采用CAN節(jié)點器件實現(xiàn)倉庫現(xiàn)場參數(shù)的數(shù)據(jù)采集

1 、引 言

在倉庫的貨物的管理中，需要對溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控，以保證倉庫的安全。隨著庫區(qū)的面積逐漸擴大，需要傳輸能力強和通信距離遠的監(jiān)控系統(tǒng)來有效地對倉庫貨物進行監(jiān)管。

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線技術具有先進的多主網(wǎng)絡結構、通訊距離遠、價位低、可靠性高、系統(tǒng)容量大、安裝方便、維護費用低、性價比高等優(yōu)點。特別對庫區(qū)較大、倉庫分布較分散的大型倉庫的監(jiān)控非常適用。

2、系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用分布式監(jiān)控網(wǎng)絡，主要分為上位機和下位機兩部分，而上位機硬件包括CAN通訊適配器和上位監(jiān)控管理機組成;下位機則由CAN節(jié)點和現(xiàn)場傳感器組和溫度濕度參數(shù)控制器組成，如圖1所示。

其工作原理是下位機節(jié)點通過一定時間間隔把含有地址、溫度、濕度等數(shù)據(jù)量的報文向CAN總線發(fā)送，總線通過自身仲裁確定先把優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù)放到總線上，然后自動仲裁依次發(fā)送優(yōu)先級相對較低的報文到CAN總線。由于CAN總線的信息存取利用了廣播式的存取工作方式，報文可以在任何時候由任何節(jié)點發(fā)送到空閑的總線上，每個CAN總線節(jié)點都接收到了總線上出現(xiàn)的報文信息，通過每個節(jié)點的報文濾波和地址設置，上位機CAN節(jié)點能實現(xiàn)上傳報文的接收。上位機接收到報文信息后通過組態(tài)王軟件實現(xiàn)倉庫溫度等參數(shù)實時監(jiān)視和記錄。同時上位機通過倉庫人機界面可隨時發(fā)送控制信息到CAN總線上，地址匹配的CAN總線節(jié)點能收到信息。通過這種方式即可實現(xiàn)倉庫的溫度等參數(shù)的反饋控制。

2.1上位機系統(tǒng)的硬件設計

CAN通訊適配器承擔上位計算機和CAN節(jié)點之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)任務，實現(xiàn)上位機與下位機的通訊。利用EPP并行口實現(xiàn)PC機與SJA1000的通信，關鍵在于實現(xiàn)SJA1000的讀寫時序，實現(xiàn)的方法有兩種：軟件產生讀寫時序電路和硬件產生讀寫時序電路。該系統(tǒng)用硬件產生讀寫時序電路，通過邏輯門的時間延遲來產生SJA1000握手等信號。設計電路如圖2所示。

2.2下位機系統(tǒng)的硬件設計

下位機包括CAN節(jié)點、現(xiàn)場傳感器組和溫度濕度參數(shù)控制器。CAN節(jié)點主要是完成CAN總線信號和CAN網(wǎng)絡通訊的配置。現(xiàn)場傳感器組和參數(shù)控制器部分主要是和CAN節(jié)點完成實時監(jiān)測倉庫內各個測試點的溫度、濕度情況，還要負責接收上位管理機的命令，根據(jù)上位管理機的要求傳輸數(shù)據(jù)和反饋控制。下位機結構組成如圖3所示。

2.2.1 CAN節(jié)點

CAN節(jié)點器件主要包括：微處理器AT89S52單片機、CAN控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器PCA82C250。

（1）CAN控制器SJA1000

SJA1000的工作模式通過其內部的時鐘分頻寄存器CDR中的CAN模式位來選擇。硬件復位時默認模式是BasicCAN工作模式。SJA1000相對于微控制器相當于是一存儲映象I/O設備，他的地址域由控制段和信息緩沖區(qū)段組成，在向下加載初始化期間，控制器可被編程以設定通信參數(shù)，CAN總線上的通信可通過此段由微控制器控制。

SJA1000內部寄存器有的是只能寫的，有的是既可讀又可寫的。系統(tǒng)正常工作之前，微控制器要對某些寄存器進行初始化，以保證系統(tǒng)的各部分之間能進行正確的數(shù)據(jù)交換。CAN控制器的內容都是通過微控制器寫入的，其讀寫時序如圖4所示。

從讀/寫時序圖來看，微控制器對SJA1000進行操作，由于SJA1000內可存儲數(shù)據(jù)的地址信息。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制層負責從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)以CAN協(xié)議的格式發(fā)送到總線上，根據(jù)需要對現(xiàn)場設備進行實時控制和監(jiān)視。系統(tǒng)上電后微處理器先對自身和SJA1000進行初始化，以SJA1000傳送到CAN總線上或直接現(xiàn)場顯示、控制;對從CAN總線上來的信息則采用中斷方式，系統(tǒng)每接收到一幀信息，便產生一次中斷，引發(fā)微處理機進入中斷，在中斷服務程序中讀取該幀信息并傳送到現(xiàn)場。

（2）CAN收發(fā)器PCA82C250

PCA82C250為CAN收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的驅動發(fā)送能力，CAN控制器的差動發(fā)送能力和CAN控制器的差動接收能力。他有很強的抗瞬間干擾和保護總線的能力，具有3種不同的工作模式即高速、斜率控制和待機?？偩€上的某節(jié)點掉電不會影響總線，在40 m內實現(xiàn)高速應用可達1 Mb/s，最多可掛110個節(jié)點。管腳8（RS）允許PCA82C250選擇3種不同的工作模式，如表1所示。

通過上面的結構框圖繪制出了如圖5 所示的CAN節(jié)點具體的電路。

2.2.2 溫度檢測部分

系統(tǒng)采用由DALLAS半導體公司生產的DS18B20型單線智能溫度傳感器，該傳感器屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。DS18B20主要有兩種工作方式：寄生電源工作方式和外接電源工作方式。本系統(tǒng)采用外接電源方式（如圖6）。

2.2.3 濕度檢測部分

濕度檢測采用HS1101型濕度傳感器，HS1101是HUMIREL公司生產的變容式相對濕度傳感器，采用獨特的工藝設計。

HS1101測量濕度采用將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化磚換成電壓頻率信號，可以直接被微處理器采集。

設計的電路如圖7所示。

555芯片外接電阻R20，R19與HS1101，構成對HS1101的充電回路。7端通過芯片內部的晶體管對地短路實現(xiàn)對HS1101的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內比較器，構成一個多諧波振蕩器，其中，R20相對于R19必須非常的小，但決不能低于一個最小值。R18是防止短路的保護電阻。

HS1101作為一個變化的電容器，連接2和6引腳。引腳作為R20的短路引腳。HS1101的等效電容通過R19和R20充電達到上限電壓（近似于0.67 VCC，時間記為T1），這時555的引腳3由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后通過R19開始放電，由于R20被7引腳短路接地，所以只放電到觸發(fā)界線（近似于0.33 VCC，時間記為T2），這時555芯片的引腳3變?yōu)楦唠娖健Ｍㄟ^不同的兩個電阻R19，R20進行傳感器的不停充放電，產生方波輸出。可以得出：

由此可以看出，空氣相對濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關系。表2給出了典型頻率濕度關系（參考點：25℃，相對濕度：55%，輸出頻率：6.660 kHz）。可以通過微處理器采集555芯片的頻率，然后查表即可得出相對濕度值。為了更好提高測量精度，將采用下位機負責采集頻率，將頻率值送入上位機進行分段處理。

2.2.4 溫濕度控制部分

在監(jiān)控系統(tǒng)中，除了實時檢測溫度濕度等參數(shù)外，還需要對這些參數(shù)進行控制。在溫度等測量參數(shù)超過用戶設定值范圍時，啟動相關控制設備，否則關閉控制設備。系統(tǒng)采用繼電器控制通風，除濕等設備的啟動，具體電路設計如圖8所示，其中J1用于控制通風設備，J2，J3用于控制濕度。

3 、系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計分為上位機系統(tǒng)的軟件設計和下位機系統(tǒng)的軟件設計。

上位機系統(tǒng)的軟件包括監(jiān)控管理部分軟件和CAN適配器軟件?，F(xiàn)場監(jiān)控管理部分主要利用組態(tài)王軟件完成倉庫的現(xiàn)場測量點模擬，對倉庫的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，并對采集數(shù)據(jù)進行分析，自動計算倉內的最高、最低和平均溫度值，還可計算出每層的最高、最低和平均溫度值，完成超限實時報警，同時實現(xiàn)對現(xiàn)場設備進行操作控制。例如啟動通風、除濕、噴灑及安全保護裝置，報警、切斷電源等。并自動生成各種報表和圖表，建立和存儲倉庫的倉儲歷史檔案和打印功能。而遠程監(jiān)控管理部分主要完成倉庫狀態(tài)遠程查詢，報表打印和遠程控制等功能。

對于CAN適配器的軟件設計采用Windows環(huán)境下的VB語言進行開發(fā)，由于Windows的保護，VB無法直接讀寫并行端口，需要另外的程序模塊來實現(xiàn)并行端口的直接讀寫，使用WINIO模塊來解決VB對并口的讀寫。同時，由于WINIO模塊不支持系統(tǒng)中斷，還需要利用VB編寫線程來查詢SJA1000的中斷狀態(tài)。

下位機系統(tǒng)的軟件包括CAN節(jié)點的軟件和溫濕度檢測控制軟件。軟件設計采用模塊化設計方式。軟件中主要程序有SJA1000的初始化，報文的發(fā)送程序，報文的接收程序，CAN總線錯誤處理程序，以及和傳感器配合實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的采集。

4 、結 語

該設計在倉庫的總體結構設計中，成功引入CAN總線作為通訊網(wǎng)絡，其中下位機利用AT89S52單片機和SJA1000完成CAN節(jié)點設計，上位機完成了對CAN通訊適配器的設計，采用上位機高級語言VB和EPP協(xié)議實現(xiàn)SJA1000的控制，大大地提高了系統(tǒng)內部的速率和實時性，具有處理速度快，成本較低的優(yōu)點。

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