基于CAN总线和VB的环境参数监测系统设计
作者：姚有峰　张道连　李泽彬
来源：《物联网技术》2014年第01期
        摘 要：介绍了基于STC12C5A60S2单片机、SJA1000型CAN接口控制器以及PCA82C250串行收发器构成的总线通信网络。该网络中远端的CAN节点可监测现场环境，并实现数据收发和串行通信，上位PC机利用VB6.0设计的监测界面可实时显示现场CAN节点的环境参摘 要：介绍了基于STC12C5A60S2单片机、SJA1000型CAN接口控制器以及PCA82C250串行收发器构成的总线通信网络。该网络中远端的CAN节点可监测现场环境，并实现数据收发和串行通信，上位PC机利用VB6.0设计的监测界面可实时显示现场CAN节点的环境参数。文中重点分析了CAN总线节点和组网技术，给出了系统的硬件电路设计和软件处理流程。实验结果表明，该系统具有数据传输可靠、通信距离远以及实时显示功能，而且抗干扰能力强。
        关键词：单片机；CAN总线；VB6.0；环境参数
        中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）01-0019-04数。文中重点分析了CAN总线节点和组网技术，给出了系统的硬件电路设计和软件处理流程。实验结果表明，该系统具有数据传输可靠、通信距离远以及实时显示功能，而且抗干扰能力强。
        关键词：单片机；CAN总线；VB6.0；环境参数
        中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）01-0019-04
        0 引 言
        CAN（Controller Area Network）总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线，广泛应用于分布式测控系统[1]。环境参数监测系统研究的主要内容是设计一种可远程采集温度、湿度、照度等参数，由参数采集、CAN数据收发、串行通信和上位机等部分组成，参数采集由数字温度传感器、湿度传感器和光敏器件等组成[2]。CAN节点的数据收发使用独立的SJA1000总线控制器，配合CAN接口驱动芯片PCA82C250，实现CAN节点与PC机之间的数据传输[3]。
        1 系统总体设计
        以CAN总线为通信载体的环境监控系统设计方案中，系统上位机采用资源丰富的PC机，通过CAN主节点实现对远端CAN节点的管理。系统中的远端CAN节点具有现场数据采集、控制及CAN 总线通信功能，通过CAN 总线与监控现场和其他测控节点传送状态和各种参数，并接收上位机的命令和数据来调整和改变控制状态，CAN总线系统的组成结构如图1所示。
        2 监控节点的硬件设计
        2.1 CAN总线节点的组成
        从系统设计成本及抗干扰能力出发，CAN节点的控制芯片采用宏晶公司的1T单片机STC12C5A60S2，具有增强型8051内核，高速、抗干扰、低功耗和在线编程等优势，CAN节点组成如图2所示[4]。远端CAN节点完成数字温度采集、照度的模拟采集、湿度的频率捕捉以及CAN通信，主节点还具有与上位PC机通信的功能。
        2.2 CAN现场总线
        CAN总线遵从ISO/OSI模型，分为3层：物理层、数据链路层与应用层，每一层与另一设备上相同的那一层通信。实际的通信发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案[5]。CAN能够使用多种物理介质，其中最常用的是双绞线，信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5 V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也叫“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H为3.5 V 、CAN_L为1.5 V。
        2.3 基于SJA1000的CAN总线接口
        SJA1000是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器[6]。具有完成CAN通信协议所要求的全部特性，经过简单总线连接的SJA1000完成CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能，其软硬件设计和PCA82C200的基本CAN模式 （BasicCAN）兼容，同时新增加的增强CAN模式（PeliCAN）支持CAN2.0B协议。SJA1000主要功能由接口管理逻辑、发送缓冲器、接收缓冲器、接收滤波器、位流处理器、位定时逻辑、错误管理逻辑等控制模块组成。
        本设计是基于SJA1000的CAN总线接口模块，采用STC12C5A60S2单片机作为处理核心，PCA82C250作为CAN总线驱动器，整个模块具有较好的通用性及可扩展性，电路如图3所示。单片机现场采集的数据通过总线控制器SJA1000送给驱动器PCA82C250驱动CAN总线实现数据通信。
        3 环境参数采集电路设计
        环境参数采集部分需要完成温度、湿度和照度等信号采集，由于传感器类型和成本不同，温度采用数字式单总线传感器DS18B20，对于湿度和照度的采集分别采用模拟的HS1101和2DU10传感器，通过A/D转换为数字信号。
        3.1 温度采集
        DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的单总线器件组成测温系统，具有线路简单、使用方便的特点。由于DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输。而对单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，必须采用软件的方法模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问，通过严格的通信协议保证各位数据传
输的正确性和完整性。而每一次命令和数据的传输都是从主机启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机启动读时序完成数据接收，数据和命令的传输都是低位在先，接口电路如图4（a）所示。
        3.2 湿度采集
        湿度采集使用HS1101传感器，属于电容式湿度传感器，专利的固态聚合物结构，其工作机理是当电极间的感湿材料吸附环境中的水分时，介电常数随之变化，等效电容C与环境中水蒸汽的关系表示为：
        其中ε0是真空介电常数、εμ是感湿材料的介电常数、S是电容式传感器有效面积、d为感湿膜厚度。在环境湿度检测中，利用HS1101湿度传感器的等效电容与湿度的关系组成振荡器，将湿度与电容的关系转化为湿度与频率的关系，图4（b）所示是由HS1101组成典型的555非稳态多谐振荡器电路，HS1101作为电容变量接在555的TR与TH两引脚上，电阻R1、R2确定后，电路的振荡频率主要由HS1101的等效电容即湿度大小决定，通过频率的测量即达到检测湿度的目的。
        3.3 照度采集
        照度采集使用2DU10硅光电池传感器，其应用范围0.4～1.1 μm，峰值波长在0.85 μm附近，适合在很宽的范围内使用。2DU10的光照特性决定了其短路电流I与光强J（λ）成线性关系，短路电流I满足如下关系：
        其中σ（λ）为人射光的单能流密度，η为等效转换率，在有效范围内可认为η不变。2DU10硅光电池传感器将环境光强对应的短路电流经I/U转换得到电压信号uo如下：
        输出电压uo经运算放大器LM358_2A放大后送入A/D转换电路得到数字与照度的关系，其电路工作原理如图4（c）所示。
        （a）温度采集 （b）湿度温度
        （c）照度温度
        4 系统软件设计
        4.1 SJA1000应用程序设计
        CAN总线建立通信的过程包括系统上电和正常运行两个阶段。在系统上电阶段，首先要
对STC12C5A60S2进行初始化设置，其次需要根据模式的选择对SJA1000的接收滤波、位定时逻辑等参数进行设置；在正常运行阶段，要准备待发送的报文，同时完成报文的接收并对发生的错误进行处理[7]。
        可见，SJA1000的应用程序被分为SJA1000初始化程序、报文发送程序和报文接收程序。
        4.1.1 SJA1000初始化程序
        单片机STC12C5A60S2在上电后首先运行其自身的复位程序，并在此后调用SJA1000的配置程序。配置程序在设置SJA1000的寄存器前，必须通过读复位模式/请求标志来检查SJA1000是否已处于复位模式，因为要写入配置信息的寄存器仅在复位模式下进行。在复位模式下，单片机STC12C5A60S2需要配置SJA1000的控制段寄存器、模式寄存器、时钟分频寄存器、验收码寄存器和验收屏蔽寄存器、总线定时寄存器以及输出控制寄存器。根据分析，SJA1000的初始化程序如下：
        //****SJA1000初始化************************
        SJAEntryResetMode（）；
        // sja1000进入复位模式
        REG_CAN_CDR = 0x88；
        // 时钟分频；CDR.3=1时时钟关闭；
        CDR.7=0时basic CAN；CDR.7=1时Peli CAN
        SJASetBandRateStandard（ByteRate_100k）；
        //16M晶振，波特率设置
        REG_CAN_IER = 0x01；
        //.1=0--关闭发送中断使能
        REG_CAN_OCR = 0xaa；
        // 配置输出控制寄存器
        REG_CAN_CMR = 0x04； //命令寄存器；释放接收缓冲器
        SJASetAccCode（0x33，0x44，0x55，0x55）；
        //滤波
        SJASetAccMask（0xff，0xff，0xff，0xff）；
        //屏蔽码设置
        SJAQuitResetMode（）；
        //退出复位模式
        4.1.2 SJA1000报文发送程序
        采用SJA1000的中断请求控制报文的发送时，必须开放SJA1000的发送中断使能和单片机STC12C5A56S2的外部中断0，并设定SJA1000发送中断的优先级高于启动发送。报文的发送过程分为两个部分，一部分由STC12C5A56S2的主程序完成，另外一部分由SJA1000的发送中断服务程序完成，这两部分程序的流程图如图5（a）、（b）所示。
        4.1.3 SJA1000报文接收程序
        根据CAN协议规范，报文的接收由CAN控制器SJA1000独立完成，收到的报文放在接收缓冲器内，同时将状态寄存器的接收缓冲器状态标志RBS和接收中断标志RI置位。如果报文接收被使能，单片机将接收缓冲器内的新报文读出，并存储到单片机的内存单元或外部数据存储器中，然后释放接收缓冲器。本设计采用中断请求SJA1000的控制段状态标志来控制，通过SJA1000中断控制报文接收的程序流程图如4.2 PC机监视界面设计
osi模型数据链路层的主要功能是

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