基于CAN总线的温湿度监控系统设计

基于ＣＡＮ总线的温湿度监控系统设计

作者：李 琼

来源：《电脑知识与技术·学术交流》2008年第08期

摘要：本文介绍了一种基于CAN总线的温湿度监控系统的设计与实现。系统利用CAN总线构成了多节点监控网络，实现了对仓库多点温湿度的监控。本文介绍了监控系统的整体结构，并重点阐述了现场子节点的硬件以及软件设计。实践证明，该系统具有良好的扩展性、可靠性以及广泛的利用价值。

关键词：CAN；温湿度；分布式系统；数据采集

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)08-10ppp-0c 1 引言

CAN全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN可提供高达1Mbit/s 的数据传输速率，并提供了硬件的错误检定特性，增强了CAN的抗电磁干扰能力。

利用CAN总线的优点，本文介绍了一种基于CAN总线设计的用于仓库等场合的现场温湿度监控系统。该系统采用CAN总线构成了多点监控网络，实现了多现场节点的数据采集、传输、存储及分析功能，具有良好的可靠性、可扩展性以及广泛的应用价值。

2 系统整体结构

图1是温湿度监控系统的整体结构。整个系统由主控节点、子节点组成，构成了一个总线型结构网络。

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图1 系统的整体结构

主控节点是整个系统的核心，其一方面实现了CAN协议与RS-232协议的转换，与上位机之间进行数据通讯，将监控数据上传至上位机；另一方面，主控节点通过CAN总线，向各个子节点发送控制命令，轮询各节点状态，并读取各子节点监控数据。

子节点是分布于监测点现场各个位置的节点，主要实现了对监测点的温度、湿度等环境变量进行采集，并将根据主控节点的命令，将节点状态、传感器信息等数据通过CAN网络发送给主控节点。

3系统子节点设计

3.1 系统子节点整体结构

子节点主要功能是实现对现场监测点温度、湿度等环境参数进行采集，并响应主控节点命令，通过CAN总线向主控节点发送检测点信息。因此，一个完整的子节点需要包含传感器调理电路、A/D转换器电路以及通讯电路等，子节点的结构如图2所示：

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图2 子节点的结构图

子节点单片机采用C51，温度与湿度传感器信号经过调理电路后，进入多路选择开关，单片机通过控制多路开关实现通道选择，并通过A/D转换器得到相应通道的数据；SJA1000和PCA80C250构成了CAN总线通讯部分，与CAN总线相连。 3.1.1 CAN总线通讯设计

子节点CAN总线通讯部分包含了SJA1000CAN总线控制器以及PCA80C250总线收发器。SJA1000是一款的CAN 总线控制器，实现CAN总线协议的转换，而PCA80C250则实现了总线电平的变换；图3所示的是子节点CAN总线部分的硬件原理图。

图3 CAN总线电路原理

图中，SJA1000与单片机总线相连，当其发送成功或接收到总线数据后，将向单片机发出中断；为了提高系统稳定性，系统中利用6N137高速光耦将系统信号与总线信号隔离；05S05S为DC-DC转换器，用于电源隔离；隔离信号通过PCA80C250与CAN网络相连；R3,R4用于总线限流。

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3.1.2 传感器电路设计

子节点需要对监测点的温度及湿度进行采集。其中温度传感器采用的是PT100。图4所示的是子节点PT100的信号调理电路的原理图，可以同时对16路温度信号进行采集。

图4 PT100信号调理电路

图4中U1,U2为CD4067为16选1的多路开关，其通道选择为同一组信号；LM334为精密恒流源，通过图中R26~R29产生1mA电流；当单片机发出选通某路的信号时，将同时选通U1,U2的相应通道，此时，LM334产生的1mA电流将通过U1流至U2的相应通道上，并流经PT100产生电压信号，进入U2的输入端；电压信号由U2公共输出端输出，该信号与PT100的阻值为线性关系；LM358可以对U2输出的电压信号进行放大，通过电阻R33可以调整放大倍数，以适应不同场合采集的要求。 图5所示的是湿度传感器变送电路：

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图5 湿度传感器变送电路

图中RH为湿度传感器，U1A构成韦恩振荡电路，产生正弦波。U1B则是对振荡信号的振幅调整，使得输出的交流信号为250Hz，0.5Vrms的正弦波；U2A则对信号进行放大、整流、滤波，并送入A/D转换器。 3.1.3 A/D转换器电路设计

系统中A/D转换器采用的是TLC23,电路原理如图6所示：

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图6 A/D转换器电路

TLC23为11通道串行12位A/D，与单片机相连只需要4根线，电路比较简单。图中利用TL431构成5V精密参考电压，供A/D转换器使用。通道使用A0，A1分别作为温度输入和湿度输入通道。

4 系统软件设计

4.1 主控节点软件设计：

通过分析系统功能，可知主控节点的主要工作为：1.接收上位机的命令，并将命令发送给相应节点；2.定时向子节点发送查询命令，查询子节点工作状态；3.定时向子节点发送传输命令，读取子节点采集数据；4.将子节点采集数据通过串口发送给上位机。 因此，在主控节点软件设计中采用了事件驱动的方式；其主要流程如下：

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图7 主控节点流程

主控节点在完成系统初始化和网络的初始化后，主程序将轮询各种事件标志；各种事件标志由单片机的各种中断服务程序设置；中断服务程序中只对相应的事件标志进行设置，并不对事件处理，如串行通讯中断、CAN总线通讯中断，定时器中断等；主程序查询到事件标志首先确定事件功能，并调用相应的处理程序处理。 4.2 系统子节点软件设计

相对于主控节点，系统子节点的工作要简单的多。系统中子节点在上电复位后主要工作为：(1)对系统进行初始化；(2)向主控节点发送初始状态；(4)查询主控节点命令；(5)根据命令将监测点的相关数据通过CAN总线发送给主控节点。(6)轮询各通道数据采集，并保存。子节点的主要流程软件如图8所示：

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图8 子节点流程图

图中系统初始化包括了：节点自检，CAN通讯初始化、传感器初始化、A/D初始化、各种系统标志初始化以及看门狗初始化等。

子节点完成系统初始化后，向主控节点发送初始状态数据，以通知主控节点加入网络；完成各种初始处理后，子节点进入轮询时间标志的循环中，如有需要将相应数据发送给主控节点。 4 结束语

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本文中所述的基于CAN总线的温湿度监控系统经过调试，已经在粮库、药品仓库以及多种工业场合仓库中得到使用。由于CAN总线具有极强的抗干扰能力，系统在使用现场数据通讯非常可靠，并且通过往网络中加入CAN中继器可以进一步提高通讯质量和距离，时间证明，该系统具有很高的实用价值和发展前景。

参考文献：

[1]邬宽明.CAN总线原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.80-153. [2]邓立康,等.基于CAN总线的多点通讯系统[J].东北农业大学学报,2006,37(6):847-849. [3]包秀荣,等.基于CAN总线的液位数据采集传输系统设计[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2006,37(6):679-684.