基于CAN總線的高低溫試驗箱監(jiān)控系統(tǒng)

關鍵詞: CAN總線;MCP2510;編程

　　高低溫試驗箱主要用于考核產(chǎn)品的高低溫性能，是企業(yè)進行產(chǎn)品環(huán)境試驗必不可少的設備,它主要是由箱體、制冷裝置、加熱裝置組成，并有溫度顯示和簡單的控制系統(tǒng)。由于高低溫試驗持續(xù)時間長，工作時有噪音、振動，環(huán)境較為惡劣，因此實現(xiàn)對高低溫試驗箱的計算機監(jiān)控有一定的現(xiàn)實意義。

　　傳統(tǒng)的設備監(jiān)控系統(tǒng)多采用RS232、RS485等串行通訊方式，實時性、擴展性和可靠性較差。CAN總線是現(xiàn)場總線中的一種，它能有效地支持分布式控制和實時控制，是一種開放式、數(shù)字化、多點通信的串行通訊網(wǎng)絡。本文設計了一種基于CAN總線的分布式高低溫試驗箱監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構簡單，成本低，且實時性、擴展性和可靠性好，具有較強的實用價值。

1 系統(tǒng)的總體結構

　　該系統(tǒng)包括一個主控制器（工業(yè)控制計算機，含PC-CAN接口卡）和多個節(jié)點控制器（CAN接口控制板），并采用總線式網(wǎng)絡拓撲結構，無源抽頭連接，因而系統(tǒng)的可靠性較高。其信息傳輸采用CAN通信協(xié)議，通訊介質采用雙絞線。

　　系統(tǒng)的組成結構如圖1所示。

　　圖中工控機（含PC-CAN接口卡）安裝在控制室，高低溫試驗箱放在工作間，兩地之間用雙絞線進行連接，距離約50m，雙絞線的兩端需短接120Ω的終端匹配電阻。

　　工控機選用臺灣研華的IPC610，具有良好的軟硬件兼容性，在該工控機的ISA插槽中插入型號為PCL-841的CAN-PC接口卡，通過該卡即可把工控機連接到CAN總線上。工控機的控制軟件可設置高低溫試驗箱的工作模式：高溫試驗、低溫試驗、溫度沖擊試驗、自定義。每種模式均可設置預定溫度和保持時間，溫度沖擊試驗還能設置循環(huán)次數(shù)，自定義模式由上述三種基本模式按一定流程組成，每個節(jié)點均可獨立設置其工作參數(shù)。

圖1 高低溫試驗箱監(jiān)控系統(tǒng)的組成

　　CAN接口控制板是系統(tǒng)的核心，它負責與CAN總線進行通訊，另外還完成溫度信號的采集、加熱與制冷裝置的控制等功能，內有CAN總線收發(fā)器及控制器、單片機、溫度傳感器接口等部件。加電后，CAN接口控制板通過溫度傳感器，定時采集高低溫試驗箱的溫度數(shù)據(jù)并上傳給工控機，供其顯示與儲存。工控機根據(jù)用戶設置的工作模式發(fā)出特定指令至CAN總線，CAN接口控制板收到該指令后，根據(jù)預定的算法控制加熱與制冷裝置的啟動、停止，完成相應的操作。

　　下面將重點介紹CAN接口控制板的軟硬件設計。

2 CAN接口控制板的硬件設計

　　CAN接口控制板由MCP2551總線收發(fā)器、MCP2510總線控制器和PIC12C672單片機等部件組成。其電路原理如圖2所示

　　MCP2551總線收發(fā)器與系統(tǒng)物理總線相連，具有差分發(fā)射和接收能力，可將許多節(jié)點與同一網(wǎng)絡相連接。它作為MCP2510總線控制器MCP2510和系統(tǒng)物理總線之間的接口。

　　MCP2510總線控制器擔負著報文的發(fā)送、接收、過濾等工作，是CAN總線接口控制板的核心器件。它支持CAN總線V2.0A/B技術規(guī)范，能夠發(fā)送和接收標準和擴展報文，同時具備驗收過濾以及報文管理功能。該器件包含三個發(fā)送緩沖器和兩個接收緩沖器，減少了MCU的管理負擔。MCP2510通過SPI接口與MCU進行數(shù)據(jù)通訊，其數(shù)據(jù)傳輸速率可高達5Mb/s。

　　為了簡化電路設計，降低成本，我們選用PIC12C672單片機作為MCP2510的控制MCU。PIC12C672單片機是美國Microchip公司生產(chǎn)的RISC單片機，只有35條指令，指令周期可短至1us，除跳轉指令外其余均為單周期指令，運行效率高。其內部集成了2K（14bit寬度）的編程空間和128字節(jié)的RAM，另外還集成有4通道的8位A/D轉換器、4MHz的RC振蕩器、上電復位電路、看門狗電路等。它僅有8個引腳，體積小，外圍電路簡單，具有較高的性價比。

　　MCP2510通過SPI接口與MCU通訊，但PIC12C672本身沒有SPI接口，因此用四條普通I/O線GP5、GP4、GP1、GP2分別接至MCP2510的CS、SO、SI、SCK引腳，用軟件算法實現(xiàn)SPI接口協(xié)議。SPI接口讀命令時序如下圖3所示。在讀操作開始時，CS引腳將被置為低電平，隨后讀指令和8位地址碼（A7至A0）將被依次送入MCP2510，并在SCK的上升沿縮存每個數(shù)據(jù)位。在接收到讀指令和地址碼之后，MCP2510指定地址寄存器中的數(shù)據(jù)將在SCK的下降沿輸出到SO引腳。拉高CS引腳電平結束讀操作。

　　MCP2510外接8MHz晶體作振蕩源，將CAN總線速度配置為125kbps。MCP2510有三個引腳（TX0RTS、TX1RTS、TX2RTS）可以配置成通用的輸入腳，兩個引腳（RX0BF、RX1BF）能被配置成數(shù)字輸出腳，由PIC12C672單片機通過MCP2510的SPI接口對這些引腳進行控制。在此應用中，TX0RTS、TX1RTS、TX2RTS配置成輸入腳，分別連接上三位撥碼開關，用于設置CAN接口板的ID地址。RX0BF、RX1BF配置成數(shù)字輸出腳，分別通過驅動電路、繼電器控制高低溫箱的加熱裝置、制冷裝置。

3 CAN接口控制板的軟件設計

　　CAN接口控制板的主要功能有：定時采集溫度數(shù)據(jù)并通過CAN總線發(fā)送至工控機;收到工控機的升溫、降溫指令后，根據(jù)預定的算法控制加熱與制冷裝置的啟動、停止。因此，除硬件設計外，我們還需編寫PIC12C672單片機的程序，以實現(xiàn)上述CAN接口控制板的功能。采用匯編語言編程，使用福州貝能的PICRICE仿真器進行開發(fā)、調試，并用PICSTART PLUS編程器燒寫程序。

　　單片機的主程序流程圖如圖4所示：

圖4 單片機的主程序流程圖

　　PIC12C672的初始化主要完成I/O腳的配置，定時器中斷的設置，以及A/D轉換模塊的設置。MCP2510的初始化的主要是將總線時鐘頻率設為125kbps，配置中斷信號，將TX0RTS、TX1RTS、TX2RTS配置成通用的輸入腳，將RX0BF、RX1BF配置成數(shù)字輸出腳。

　　MCP2510的發(fā)送操作通過三個發(fā)送緩沖器來實現(xiàn)，這三個發(fā)送緩沖器各占據(jù)14個字節(jié)的SRAM。第一字節(jié)是控制寄存器TXBNCTRL，該寄存器里的內容設定了信息發(fā)送的條件，且給出了信息的發(fā)送狀態(tài)，第二至第六字節(jié)用來存放標準的和擴展的標識符以及仲裁信息，最后八個字節(jié)用來存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

　　MCP2510的接收操作通過三個接收緩沖器來實現(xiàn)，在三個接收緩沖器中，MAB（報文集成緩沖器）總能夠接收來自總線的下一條報文，其余兩個接收緩沖器RXB0和RXB1則從協(xié)議引擎接收完整的報文。MAB對接收到的報文進行組合，并將滿足驗收濾波器條件的報文傳送到至RXBN緩沖器，并且該接收緩沖器對應的位將置1，器件會在INT引腳產(chǎn)生一個中斷, 顯示接收到有效報文。