CAN（Controller Area Network）總線又稱為控制局域網(wǎng)，是一種多主方式串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。由于CAN總線具有造價低、通信速度快、可靠性高、實時性強等突出優(yōu)點，在汽車行業(yè)、機械工業(yè)、家用電器及傳感器等領域應用廣泛。

溫室控制技術是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內容，在目前的溫室系統(tǒng)中主要是靠RS-485總線來組成控制網(wǎng)絡，將采集到的數(shù)據(jù)和信息傳送到主控機中。其通信速率、節(jié)點連接數(shù)目都受到一定的限制。

本文提出了以CAN總線構成現(xiàn)場控制網(wǎng)絡。CAN總線的通信速率最高可達1 Mbps／40 m，掛接的設備可達110個。另外信號的傳輸采用短幀結構，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。并且一旦網(wǎng)絡中某個節(jié)點故障時，該節(jié)點具有自動關閉輸出功能，以主動切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使網(wǎng)絡上其他節(jié)點及通信不受影響，具有較強的抗干擾能力，降低了惡劣環(huán)境對于溫室系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴充性。

1、 系統(tǒng)總體設計

溫室測控系統(tǒng)采用分布式多主方式進行通信。系統(tǒng)主要由主控上位機、CAN總線和多個智能測控模塊組成（注意：各個智能測控模塊之間存在強烈的相互關系）。通過對溫室內外，特別是溫室內部各種影響作物生長的要素用相應智能傳感器進行測量，然后通過CAN總線傳送給主控上位機，上位機進行數(shù)據(jù)打印、分析和處理、參數(shù)設置并且控制有關設備等工作，從而實現(xiàn)對溫室要素的調控，保證了作物生長所需的環(huán)境。系統(tǒng)上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其他節(jié)點發(fā)出信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1是溫室測控系統(tǒng)總體設計圖。

2、 硬件平臺設計

溫室測控系統(tǒng)的硬件平臺主要由多個CAN智能節(jié)點構成，如圖2所示。本系統(tǒng)節(jié)點采用總線型拓撲結構，兩芯電纜（CANH和CANL）雙絞線連接。主要由微控制器MC68S08QG8，CAN通信控制器MCP2515和CAN收發(fā)器TJA1050組成。本文中微控制器MC68S08QQ8與控制器MCP2515是通過SPI口連接，測控節(jié)點通過微控制器MC68S08QG8的IIC口來連接的。智能節(jié)點的個數(shù)是由溫室內外所測控的環(huán)境要素來決定的，但是任意智能節(jié)點均可以像以太網(wǎng)節(jié)點那樣直接掛接在CAN總線網(wǎng)絡上，即在不犧牲可靠性的前提下進一步擴展現(xiàn)場測控節(jié)點的數(shù)量。

2．1 芯片介紹

選擇一款合適的MCU是系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保障。綜合功耗、性能和價格等各種因素的考慮，本系統(tǒng)采用Freescale公司的MC68S08QG8（以下簡稱為QG8）作為系統(tǒng)控制信號采集的芯片。MC68S08QG8單片機采用高性能、低功耗HCS08飛思卡爾8位微控制器為內核，是一款集成度高、結構緊湊、功能豐富、適用于各種場合的低價位單片機。MC68S08QG8除了提供Freescale豐富的外圍接口與HCS08內核卓越性能的多功能組合外，還包括更長的電池壽命（即使工作電壓低至1．8 V，也能發(fā)揮最大效能）、業(yè)界領先的Flash技術、3個通信接口（SCI、SPI和IIC）以及創(chuàng)新的開發(fā)支持等其他系列單片機不可比擬的優(yōu)勢。

智能節(jié)點中CAN控制器完成了CAN協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的所有功能，保證通信質量。本系統(tǒng)選用了一種獨立的CAN協(xié)議控制器——Microchip公司的MCP2515。MCP2515完全支持CAN V2．0B技術規(guī)范，MCP2515還包含3個發(fā)送緩沖器和2個接受緩沖器，減少了單片機的管理負擔。與傳統(tǒng)上使用的CAN控制器SJA1000相比較，它與MCU的連接是通過行業(yè)標準串行外設接口（SPI）來實現(xiàn)的，這樣可以減少芯片使用的引腳，簡化CAN總線的電路的連接，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

CAN總線收發(fā)器提供CAN控制器與物理總線之間的接口，是影響CAN總線網(wǎng)絡安全性、可靠性和電磁兼容性的主要因素。本系統(tǒng)采用Phlips公司的TJA1050作為總線收發(fā)器。TJA1050有兩種工作模式：高速和待機，其中待機模式可以防止由于CAN控制器失控而造成的網(wǎng)絡阻塞。并且在TJA1050中還設計了一個超時定時器，用以對TXD的低電壓（此時CAN總線上為顯性位）進行監(jiān)視。該功能可以避免由于系統(tǒng)硬件或者軟件故障而造成TXD端長時問為低電位時總線上所有其他節(jié)點也將無法通信的情況出現(xiàn)。這也是FJA1050與82C250相比較之后最大的改進地方。

2．2 智能節(jié)點硬件電路

智能節(jié)點最小系統(tǒng)硬件電路如圖3所示，主要的連接有以下3個方面：

1）QG8的SPI接口使用4條信號線：主機輸出低有效片選信號線 、主機輸出線SPSCK、主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI以及主機輸入／從機輸出數(shù)據(jù)線MISO，分別于MCP2515的、SCK、SI、SO引腳連接。QG8的與MCP2515的中斷引腳相連，可以通過中斷來提高系統(tǒng)實時性。

2）MCP2515的3個發(fā)送緩沖器TXBn請求發(fā)送引腳（4、5、6引腳）接到+5 V終端，兩個接收緩沖器RXBn中斷引腳（10、11引腳）空置。由于該測控系統(tǒng)對于環(huán)境的要求比較高，MCP2515的TxCAN和RxCAN并不是直接與SJA1050的TXD和RXD相連，而是通過6N137（高速光耦）后于SJA1050相連，這樣很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點的電氣隔離，進一步提高了該系統(tǒng)的抗干擾能力。不過需要特別注意的是，光耦部分電路的兩個VCC、VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率電掾隔離模塊或帶多5 V隔離輸出地開關電源模塊實現(xiàn)。雖然這部分增加了接口電路的復雜性，但是卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性，從而也提高了測控系統(tǒng)的性能。

3）TJA1050的第8個引腳VREF是參考電壓，輸出可以空置。第5個引腳決定芯片的工作模式（高速和待機兩種模式），圖中和地之間接47 kΩ的電阻進入高速模式（也是正常工作時的模式）。本系統(tǒng)在CANH和CANL總線輸入端與地之間分別接了一個SA28A（瞬態(tài)抑制二極管），當兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，通過SA28A的放電可起到一定的保護作用。在CANH和CANL之間還接了一個120 Ω的終端電阻，可以在阻抗不連續(xù)時消除通信線路中產(chǎn)生的信號發(fā)射。

3、 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件程序設計是在Freescale公司的集成開發(fā)環(huán)境——Freescale Codewarrior 5．1下完成的。該系統(tǒng)的軟件由CAN控制器軟件和應用層通信協(xié)議構成。

3．1 CAN總線驅動層軟件實現(xiàn)

CAN控制器軟件主要包括器件初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。初始化工作主要是對QG8微處理器、SPI接口和MCP2515CAN控制器的初始化。其中微處理器初始化主要包括定時器、變量和外部中斷的初始化。需要特別注意的是飛思卡爾單片機的定時器與其他單片機（如51系列單片機）不太一樣，QG8微處理器的定時器是不能預置某個數(shù)值的，而且是只讀的，因此必須要有輔助寄存器才能實現(xiàn)該定時器的功能，本文采用的是QG8微處理器的16位的定時器模塊TPM：SPI接口的初始化主要包括對控制寄存器SPIC1和SPIC2、波特率寄存器SPIBR、狀態(tài)寄存器SPIS、數(shù)據(jù)寄存器SPID的設置。MCP2515的初始化為復位MCP2515、寄存器配置。只有對MCP2515初始化后，進入了配置模式才能對相關的寄存器進行初始化，初始化工作完成后進入工作模式，進行報文發(fā)送。為了能使節(jié)點穩(wěn)定的通信，CAN總線上所有的節(jié)點都必須有相同的波特率。對于振蕩器時鐘頻率不同的器件，可以通過對波特率預分頻比和每一個時間段中時間份額數(shù)量的設置來調整比特率。

QG8是通過使用標準SPI讀／寫命令對寄存器進行讀／寫操作。外部數(shù)據(jù)和命令式通過SI引腳在SCK時鐘信號上升沿傳送到器件中。MCP25 15在SCK下降沿通過SO引腳發(fā)送數(shù)據(jù)。本文采用狀態(tài)查詢方式發(fā)送報文。首先應該禁止CAN發(fā)送中斷產(chǎn)生，以保證報文發(fā)送不被中斷。為了啟動報文發(fā)送，必須將相應緩沖器的TxBnCTRL TxREQ位置1，文中是通過調用RTS2515（）請求發(fā)送來實現(xiàn)的。緩沖器中TxBnCTRL TxP《1：0》優(yōu)先級最高的報文在總線空閑時首先被發(fā)送。如果發(fā)送成功將產(chǎn)生中斷來通知接收，否則TxBnC TRL TxRR和CANINIF．MERRF將被置位，產(chǎn)生發(fā)送錯誤狀態(tài)，同時INT引腳置位，產(chǎn)生中斷請求。具體報文發(fā)送流程如圖4所示。

為了提高系統(tǒng)的實時性，報文接收模塊采用中斷接受方式。該模塊包括主程序和接受中斷服務程序兩部分組成，主程序必須在中斷控制報文接受之前使能CAN的接受中斷和微控制器QG8的全局中斷。當報文發(fā)送完之后會產(chǎn)生一個中斷通知來接收報文。首先應該看一下中斷標志類型，如果是報文成功發(fā)送產(chǎn)生的中斷，將報文讀入濾波器中，否則產(chǎn)生報文出錯標志，CANINTF．MERRF位被置1．將接收到報文的標示符字段與濾波寄存器中的值進行比較，如果兩者匹配，將該報文載入相應的接受緩沖器，否則產(chǎn)生一個無效報文。如果緩沖器慢將會產(chǎn)生溢出錯誤，EFLG．RXOOVER位置1．報文接受成功且處理完畢后，MCU將清除中斷標志，返回主程序以接受下一條報文。具體的流程圖如圖5所示。另外整個報文接受過程都可以在接受中斷服務程序中完成，不需要與主程序發(fā)生交互作用。

3．2 CAN總線應用層軟件實現(xiàn)

目前國內還沒有CAN通訊的應用層協(xié)議標準，而國外現(xiàn)有流行的CANopen、DeviceNet和CANkingdom等應用層協(xié)議對于本系統(tǒng)的要求來說實現(xiàn)復雜會造成資源浪費。本文定義了一個簡單的通信協(xié)議來完成系統(tǒng)所需求的功能。

該協(xié)議中采用29位（ID．28-ID．0）標識符的擴展幀格式，這些位的發(fā)送順序是從ID．28到ID．0，最高7位ID．28～ID．22不能全是隱性1。每一個標識符對應一條信息，只有與自己標識符相同的信息才被接收端接收。標識符ID號的大小還決定了發(fā)送的優(yōu)先級和等待時間，標識符越小的報文幀優(yōu)先被發(fā)送。本協(xié)議中ID號位28～24的五位表示信息采集節(jié)點，包括各種傳感器模塊，ID號為23～18的四位表示顯示節(jié)點，包括各種數(shù)據(jù)的顯示和報警節(jié)點。ID號為19～14的六位為執(zhí)行控制節(jié)點，包括CO2發(fā)生器、循環(huán)風扇等控制設備節(jié)點。ID15～13為信息類別，包塊各種命令信息和狀態(tài)信息等信息節(jié)點。ID12～ID0為預留。

4、 系統(tǒng)測試

為了測試本設計的性能，在實驗室里進行了CAN總線節(jié)點之間的溫度測試，如圖6所示。在18點和19點（橫坐標表示時間）之間進行了溫度的測試，在18點鐘到18點30分之間A和B節(jié)點一直顯示實驗室的室內溫度（15～17℃之間），過半個小時后將B節(jié)點放入22℃的溫水中，然后取出。從圖中可以看到紅色曲線（A節(jié)點溫度曲線）一直是恒溫狀態(tài)（15～17℃之間），而白色曲線（B節(jié)點溫度曲線）在18點30分鐘溫度升到22℃，隨著溫度傳感器被取出，溫度也在下降到15～17℃之間。

5、 結束語

本文根據(jù)目前溫室系統(tǒng)存在的問題，提出了用CAN總線構成溫室測控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡，并根據(jù)系統(tǒng)需要設計了簡單的應用層通信協(xié)議和進行了CAN節(jié)點之間溫度測試。測試結果表明：本設計傳輸網(wǎng)絡結構簡單、可靠性高。另外該測控模塊也可以運用在鍋爐控制、樓宇控制等各種工業(yè)現(xiàn)場測控系統(tǒng)中，實用性強、應用范圍廣。

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