1、 本科毕业设计 （ 20 届） CAN 数据采集器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 现场总线是自动化领域的计算机网络，是当今自动化领域技术发展的热点之一。它以总线为纽带，将现场设备连接起来成为一个能够相互交换信 息的控制网络，是一种双向串行多节点数字通信的系统。 CAN总线作为现场总线的一种，它最初被应用于汽车的控制系统中。因其卓越的性能， CAN总线的应用范围已不再局限于汽车工业，被广泛应用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。 本课题研究 CAN总线数据采集器，采用模块化结构，主要对数据采集模块和CAN总线通
2、信模块提出了软硬件的设计方案。研究的数据采集器成功应用 CAN控制系统，系统运行平稳，很好地完成了对温度、模拟电压和数字信号的采集与传输任务，并通过 CAN总线与人机接口相连，实现了人机互动。利用单片机完成对数据的处理及其它控制功能，实现了系统的数字化；利用 LCD 完成显示，实现了操作界面的可视化；通过键盘实现测量范围的设定，提高了系统的通用性；系统采用 CAN 总线完成数据的传输，实现了系统的开放化与网络化。增强了系统的可靠性、稳定性以及抗干扰能力，保证了装置的安全运行。 关键词： CAN总线；数据采集器 - 2 - Abstract Fieldbus is a computer netw
3、ork automation, automation technology is currently one of the hotspots. It to the bus as a link connecting the field devices to exchange information as a control network is a bi-directional serial multi-node digital communication system. CAN field bus is a bus, which was originally used in automotiv
4、e control systems. Because of its superior performance, CAN bus, the scope of application is no longer confined to the automotive industry, has been widely applied to automatic control, building automation, medical equipment, and other fields. Based on the CAN Bus data acquisition in the overall des
5、ign, using a modular design, the main data acquisition module and CAN bus communication module hardware and software design and development. Research in this paper the successful application of data acquisition CAN control system, the system runs smoothly, well done on the pressure, temperature and
6、liquid level signal acquisition and transfer tasks, and human-machine interface through the CAN bus is connected, well implemented human-computer interaction. Using MCU to complete the data processing and other control functions to realize the digital system; use of LCD displays to complete and real
7、ize the visual interface; measurement range realized by setting the keyboard to improve the versatility of the system; system uses CAN bus for data transmission, to achieve the opening of the system and network. Enhanced system reliability, stability and anti-jamming capability and ensure the safe o
8、peration of the device. Key Words: CAN Bus;Data Acquisition - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1 研究背景 .1 1.2 研究内容 .1 2 系统整体方案 .3 2.1 系统功能及要求 .3 2.2 系统方案和整体结构 .3 3 硬件设计 .4 3.1 微处理器 .4 3.1.1 时钟电路 .4 3.1.2 复位电路 .5 3.2 数 据采集模块 .5 3.2.1 温度采集模块 .5 3.2.2 模拟电压模块 .6 3.2.2 数字信号采集电路 .7 3.2 CAN 通信模块 .8 3.2.1 CAN 控制器 .8 3.2.2
9、CAN 收发器 .9 3.2.3 CAN 通信模块电路 .9 3.3.1 液晶显示 .10 3.3.2 键盘 . 11 4 软件 设计 .12 4.1 主程序 .12 4.2 数据采集模块 .13 4.2.1 温度采集 .13 4.2.2 模拟电压采集 .18 4.2.3 数字信号采集 .19 4.3 CAN 通信模块 .20 4.3.1 CAN 总线初始化 .20 4.3.3 CAN 总线报文接收 .22 4.3.2 CAN 总线报文发送 .25 4.4 人机接口 .27 4.4.1 液晶显示 .27 4.4.2 键盘 .28 5 结论 .30 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .
10、31 - 1 - 1 引言 现代化的工业中许多电子系统的正常运行需要 过程控制和安全措施。数据采集系统就是对生产环节的数据进行实时采集 ， 并对数据进行处理 ， 从而 达到 生产过程数据监控功能。在整个生产过程中，数据采集系统发挥着非常重要的作用 。为此本 课题 给出了一种数据采集器的设计 方案。对 CAN总线 数据采集器进行研究 ，它 具有智能程度高、传输效率高、实时性强、适用面广等特点。 1.1 研究背景 CAN总线是应用在现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通讯系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络 。 CAN协议建立 在ISO/OSI模型之上，其模型结构有三层
11、:物理层、数据链路层、应用层 。随着 CAN总线的不断完善和发展，作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式， CAN总线不再仅仅局限于汽车电子领域，还被广泛应用到其它各个自动化控制系统中。在国内， CAN总线控制系统也开始在汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业（如自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等领域）中也正在逐步推广应用。 CAN总线 是现场总线技术中最成熟、最有发展前途的 总线之一 ，也是新一代智能系统使用的一种主要技术 ,课题研究的 CAN总线采集器 ,具有很高的性价比和实用性，而且功耗低、精度高、实时性能好。 CAN总线数据采集器不仅可靠性高，而且
12、比通常采用 PLC系统配置更为灵活，相信该系统将更加广泛的应用于工业生产的各个方面。 1.2 研究内容 本课题主要研 究系统通过采集模块采集温度、模拟电压、数字信号，通过CAN 总线接口传送给其他节点，并通过按键对系统进行调节和 LCD 对的数据的显示。 本课题设计一个数据采集系统，系统以单片机为核心，通过 CAN总线与其 CAN节点数据进行通信，要求： - 2 - 1.能采集 0-5V模拟电压和数字信号； 2.具有人机接口能显示采集的数据和单片机状态； 3.模拟电压分辨率 10毫伏以上，满量程相对误差 1%。 - 3 - 2 系统整体方案 2.1 系统功能及要求 （ 1）完成对模拟温度、电压
13、和数字信号的采集。 （ 2）利 用 LCD 对所采集的数据进行显示。 （ 3）可通过键盘设定所采集模拟量的范围。 （ 4）通过现场总线实现所采集数据的通信。 2.2 系统方案和整体结构 根据功能要求可以得到系统硬件结构如图 2-1所示。键盘可完成对菜单的选择及参数设定， CAN总线接口电路完成采集器与总线的数据传输。 M C U 模拟电压 数字信号 人机接口 CAN 控制器 CAN 收发器 温度 C A N 2 .0 图 2-1 系统总体结构框图 整体结构主要有微处理器、数据采集模块、 CAN 通信模块和人机接口模块组成，数据采集模块负责进行采集课题所需信号，数据采集器中的 CAN 通信模块主
14、要完成 微处理器与 CAN 现场总线之间的数据传输。通过 CAN 通信模块使数据采集器之间相互通信，并将需要采集的信号送到 CAN 总线上。同时 CAN 通信模块还负责将从上位机接收的数据和控制参数传送给数据采集器，所有的状态信息在线的通过 CAN 通信模块传送至上位机进行监控，并可以根据需要在线修改控制参数。 - 4 - 3 硬件设计 本系统硬件主要有四大模块组成：微处理器、数据采集模块、 CAN 通信模块、 人机接口模块 。 3.1 微处理器 AT89C52是低功耗、高性能、采用 CMOS工艺的 8位单片机。它的硬件结构和指令系统与 80C51单片机完全 兼容 ,在应用中可直接替换。片内存
15、储器包含 8K可反复擦写 (大于 1000次） Flash ROM；具有 32个双向 I/O口 ；具有 256x8bit内部RAM；工作电源电压为 4.0 5.5V；全静态时钟为 0 24MHz；中断系统具有 8个中断源；具有可编程串口通信信道； 2种低功耗节电工作方式。 AT89C52单片机具有上述优点， 所以 本系统将采用 AT89C52作为微处理器 。 3.1.1 时钟电路 单片机内部有一个高增益相放大器，在引脚 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接 12MHz的石英晶体，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路如图 3-1 所示，外接晶振时，在晶振两端加了 2 个 30pF 的起振电容 C1、
16、 C2， C1、 C2 对频率有微调作用。晶体的频率范围可在 1.2 12MHZ 之间选择。在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。 Y111.0592MC230pfC330pfXTAL1XTAL2图 3-1 晶振时钟电路图 - 5 - 3.1.2 复位电路 复位是单片机的初始化操作，其作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个初始状态开始工作。 如果复位电路中 R、 C 的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。本设计采用按键电 平复位，电平复位是通过 RST 端经电阻与 VCC 接
17、通而实现的，其电路图如图 3-2 所示。 RST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。 R110KVCCRSTS1C11ufR101K图 3-2 单片机外围复位电路 3.2 数据采集模块 数据采集模块负责进行采集信号，在单片机中经过运算处理后，形成控制信号，再返送至采集模块，从而实现信号的传输与控制。本课题数据采集模块分为温度采集模块、模拟电压采集模块和数字信号采集模块。 3.2.1 温度 采集模块 传统的温度采集方式采用热电偶或热敏电阻，热电偶 一般用于工业生产 ， 但精度 低 ，需冷端 补偿 ，电路设计 复杂 ；热 敏电阻虽然精度较高，但需要标准稳定电阻匹配才能使用，而且重复性、
18、可靠性都比较差。采用数字温度传感器 DS18B20可以直接输出数字温度信号，与单片机接口，结构简洁且制作成本较低。因此本系统采用高精度数字温度传感器 DS18B20。这种数字温度传感器是 DALLAS公司生产的单总线，结构简单，不需外接电路，具有独特的单总线接口方式，仅需使用- 6 - 1个端口就能实现与单片机的双向通讯。 DALLAS半导体公司的数字化温度传感器 DS18B20是支持 CANZ总线接口的数字温度传感器。测量温度范围为 -55 +125，在 -10 +85范围内，精度为0.5，可由程序设定 9 12位的分辨率。它共有三个引脚：一个 VCC电源引脚，一个数据总线，一个地引脚，可采
19、用外部电源供电，也可采用总线供电方式。DS18B20的内部结构主要由 64位 ROM、温度传感器及高速缓存器配置寄存器等部分组成。 温度采集电路模块如图 3-3所示， 1脚为 GND 端， 2 脚为 DQ 端， 3脚为 VCC端，其中 DQ 为数字信号输入 /输出端； GND 为电源地； VCC 为电源输入端 。在选择 DS18B20 电源供电方式时，有两种选择：外部电源供电方式和寄生电源供电方式， 本系统采用外部电源供电 方式。 DS18B20 的 2 脚接系统中单片机的 P2.4 口线， 用于将采集到的温度送入单片机中处理，由于 DS18B20 的 DQ 端是单线双向通讯的 ,其内部结构是开漏 ,因此 在 2脚和 3脚之间要接一个 4.7K 上拉电阻，即完成温度采集部分硬件电路。 图 3-3 温度采集电路 3.2.2 模拟电压模块 本模块采用的芯片是 ADC0809。 ADC0809是 CMOS逐渐逼近型 A/D转换器具有 8路模拟量输入通道，有转换起停控制，模拟输入电压的范围为 0 5V。如图 3-4 ADC0809与 AT89C52的接口电路所示。电路的设计已做到 了最小化，即没有用任何附加逻辑器件做接口电路 ， 便可实现 AT89C52对 ADC0809转换芯片的操作 。 321H e a d e r3D S 18 B 2 0P 2 .4V C C+C41 0u f
