摘要 闡述了一種基于CAN總線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的方法，重點(diǎn)介紹了通信與溫濕度檢測(cè)部分的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以PIC18F25K80單片機(jī)為主控器，選用集成溫度傳感器與濕度傳感器。高集成度的元器件使得項(xiàng)目開發(fā)周期大大縮短，經(jīng)試運(yùn)行證實(shí)，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、通信距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞 CAN總線；PIC18225K80；溫濕度檢測(cè)

    許多行業(yè)如紡織、卷煙、化工、食品加工等對(duì)生產(chǎn)車間的溫濕度都有一定的要求，其中有些企業(yè)往往需要一種能夠獨(dú)立于空調(diào)控制系統(tǒng)的車間溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。這種車間溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)作為空調(diào)控制的一種冗余設(shè)計(jì)或者說輔助手段，成本往往相對(duì)較低。
    溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)作為一種應(yīng)用廣泛的非標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)系統(tǒng)，不同的設(shè)計(jì)者、不同的應(yīng)用需求，使得目前此類檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)出種類各異、五花八門的現(xiàn)象。文獻(xiàn)介紹了一種應(yīng)用于蔬菜大棚的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以P87LPC76x單片機(jī)作為主控器，能利用PID算法，通過控制執(zhí)行器加熱、加濕起到調(diào)節(jié)蔬菜大棚溫濕度的目的，該系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于吉林松原農(nóng)村蔬菜大棚，運(yùn)行良好。文獻(xiàn)介紹了一種能應(yīng)用于多種工業(yè)場(chǎng)合的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)基于AT89C52單片機(jī)開發(fā)，能將傳感器采集到的溫濕度信號(hào)通過RS485網(wǎng)絡(luò)傳送至上位計(jì)算機(jī)，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，具有良好的性價(jià)比。文獻(xiàn)介紹了一種應(yīng)用于檢測(cè)安裝有中央空調(diào)的建筑物的內(nèi)部環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)，該檢澍裝置獨(dú)立于中央空調(diào)而工作，為評(píng)價(jià)中央空調(diào)運(yùn)行質(zhì)量、調(diào)試空調(diào)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)基于16位單片機(jī)MSP430F開發(fā)，與PC機(jī)實(shí)時(shí)通信，能通過PC機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)采集器參數(shù)，并控制數(shù)據(jù)采集器工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)了兩種模塊電路：(1)檢測(cè)模塊。每一塊檢測(cè)模塊將被安裝于車間不同的地點(diǎn)，用于檢測(cè)車間內(nèi)不同位置的溫濕度，系統(tǒng)最多支持64個(gè)檢測(cè)模塊同時(shí)工作。(2)通信模塊。監(jiān)視計(jì)算機(jī)與各檢測(cè)模塊之間的通信“橋梁”，一個(gè)通信模塊含有4路通信通道，每1路通信通道可連接至1個(gè)計(jì)算機(jī)COM口，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)模塊的分組輪詢。
    檢測(cè)模塊與通信模塊之間通過CAN總線通信。CAN(Controller Area Network)總線于1986年由德國(guó)BOSCH公司提出，是一種多主方式的串行通訊總線，最早用于汽車電路中，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展日趨完善，目前被廣泛應(yīng)用于汽車、石油、化工、制造業(yè)等許多領(lǐng)域，被譽(yù)為“最有前途的總線技術(shù)之一”。選擇CAN總線，是因?yàn)镃AN總線相比傳統(tǒng)的RS485總線優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：(1)傳統(tǒng)的RS485總線僅有電氣協(xié)議，而CAN總線則具有完善的通信協(xié)議，易于開發(fā)。(2)傳統(tǒng)的RS485總線通信距離不超過1．5 km，而CAN總線的通信距離在5 kbit·s-1速率時(shí)最遠(yuǎn)可達(dá)10 km。(3)傳統(tǒng)的RS485總線當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路從而損壞某些節(jié)點(diǎn)，而CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，不會(huì)影響到整個(gè)CAN總線。
    在本系統(tǒng)中，通信模塊與COM口的串行通信速率成為整個(gè)系統(tǒng)的通信瓶頸，但仍然考慮使用計(jì)算機(jī)COM口采集數(shù)據(jù)而非專業(yè)接口卡，主要是出于對(duì)成本的考慮。為緩解系統(tǒng)瓶頸的考慮，計(jì)算機(jī)安裝了PCI轉(zhuǎn)RS-232串口擴(kuò)展卡(SYBA 9865-4S)，將計(jì)算機(jī)串口擴(kuò)充為4個(gè)，同時(shí)通信模塊設(shè)計(jì)了4個(gè)通信通道，平均每個(gè)通信通道能與最多16個(gè)檢測(cè)模塊進(jìn)行分組通信，以加快數(shù)據(jù)更新速率。

    由于通信模塊與計(jì)算機(jī)COM口采用RS232通信方式，理論上RS232通信距離為15 m，因此通信模塊與計(jì)算機(jī)之間必須保持在15 m以下，實(shí)際安裝1．5 m以內(nèi)，通信速率可保證在38．4 kbit·s-1下穩(wěn)定通信。

2 上位機(jī)監(jiān)視計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)
    計(jì)算機(jī)監(jiān)視程序采用C#2010開發(fā)控制臺(tái)程序，Access2010開發(fā)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。程序主要具有如下功能：(1)管理員與技術(shù)員二級(jí)用戶權(quán)限。(2)溫濕度警報(bào)上下限設(shè)定。(3)溫濕度歷史數(shù)據(jù)記錄。(4)溫濕度報(bào)表打印。
    這里主要介紹監(jiān)視程序通信部分的程序設(shè)計(jì)思路：
    (1)監(jiān)視程序可打開4個(gè)計(jì)算機(jī)COM口，根據(jù)設(shè)定的每個(gè)COM口輪詢的檢測(cè)模塊編號(hào)范匿向連接的COM口發(fā)送數(shù)據(jù)串并激活通信模塊輪詢各個(gè)檢測(cè)模塊，發(fā)送的數(shù)據(jù)串長(zhǎng)度為5 Byte，如圖2所示，格式為：第1 Byte為“讀數(shù)據(jù)”命令字段，第2 Byte為與連接到COM口的通信通道所連接的第1個(gè)檢測(cè)模塊的站號(hào)，第3 Byte為與該通道所連接的最后1個(gè)檢測(cè)模塊的站號(hào)，第4個(gè)和第5 Byte為CRC校驗(yàn)碼。

    (2)通信模塊的每個(gè)通道主控器輪詢一遍所有與之相連接的檢測(cè)模塊之后，便主動(dòng)向計(jì)算機(jī)返回一次數(shù)據(jù)，刷新監(jiān)視程序顯示的溫濕度數(shù)據(jù)，某通信通道返回的數(shù)據(jù)串長(zhǎng)度由連接到該通信通道的檢測(cè)模塊數(shù)目而決定，當(dāng)檢測(cè)模塊數(shù)目為n時(shí)，如圖3所示，格式為：第1 Byte為“讀數(shù)據(jù)”命令字段，監(jiān)視計(jì)算機(jī)通過第1 Byte可辨識(shí)此數(shù)據(jù)串為下位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)，第2個(gè)到第3n+1 Byte為與該通信通道連接的所有檢測(cè)模塊返回的溫濕度數(shù)據(jù)，連續(xù)3 Byte為一組，記錄了單個(gè)檢測(cè)模塊的返回?cái)?shù)據(jù)，第3n+2個(gè)和第3n+3 Byte為CRC校驗(yàn)碼。

3 通信模塊的設(shè)計(jì)
3．1 通信模塊的硬件設(shè)計(jì)
    通信模塊具有4路通信通道，可分別連接4個(gè)計(jì)算機(jī)COM口，各通信通道相互獨(dú)立，大體分為主控器(4個(gè))、RS232／TTL電平轉(zhuǎn)換電路(2個(gè))、CAN驅(qū)動(dòng)器(4個(gè))3部分組成，統(tǒng)一供+5 V電壓：
    (1)主控器選擇Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F25K80單片機(jī)，該單片機(jī)資源豐富，具有32 kB的程序存儲(chǔ)器、3 648 Byte的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、1 024 Byte的數(shù)據(jù)EEPROM，并集成一個(gè)CAN控制器。將二路撥碼開關(guān)連接至單片機(jī)I／O口，用于設(shè)置通信模塊在CAN總線上的站號(hào)，設(shè)定站號(hào)范圍為00～11。
    (2)通信模塊通過電平轉(zhuǎn)換電路AX232芯片與計(jì)算機(jī)COM口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由于1個(gè)MAX232支持兩組串口數(shù)據(jù)獨(dú)立收發(fā)，因此可供2路通信通道同時(shí)使用。
    (3)主控器PIC18F25K80自身集成一個(gè)CAN控制器，因此無需額外增加CAN控制器，僅需連接一個(gè)CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250即可與CAN總線進(jìn)行通信。
    PIC18F25K80自身集成的CAN控制器廣泛支持CAN1．2、CAN 2.0A、CAN 2.0B Passive和CAN 2.0B Active多個(gè)版本的協(xié)議，支持DeviceNet數(shù)據(jù)字節(jié)過濾，支持標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)，通信速率最高可達(dá)1 Mbit·s-1。

    PCA82C250作為目前應(yīng)用最廣泛的CAN驅(qū)動(dòng)器，其最大通信速率可達(dá)1 Mbit·s-1，最多可支持110個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有多重保護(hù)功能，安全可靠。PIC18F25K80的CAN收發(fā)引腳CANRX、CANTX與PCA82C250通過2只光耦6N137連接，PCA82C250直接接入CAN總線。
3．2 通信模塊的軟件設(shè)計(jì)
    通信模塊在收到來自上位機(jī)的命令后，開始輪詢與之相連接的檢測(cè)模塊。通信模塊向與之相連的第一個(gè)檢測(cè)模塊發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，待被詢檢測(cè)模塊返回?cái)?shù)據(jù)后再向下一個(gè)檢測(cè)模塊發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，依此類推。如果被詢檢測(cè)模塊在1 000ms內(nèi)沒有返回?cái)?shù)據(jù)，則重新發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，重復(fù)3次后如果被詢檢測(cè)模塊依然沒有返回?cái)?shù)據(jù)，則檢測(cè)模塊便茸動(dòng)將讀數(shù)據(jù)緩沖數(shù)組內(nèi)相應(yīng)單元全部置FF，并將相應(yīng)標(biāo)志位置1，在下次輪詢時(shí)，自動(dòng)跳過此檢測(cè)模塊，待檢修人員排除故障后，再通過監(jiān)視計(jì)算機(jī)手動(dòng)發(fā)出清除標(biāo)志位命令或者將通信模塊斷電復(fù)位，即可恢復(fù)通信模塊與所有檢測(cè)模塊的通信。最后所有檢測(cè)模塊讀取完畢，通信模塊自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳至上位監(jiān)視計(jì)算機(jī)。程序流程圖如圖5所示。

    通信模塊向檢測(cè)模塊發(fā)出的讀數(shù)據(jù)命令由2 Byte組成：第1 Byte是模塊通道的CAN站號(hào)，第2 Byte是被詢檢測(cè)模塊的CAN站號(hào)。由于檢測(cè)模塊向被詢模塊發(fā)出的命令僅有讀數(shù)據(jù)命令一條，因此無需添加命令代碼字節(jié)。

    在CAN 2．0B規(guī)范中，數(shù)據(jù)幀有兩種幀格式：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)格式和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)格式，兩者的區(qū)別在于前者具有11位標(biāo)識(shí)符而后者具有29位標(biāo)識(shí)符，如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)幀格式仲裁段標(biāo)識(shí)符僅有11位，而擴(kuò)展幀格式仲裁段標(biāo)識(shí)符比標(biāo)準(zhǔn)幀格式仲裁段標(biāo)識(shí)符多出18個(gè)標(biāo)識(shí)符，即29個(gè)標(biāo)識(shí)符。CAN控箭器會(huì)根據(jù)用戶對(duì)寄存器的設(shè)定值按幀格式自動(dòng)生成輸出脈沖序列。對(duì)于開發(fā)人員而言，前者僅需要配置2 Byte的TX識(shí)別碼，而后者需要配置4 Byte的TX識(shí)別碼，用于描述該幀數(shù)據(jù)在總線上的“數(shù)據(jù)身份”。鑒于通信與檢測(cè)模塊之間的通信關(guān)系比較簡(jiǎn)單，這里選用標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)格式，2 Byte的TX識(shí)別碼分別為數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目標(biāo)地址，即對(duì)于通信模塊而言，第1 Byte定義為通信模塊某通道的站號(hào)，第2 Byte定義為某時(shí)刻該通信通道所訪問的檢測(cè)模塊站號(hào)。

4 溫濕度檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
4．1 溫濕度檢測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì)
    檢測(cè)模塊大體可分為主控器、溫度傳感器、濕度傳感器、CAN驅(qū)動(dòng)器4個(gè)部分：
    (1)主控器同樣采用了PIC18F25K80單片機(jī)。6路撥碼開關(guān)連接至單片機(jī)的I／O口，用于設(shè)定檢測(cè)模塊在CAN總線上的站號(hào)，設(shè)定站號(hào)范圍為1100 0000～111l 1111。
    (2)溫度傳感器采用Dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該傳感器它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，DS18B20可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)處理，溫度測(cè)量的范圍為-55～+125℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)0．062 5℃，測(cè)溫范圍與精度完全符合項(xiàng)目要求。
    (3)濕度傳感器采用Honeywell公司生產(chǎn)的HIB4000相對(duì)濕度傳感器，該傳感器內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路，可將相對(duì)濕度值變換成電容值，再將電容值轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出。PIC18F25K80單片機(jī)片內(nèi)集成一個(gè)8路輸入的A／D模塊，可將HIH4000輸出的線性電壓模擬量直接轉(zhuǎn)換為一個(gè)12位的數(shù)字量并存儲(chǔ)在PIC18F25K80單片機(jī)中。
    (4)與通信模塊相同，PIC18F25K80的CAN收發(fā)引腳CANRX、CANTX通過2只光耦6N137與CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250相連，PCA82C250直接接入CAN總線。

4．2 溫濕度檢測(cè)模塊的軟件設(shè)計(jì)
    檢測(cè)模塊不斷讀取溫度傳感器和濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，每次采集完溫度與濕度數(shù)據(jù)后，檢測(cè)是否有來自通信模塊的讀數(shù)據(jù)命令，如果有則將采集的溫度與濕度數(shù)據(jù)返回給通信模塊，如果沒有則繼續(xù)讀取溫度傳感器和濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，程序流程如圖8所示。

    與通信模塊一致，檢測(cè)模塊的CAN通信數(shù)據(jù)幀格式同樣采用標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)格式。其中，2的TX識(shí)別碼分別設(shè)定為數(shù)據(jù)源地址和數(shù)據(jù)目標(biāo)地址，即第1 Byte被設(shè)定為檢測(cè)模塊站號(hào)，第2 Byte被設(shè)定為與之連接的通信通道的站號(hào)；數(shù)據(jù)字節(jié)僅使用3個(gè)，第1 Byte和第2 Byte高4位共計(jì)12位用于存放來自溫度傳感器的數(shù)據(jù)，第2 Byte的低4位和第3 Byte共計(jì)12位用于存放來自濕度傳感器的數(shù)據(jù)，將溫濕度傳感器取得的兩
個(gè)12位數(shù)字量壓縮為3 Byte并寫入CAN驅(qū)動(dòng)器發(fā)送緩沖區(qū)可有效提高數(shù)據(jù)更新速率。

5 結(jié)束語(yǔ)
    現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展、單片機(jī)功能的增強(qiáng)、傳感器線性化與集成度的提高等技術(shù)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了便利，也為該檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了保障；Dot Net技術(shù)的發(fā)展為快速開發(fā)穩(wěn)定可靠的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序提供了條件。經(jīng)開發(fā)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)目前尚處于小規(guī)模試運(yùn)行階段，經(jīng)過一段時(shí)間的試運(yùn)行證明本系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能滿足企需求。