隨著電子技術和計算機技術的發展，目前普遍采用電子和計算機對糧倉測控和管 理，但是仍存在很多不盡人意的問題，如抗干擾性能差、傳輸數據丟失等，針對這些 情況提出一種基于 can 總線糧倉多點溫度測控及報警系統的設計方法。 1.2 國內外相關技術發展概況 傳統的機械式溫度檢測儀表己經有上百年的歷史了，一般均具有指示溫度的功能， 由于測溫原理不同，不同的儀表在報警、記錄、控制信息遠傳等方面有較大的差別。 今年來由于微電子的進步以及計算機應用的日益廣泛，智能化測量儀

13、表己經取得巨人 的進步，以單片機為主體的溫度控制器取代了傳統的儀器儀表。常規電子線路，可以 容易地將計算機技術與測量技術結合起來。智能儀表在測量過程自動化，測量結果的 數據處理以及功能的多樣化方面都取得了巨大的進展。目前，在研制高精度，高性能， 多功能的測量儀表時，幾乎沒有不考慮使用單片機使之成為智能儀表的。 1.2.1 溫度傳感器的發展概況 美國 dallas 半導體公司的數字化溫度傳感器 ds1820 是世界上第一片支持 “一線 總線”接口的溫度傳感器，在其內部使用了在板專利技術。全部傳感元件及轉換電路 集成在形如一只三極管的集成電路內。 “一線總線”獨特而且經濟的特點，使用戶可輕 松地組

14、建傳感器網絡，為測量系統的構建引入全新概念。現在，新一代的 ds18b20 體 積更小、更經濟、更靈活、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網等優點， 在實際應用中取得了良好的測溫效果。使你可以充分發揮“一線總線”的優點。同 ds1820 一樣，ds18b20 也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55c+125c， 在-10+85c 范圍內，精度為0.5c。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸， 大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量，如：環境控制、設備 或過程控制、測溫類消費電子產品等。與前一代產品不同，新的產品支持 3v5.5v 的 電壓范圍，使系統設計更靈活

15、、方便。而且新一代產品更便宜，體積更小。 1.2.2 現場總線概況 現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數 字通信的系統，現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使它們各自 具有了數字計算和數字通訊能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個 測量控制儀表連接成網絡系統，并按公開、規范的通信協議，在位于現場的多個微機 化測量控制設備之間及現場儀表與遠程監控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換， 形成各種適應實際需要的自動控制系統1。 現場總線是 20 世紀 80 年代中期在國際上發展起來的。隨著微處理器與計算機功 能的不斷增強和價格的降低，計算機與

16、計算機網絡系統得到迅速發展。現場總線可實 現整個企業的信息集成，實施綜合自動化，形成工廠底層網絡，完成現場自動化設備 之間的多點數字通信，實現底層現場設備之間以及生產現場與外界的信息交換。1983 年，honeywell 推出了智能化儀表，它在原模擬儀表的基礎上增加了計算功能的微處理 器芯片，在輸出的 420ma 直流信號上迭加了數字信號，使現場與控制室之間的連接 模擬信號變為數字信號。之后，世界上各大公司推出了各種智能儀表。智能儀表的出 現為現場總線的誕生奠定了基礎。智能儀表的出現為現場信號的數字化提供了條件， 但不同廠商提供的設備通信標準不統一，束縛了底層網絡的發展。現場總線要求不同 的廠

17、商遵從相同的制造標準，組成開放的互連網絡是現場總線的發展趨勢。 現場總線 系統打破了傳統控制系統采用的按控制回路要求，設備一對一的分別進行連線的結構 形式。把原先 dcs 系統中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊放入現場設備，加 上現場設備具有通信能力，因而控制系統功能能夠不依賴控制室中的計算機或控制儀 表，直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。 對于一般控制，設備間連鎖可以通過串行網絡完成。因此，bosch 公司開發了 can 總線(controller area network)，并已取得國際標準化組織認證(iso11898)，其總 線結構可參照 iso/osi 參考模型。同時，國際上一

18、些大的半導體廠商也積極開發出支 持 can 總線的專用芯片。通過 can 總線，傳感器、控制器和執行器由串行數據線連 接起來。它不僅僅是將電纜按樹形結構連接起來，其通信協議相當于 iso/osi 參考模 型中的數據鏈路層，網絡可根據協議探測和糾正數據傳輸過程中因電磁干擾而產生的 數據錯誤。can 網絡的配制比較容易，允許任何站之間直接進行通信，而無需將所有 數據全部匯總到主計算機后再行處理。對機動車輛總線和對現場總線的需求有許多相 似之處，即較低的成本、較高的實時處理能力和在惡劣的強電磁干擾環境下可靠的工 作。奔馳 s 型轎車上采用的就是 can 總線系統;美國商用車輛制造商們也將注意力轉 向

19、 can 總線;美國一些企業已將 can 作為內部總線應用在生產線和機床上。同時，由 于 can 總線可以提供較高的安全性，因此在醫療領域、紡織機械和電梯控制中也得到 廣泛應用。 1.3 溫度監測及報警系統的應用前景 在糧倉、北方暖氣和熱水供應中心、大面積水泥鋪建等多種場合中，溫度是最主 要的檢測控制參數，在電力、生物制品、藥品、電子器件等行業，溫度監測及報警系 統更是需求很大。因此，溫度監測及報警系統的應用范圍非常廣泛。但由于各類溫度 傳感器的性能穩定性、適應性、經濟性仍然存在不少技術問題，阻礙了溫度監測及報 警系統的應用發展。這些領域大都以較為準確但效率非常之低的檢測手段為主，如目 前國內

20、 80%的紡織企業對工作環境溫度的檢測仍采用溫度計表的形式。如能充分利用 智能化技術，實現溫度控制系統的自動檢測及越線報警提示技術，由此推廣應用將可 能出現一定的市場規模，應用前景將更加看好。 2 現場總線 can 原理介紹 2.1 現場總線簡介 隨著控制、計算機、通訊、網絡等技術的發展，信息交換溝通的領域正在迅速覆 蓋從工廠的現場設備層到控制、管理的各個層次、覆蓋從工段、車間、工廠、企業乃 至世界各地的市場。信息技術的飛速發展，引起了自動化系統結構的變革，逐步形成 以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。現場總線就是順應這一形勢發展起來 的新技術。 現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之

21、一，被譽為自動化領域的計算機局 域網。它的出現，標志著工業控制領域又一個新時代的開始，并將對該領域的發展產 生重要影響。現場總線是應用在生產現場、在微型計算機化測量控制設備之間實現雙 向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。 其在制造業、流程工業、交通、樓宇等方面的自動化系統中具有廣泛的應用背景2。 現場總線技術將專用于微處理器置入傳統的測量控制儀表，使它們各自具有數字 計算和通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連 接成的網絡系統，并按公開、規范的通信協議，在位于現場的多個微型計算機化測量 控制設備之間以及現場儀表與遠程監控計算

22、機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成 各種適應實際需要的自動控制系統。簡而言之，它把單個分散的測量控制設備變成網 絡節點，以現場總線為紐帶，連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡系 統與控制系統。它給自動化領域帶來的變化正如眾多分散的計算機被網絡連接在一起， 使計算機的功能、加入到信息網絡的行列。因此現場總線技術是一個控制技術新時代 的開端2。 2.2 can 總線簡介 控制器區域網(controller area network)can 現場總線已經成為在儀表裝置通訊的 新標準。它提供高速數據傳送， 在短距離(40m)條件下具有高速(1mbit/s)數據傳輸能力， 而在最大距離 10

23、000m 時具有低速(5kbits/s)傳輸能力，極適合在高速的工業自控應用上 can 總線可在同一網絡上連接多種不同功用的傳感器(如位置，溫度或壓力等)。 can 總線與其他總線相比有如下特點總線與其他總線相比有如下特點：它是一種多主總線，即每個節點機均可 成為主機，且節點機之間也可進行通信；通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導 纖維，通信速率可達 1mbps；can 總線通信接口中集成了 can 協議的物理層和數 據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余 校驗、優先級判別等項工作；can 協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼， 而代之以對通信數據塊進

24、行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論 上不受限制，數據塊的標識碼可由 11 位或 29 位二進制數組成，因此可以定義 211 或 229 個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接受到相同的 數據，這一點在分步式控制中非常重要；數據段長度最多為 8 個字節，可滿足通常 工業領域中控制命令，工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8 個字節不會占用總線 時間過長，從而保證了通信的實時性；）can 協議采用 crc 檢驗并可提供相應的錯 誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。can 總線所具有的卓越性能、極高的可靠性 和獨特設計，特別適合工業設備測控單元互連。因此倍受

25、工業界的重視，并已公認為 最有前途的現場總線之一。 2.2.1 can-bus 的產生與發展 控制器局部網（cancontroller area network）是 bosch 公司為現代 汽車應用領先推出的一種多主機局部網，由于其卓越性能現已廣泛應用于工業自動化、 多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、環境控制等眾多部門。控制器局部網 將在我國迅速普及推廣。 隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發展，工業控制系統已成為計 算機技術應用領域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統可靠性和 靈活性的高要求，工業控制系統的發展主要表現為：控制面向多元化，系統面向分散 化，即負

26、載分散、功能分散、危險分散和地域分散。 2.2.2 can-bus 的基本工作原理 can 總線的拓撲結構如圖 2.1 所示，是一個典型的串行總線的結構形式。 can 節點can 節點can 節點 圖 2.1 can 總線網絡結構 can 總線中一個節點發送信息，多個節點接收信息；但 can 總線的信息存取方 式既不同于令牌方式的 arcnet，也不同于主從方式的 bitbus，采用的是一種廣播式廣播式的 存取工作方式。與其他網絡不同，在 can 總線的通信協議中，沒有節點地址的概念沒有節點地址的概念， 也沒有任何與節點地址相關的信息存在，它支持的是基于報文的工作方式5。也就是說， can 總

27、線面向的是數據而不是節點，因此加入或撤銷節點設備都不會影響網絡的工作， 十分適用于控制系統要求快速、可靠、簡明的特點。 以下將對 can 總線的基本通信工作原理基本通信工作原理做一介紹。 can 總線協議是通過一種非破壞性的仲裁方式來解決總線沖突的。這也就是說當 總線出現發送沖突時，通過仲裁后，原發送信息不會受到任何影響。所有的仲裁判別 都不會破壞優先級高的報文信息內容，也不會對其發送產生任何的時延。這種仲裁規 則可以使信息和時間均無損失。 can 總線是一個基于報文而不是基于站點地址的協議。也就是說報文不是按照地 址從一個節點傳送到另一個節點。can 總線上報文所包含的內容只有優先級標志區和

28、 欲傳送的數據內容。所有節點都會接收到在總線上傳送的報文，并在正確接收后發出 應答確認。至于該報文是否要做進一步的處理或被丟棄將完全取決于接收節點本身， 由節點來進行報文過濾。同一個報文可以發送給特定的站點或許多站點，就看你怎樣 去設計網絡和系統。 can 總線協議另外一個有用的特性是另外一個有用的特性是一個節點可以主動要求其它節點發送信息。 這種特性叫做遠程發送請求（rtr） 。和上面不同之處在于，節點并不等待信息的到來， 而是主動去索取。設計人員就可以利用這一遠程發送請求特性來減少網絡的數據通信 量，同時維持整個系統的完整性。 基于報文的這種協議另外一個好處是新的節點可以隨時方便地加入到現

29、有的系統 中，而不需對所有節點進行重新編程以便它們能識別這一新節點。一旦新節點加入到 網絡中，它就開始接收信息，判別信息標識，然后決定是否作處理或直接丟棄。can 總線定義了四種不同的報文（或叫幀）用于總線通信。第一種也是最常用的是數據幀， 用于一個節點傳送信息到其它任一或所有節點；第二種叫遠程幀，基本上是一個數據 幀但其中的 rtr 位被置 1，表明這是一個遠程發送請求，用于一個節點主動要求其它 節點發送信息；另外兩種用于差錯處理，分別叫做錯誤幀和過載幀。如果節點在接收 過程中檢測到任一在 can 總線協議中定義了的錯誤信息，它就會發送一個錯誤幀，當 一個節點正忙于處理接收的信息，需要額外的

30、等待時間接收下一報文時，可以發送過 載幀，通知其它節點暫緩發送新報文。 2.2.3 can-bus 的特征 （1）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

31、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。 （2）can 總線的優點總線的優點： 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。

32、 2.2.4 can 協議簡介 2.2.4.1 can 協議的分層結構 can 協議分為三層：目標層、傳輸層和物理層6。主要對應于 iso(intermational standard organizantion，國際標準化組織)的 osi(open system interconnertion，開放系 統互連)七層模型中數據鏈路層的媒體訪問控制子層以及物理層的物理信號部分。目標 層和傳輸層包含所有由 iso/osi 模型定義的數據鏈路層的服務和功能。由于 can 的數 據結構簡單，又是范圍較小的局域網，因此不需要其他中間層，應用層數據直接取自 數據鏈路層或直接向鏈路層寫數據。結構層次少有利于

33、系統中實時控制信號的傳送。 傳 播 媒 體 應用層有設計者自行定義 數據 鏈路層 物理層 邏輯鏈路控制子層 llc 媒體訪問控制子層 mac 物理信號子層 pls 物理媒體附屬子層 pma 媒體相關接口子層 mdi can 控制器 can 收發器 can 協議 規范 圖 2.2 can 協議的分層結構 can 協議的分層結構如圖 2.2 所示。pma 子層和 mdi 子層有多種規范，由不同 的組織制定，可應用在不同的領域和場合。 can 層的定義與開放系統互連模型（osi）一致，每一層與另一設備上相同的那一 層通訊，實際的通訊發生在每一設備上的相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物 理介質互連

34、，表 2-1 中展示了 osi 開放式互連模型的各層。應用層協議可以由 can 用 戶定義成合適特別工業領域的任何方案，已在工業控制和制造業領域得到了廣泛應用 的標準是 devicenet，這是 plc 和智能傳感器設計的，在汽車工業，許多制造商都應 用他們的標準。 表表 2-12-1 osi 開放系統互連模型開放系統互連模型 7 應用層最高層用戶軟件網絡終端等之間用來進行信息交換如devicenet 6 表示層 將兩個應用不同數據格式的系統信息轉化為能共同理解的格式 5 會話層依靠低層的通信功能來進行數據的有效傳遞 4 傳輸層兩通信節點之間數據傳輸控制操作如數據重發數據錯誤修復 3 網絡層規

35、定了網絡連接的建立維持和拆除的協議如：路由和尋址 2 數據 鏈路層 規定了在介質上傳輸的數據位的排列和組織如數據校驗和幀結構 1 物理層規定通訊介質的物理特性如電氣特性和信號交換的解釋 can 物理層定義了傳輸線和硬件的機械、電氣和電信號特征及功能。機械特征包 括連接器尺寸、類型等；電氣特性包括最大傳輸速率、最大傳輸距離、信號電平狀態 代表意義等；電信號特征包括對應電平信號的邏輯信號、信號的傳輸時序、數據采樣 方式等。但在 can2.0a/b 中對物理層部分的內容做了規定，而在 iso11898 標準中的 內容更加具體，但沒有指明通訊介質的材料，因而用戶可以根據自己的需要選擇雙絞 線，同軸電纜

36、或光纖，最常用的就是雙絞線。 表表 2-2 can 總線長度與傳輸距離的關系總線長度與傳輸距離的關系 can 總線波特率任意兩節點間的最大距離 1mbps40m 500kbps130m 250kbps270m 125kbps530m 100kbps620m 50kbps1.3km 20kbps3.3km 10kbps6.7km 5kbps10km can 網絡的速度取決于總線的長度。控制器最快能達到 1mbps，但對總線長度有 限制。對于 50m 長的總線，最大波特率是 1mbps，而對于 150m 的總線，波特率約為 0.5mbps。can 網絡上的任意兩個節點之間的最大傳輸距離與其位速率有

37、關，其對應 關系見表 2-2 所示。 圖 2.3 總線位的數值表示 can 總線上的電平形式中的總線數值為兩種互補邏輯數值之一：“顯性”或“隱 性” 。顯性數值表示邏輯“0” ，而“隱性”數值表示邏輯“1” 。 “顯性”和“隱性”同 時發送時，最后總線數值將顯示為“顯性” 。在“隱性”狀態下，和被固 hcan v lcan v 定于平均電壓電平，近似為 0。在總線空閑或“隱性”位期間，發送“隱性”狀態。 diff v “顯性”狀態改寫“隱性”狀態并發送。總線位的數值表示如圖 2.3 所示。(差動傳輸差動傳輸 方式方式) 2.2.4.2 報文傳輸及其幀結構 sof 11 位標示符 仲裁場控制場

38、rtr 位 圖 2.4 數據幀標準格式中的仲裁場結構 diff v diff v 隱性位 顯性位 隱性位 時間 t hcan v lcan v 平均電壓 u can 總線的數據傳輸由以下 4 個不同的幀類型所表示和控制，它們分別是7： 數據幀：數據幀將數據從發送器傳送到接收器。 遠程幀：總線單元發出遠程幀，請求發送具有相同標識符的數據幀。 錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。 超載幀：超載幀用以在相鄰的數據幀或遠程幀之間提供附加的延時。 數據幀和遠程幀用一個幀空間與前面的幀分開。以下將逐一對各幀的結構做詳細介紹。 can 技術規范 2.0b 中有兩種不同的幀格式，標準幀和擴展幀。不同之

39、處在于每幀的標識符的 長度不同：標準幀的標識符長度為 11 位，而擴展幀的長度則為 29 位。 標準格式和擴展格式的仲裁場格式不同。在標準格式中，仲裁場由 11 位標識符 id 和遠程發送 請求位 rtr 組成。11 位標識符為 id.28id.18，如圖 2.4 所示。 數據幀由 7 個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、crc 場、應答場和幀結 束。數據場的長度可為 0。數據幀的結構如表 2-3 所示。 表表 2-32-3 數據幀結構數據幀結構 幀起始仲裁場控制場數據場crc 場ack 場幀結束 幀起始（sof）標志數據幀和遠程幀的起始，僅由一個顯性位構成。只有在總線處于空閑

40、狀態 時才允許站開始發送。所有站都必須同步于首先開始發送的那個站的幀起始前沿。 而在擴展格式中，仲裁場由 29 位標識符、srr 位、ide 位和 rtr 位組成，標識符為 id.28id.0，如圖 2.5 所示。 仲裁場 rtr 18 位標示符 srr ide 11 位標示符 sof 圖 2.5 數據幀擴展格式中的仲裁場結構 控制場由 6 位組成。其結構如圖 2.6 所示。 控制場 ide/r1 r0 dlc3 dlc2 dlc1 dlc0 圖 2.6 控制場結構 標準格式的控制場結構和擴展格式的不同。標準格式里的控制場包括數據長度碼 dlc，ide 位 及保留位 r0；擴展格式里的控制場包

41、括 dlc 和兩個保留位 r1 和 r0。保留位必須發送顯性位。數據 長度碼指出數據場的字節數目。數據長度碼為 4 位，在控制場中發送。數據字節的允許數目為 控制場 數據場 數據長度代碼保留為 仲裁場 08。 遠程幀由 6 個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、crc 場、應答場和幀結束。與數據 幀相反，遠程幀的 rtr 位是隱性位。遠程幀不存在數據場，dlc 的數值沒有意義，它可以是 08 中的任何數值，這一數值為對應數據幀的 dlc。 錯誤幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是出錯界定符。 有兩種形式的錯誤標志，一種是活動錯誤標志，另一種是認可錯誤標志。活

42、動錯誤標志由 6 個連續 的顯性位組成，認可錯誤標志由 6 個連續的隱性位組成。 超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。有三種超載條件會導致超載標志的發送：一是 要求延遲下一個數據幀或遠程幀的內部條件，二是在間歇場的第 1 位和第 2 位檢測到顯性位，三是 如果 can 節點在錯誤界定符或超載界定符的第 8 位（最后一位）采樣到一個顯性位，節點會發送一 個超載幀（不是錯誤幀） 。超載標志由 6 個顯性位組成，所有形式對應于活動錯誤標志形式。超載 界定符由 8 個隱性位組成，與出錯界定符具有相同的形式。 2.2.4.3報文濾波 can 總線通過報文濾波技術，可以實現點對點、一點對多點及全局廣

43、播等多種數據傳送方式8。 報文濾波技術實際是通過屏蔽寄存器和濾波寄存器來實現。屏蔽寄存器設定需要校驗的二進制位， 濾波寄存器存儲需比較的數值。對這一概念的理解有助于深刻了解 can 協議的原理及其硬件結構， 為軟件的實現打下基礎。 濾波寄存器和屏蔽寄存器決定是否將信息裝入接收緩沖區。信息幀仲裁場的標識符與濾波寄存 器中的值比較，如果二者相等，則將信息裝入相應的接收緩沖區。屏蔽寄存器的作用是決定標識符 的哪些位需要與濾波寄存器比較。如果屏蔽寄存器的每一位為 1，那么這一位會自動接收，無須與 濾波寄存器的相應位進行比較。 可見如果信息標識符的高字節為 11001101，屏蔽寄存器值為 000011

44、11，若濾波寄存器的值為 11001101 則將數據收入緩沖區。也就是說滿足下列兩等式之一，則報文被接收。 （id.10id.3） (ac.7ac.0) （am.7am.0）11111111 屏蔽寄存器和濾波寄存器存放在 can 控制器中，其自動識別標識符的功能由硬件實現，但濾 波寄存器和屏蔽寄存器的值需要軟件設定。 3 基于 can 多點溫度檢測系統的總體設計 3.1 系統總體方案設計 溫度檢測系統有則共同的特點：測量點多、環境復雜、布線分散、現場離監控室 遠等。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號，則需要設計信號調理電路、a/d 轉換及 相應的接口電路，才能把傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號

45、送到計算機去處理。 這樣，由于各種因素會造成檢測系統較大的偏差；又因為檢測環境復雜、測量點多、 信號傳輸距離遠及各種干擾的影響，會使檢測系統的穩定性和可靠性下降 。所以多點 溫度檢測系統的設計的關鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和遠程通信的設計。溫度 傳感器應用范圍廣泛、使用數量龐大，也高居各類傳感器之首。系統采用針對傳統溫 度測溫系統測溫點少，系統兼容性及擴展性較差的特點，運用分布式通訊的思想。設 計一種可以用于大規模多點溫度的檢測報警系統。系統的主控模塊與監控模塊之間采 用 can 總線進行數據傳輸，從而成為總線上的監控節點。系統組成框圖如下圖 3.1。 單片機cancan單片機溫度傳感器

46、主控模塊監控模塊 圖 3.1 系統組成框圖 3.2 系統設計的主要器件選擇 在糧庫、倉庫中溫度是主要的參數，本設計要求設計溫度參數的自動檢測系統， 該系統由單片機或其它微型機來完成，并實現顯示溫度值，當測量到的溫度超過用戶 界限時報警。目前 can 總線已被公認為是最有前途的幾種現場總線之一。因其高性能 價格比、實現簡單等突出優點深得越來越多的研發人員的青睞， can 控制器有 82c250、sja1000 及 intel 82526/82527 等；根據當前市場、開發工具和課題的實際需 要，系統的智能節點均選用 atmel8 位單片機 at89s52 為微處理器，并選取 philips 公司

47、的 sja1000can 控制器以及 pca82c250 總線收發器，主要考慮到 sja1000 支持 can2.0a/b 協議，而 82c250 可以支持 110 個 can 節點，并且國內市場上 philips 的 產品型號比較多，購買比較方便。 3.2.1 微處理器 at89s51/52 系列單片機是美國 atmel 公司生產的一種低功耗、高性能的片內有 4k/8k 快閃可編程/擦除只讀存儲器(fperom)的 8 位 coms 微控制器。除與 8031 引腳 和指令系統完全兼容外，又增加了許多新的功能。at89s52 具有 8k 在系統可編程 flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲

48、器技術制造，與工業 80c51 產品指令和引腳完 全兼容。片上 flash 允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上， 擁有靈巧的 8 位 cpu 和在系統可編程 flash，使得 at89s52 為眾多嵌入式控制應用系 統提供高靈活、超有效的解決方案。at89s52 具有以下標準功能：8k 字節 flash，256 字節 ram，32 位 i/o 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個 16 位定時器/計數器， 一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可 降至 0hz 靜態邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，

49、cpu 停止工作， 允許 ram、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，ram 內容被保 存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最新的 89s 系列時鐘頻率支持到了 3mhz，包含看門狗定時器 wdt、2 個數據指針等新功能， 極大的增強了單片機的性能，是目前取代 mcs-51 單片機的主流芯片之一。故本系統 選用 at89s52 單片機作為微控制器。 at89s52 單片機主要性能主要性能： 與與 mcs-51 單片機產品兼容單片機產品兼容 8k 字節在系統可編程字節在系統可編程 flash 存儲器存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態操作：0hz3

50、3hz 三級加密程序存儲器 32 個可編程 i/o 口線 三個 16 位定時器/計數器 八個中斷源 全雙工 uart 串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 看門狗定時器 雙數據指針 掉電標識符 3.2.2 sja1000 控制器 sja1000 是一個獨立的 can 控制器，sja1000 是 philips 公司早期 can 控制器 pca82c200 的替代品，功能更強，增加了一種新的工作模式(pelican)，這種模式支持 can2.0b 協議912。sja1000 主要負責把并行的數據轉換成 can 的格式進行發送和 接收。它內部自帶發送和接收緩沖，并有超強的錯誤報警和雙重

51、濾波處理。sja1000 具有如下特點： 完全兼容 pca82c200 及其工作模式，即 basiccan 模式； 具有擴展的接收緩沖器，64 字節的 fifo 結構； 支持 can2.0b； 支持 11 位和 29 位識別碼； 位速率可達 1mbit/s； 支持 pelican 模式及其擴展功能； 24mhz 的時鐘頻率； 支持與不同微處理器的接口； 可編程的 can 輸出驅動配置； 增強了溫度范圍（-40+125） 。 sja1000 的硬件結構框圖如圖 3.2 所示。圖 3.2 中，sja1000 由 can 核心模塊、 接口管理邏輯、發送緩沖區、驗收濾波器單元、接收 fifo(先入先出

52、)等幾部分組成。 主 控 制 器 接口 管理 邏輯 發送緩沖 接收 fifo 驗收 濾波器 can 核心 模塊 圖 3.2 sja1000 的硬件結構框圖 can 核心模塊負責 can 信息幀的收發和 can 協議的實現。接口管理邏輯負責同外部主控制 器的接口，該單元中的每一個寄存器都可由主控制器通過 sja1000 的地址/數據總線訪問13。發送 緩沖區可存儲一個完整的信息幀，長度為 13 字節。主控制器可直接將標識符和數據送入發送緩沖 區，然后置位命令寄存器(cmr)中的發送請求位 tr，啟動 can 核心模塊讀取發送緩沖區中的數據， 按 can 協議封裝成一個完整的 can 信息幀，提供

53、給收發器發往總線。 sja1000 主要由接口管理邏輯 iml、信息緩沖器(含發送緩沖器 txb 和接收緩沖器 rxfifo)、 位流處理器 bsp、接收過濾器 asp、位時序處理邏輯 btl、錯誤管理邏輯 eml、內部振蕩器及復 位電路等構成。iml 接收來自 cpu 的命令，控制 can 寄存器的尋址并向主控器提供中斷信息及狀 態信息。cpu 的控制經 iml 把要發送的數據寫入 txb，txb 中的數據由 bsp 處理后經 btl 輸出 到 can 總線。btl 始終監視 can 總線，當檢測到有效的信息頭“隱性電平-控制電平”的轉換時 啟動接收過程，接收的信息首先要由位流處理器 bsp

54、 處理，并由 asp 過濾。只有當接收的信息的 識別碼與 asp 檢驗相符時，接收信息才最終被寫入 rxb 或 rxfifo 中。rxfifo 最多可以緩存 64 字節的數據，該數據可被 cpu 讀取。eml 負責傳送層中調制器的錯誤管制，它接收 bsp 的出錯報 告，促使 bsp 和 iml 進行錯誤統計14。 收 發 器 sja1000 can 總線 驗收濾波器單元完成接收信息的濾波，只有驗收濾波器通過且無差錯，才把接收的信息幀送入 接收 fifo 緩沖區，且置位接收緩沖區狀態標志 sr.0，表明接收緩沖區中己有成功接收的信息幀， 接收幀的數量可通過訪問接收信息計數器(rmc)得知。接收

55、fifo 共有 64 個字節，遠遠超過 8x200 的接收緩沖區，因而 sja1000 的超載能力也大大加強。 3.2.3 pca82c250 總線收發器 pca 82c250 是 philips 公司的 can 控制器和物理總線間的接口，可提供對總線的控制器和物理總線間的接口，可提供對總線的 差動發送和接收能力差動發送和接收能力。它與 iso11898 標準完全兼容，最高速率可達 imbps，采用斜率 控制可降低射頻干擾，并且其未上電節點不會千擾總線。在硬件電路中使用 82c250 是 為了增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線。 pca82c250 是 can 控制器和物理總線之

56、間的接口，它最初為汽車中的高速通信 （最高達 1mbps）應用設計12。該器件對總線提供差動發送能力，對 can 控制器提供 差動接收能力。 （1）82c250 的主要特性如下： 與 iso11898 標準完全兼容 高速（最高可達 1mbps） 具有抗汽車環境下的瞬間干擾，保護總線能力 采用斜率控制（slope control） ，降低射頻干擾（rfi-radio frequency interference） 熱保護 電源和地之間的短路保護 低電流待機模式 未上電節點對總線無影響 可連接 110 個節點 （2）pca82c250 的內部結構 pca82c250 的內部結構框圖如圖 3.3 所

57、示。 圖 3.3 82c250 功能框圖 （3）pca82c250 的功能 首先，82c250 驅動電路內部具有限流電路，可防止輸出級對電源、地或負載短路 13。雖然短路出現時功耗增加，但不致使輸出級損壞。其次，82c250 采用雙線差分驅 動，有助于抵制惡劣環境下的瞬變干擾。引腳可用于選擇三種不同的工作模式：高 s r 速、斜率控制和待機。在高速工作模式下，發送器輸出級晶體管盡可能快地啟動和關 閉。在這種模式下，不采取任何措施限制上升和下降斜率，此時，建議使用屏蔽電纜 以避免射頻干擾問題。通過將引腳 8 接地可選擇高速模式。對于較低速度或較短總線 長度，可用非屏蔽雙絞線或平行線作總線。為降低

58、射頻干擾，應限制上升和下降的斜 率，上升和下降的斜率可通過由引腳 8 至地連接的電阻進行控制，斜率正比于引腳 8 上的電流輸出。若引腳 8 接高電平，則電路進入低電平待機模式，在這種模式下，發 送器被關閉，接收器轉至低電流。若檢測到顯性位，rxd 將轉至低電平，微控制器應 通過引腳 8 將驅動器變為正常方式作為對此條件作出的反應。由于在待機模式下接收 器是慢速的，因此第一個報文將被丟失。 對于 can 控制器及帶有 can 總線接口的器件，82c250 并不是必須使用的器件， 因為多數 can 控制器均具有配置靈活的收發器件，并允許總線故障，只是驅動能力只 允許 2030 個節點連接在一條總線

59、上。而 82c250 支持多達 110 個節點，并能以 1mbps 的速率工作于惡劣電氣環境下。利用 82c250 還可方便地在 can 控制器與收發 器之間建立光電隔離。在實際應用中，can 總線大都用在如汽車和工業現場控制等的 環境中，環境對電路的影響很大，所以為減少這些干擾，在設計 can 總線的節點時， 通常在電路中使用高速光耦，如 6n137 等，使 sja1000 的 tx0 與 rx0 不直接與 82c250 的 txd 和 rxd 相連，而是通過高速光耦與 82c250 相連，這樣就能很好地實 現總線上各 can 節點間的電氣隔離。 3.2.4 溫度傳感器的選擇 溫度傳感器大致

60、可以分為模擬溫度傳感器和數字溫度傳感器兩類。 模擬溫度傳感器，其輸出的信號通常是電流、電壓等線性信號，要通過信號前端 調理電路和 ad 轉換電路來實現數字化，才能輸入到 pic 控制核心來運算。這類常用 的型號如：熱敏電阻、熱電偶、熱電阻、adi 公司出品的 ad590、美信公司出品的 max6613 等。模擬溫度傳感器根據輸出的信號還可以細分為電流型和電壓型。另外， 各個模擬溫度傳感器的精度、線性度、測量范圍、價格也要根據不同的應用來考慮。 其優點是常用、采購容易、價格低廉，配合不同類型的 adc，可實現不同檔次的精度 需求。缺點是電路復雜、易受外部干擾、通常要進行硬件或者軟件算法的補償措施