引言

一個(gè)高效的溫濕度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對各行業(yè)進(jìn)行科學(xué)有效的管理，保障工作環(huán)境溫濕度恒定，降低能源損耗是非常必要的。傳統(tǒng)的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如RS一485總線在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在著數(shù)據(jù)傳輸速率低、實(shí)時(shí)性差，對所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能進(jìn)行分析、節(jié)點(diǎn)加入或者離開網(wǎng)絡(luò)要重新配置等問題，而溫濕度傳感器檢測過程中濕度受溫度影響而導(dǎo)致測量誤差大、校準(zhǔn)和標(biāo)定復(fù)雜、互換性和長期穩(wěn)定性差等。

因此，本文提出一種基于CAN總線高精度溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以提高系統(tǒng)的傳輸速率和實(shí)時(shí)性，而且也可以提升系統(tǒng)溫濕度采集的準(zhǔn)確度。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

圖1 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的總線分布式結(jié)構(gòu)

CAN—Bus(Controller Area NetworU即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一，它是一種無破壞性的總線仲裁機(jī)制。當(dāng)總線數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)沖突時(shí)，最高優(yōu)先權(quán)訪問的節(jié)點(diǎn)不受影響，從而提高了總線仲裁時(shí)間和實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖l所示，在每個(gè)檢定實(shí)驗(yàn)室裝一個(gè)溫濕度采集器，通過CAN橋連接在兩根雙絞屏蔽線上，組成分布式網(wǎng)絡(luò)，而主控制器與上位機(jī)連接組成控制臺(tái)。在各個(gè)采集器之間采用雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中，用雙絞兩端連接匹配電阻可以消除長線反射所引起的干擾，從而提高接收器的共模抑制比及數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力，采用這種具有優(yōu)先級(jí)的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方便系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)展。

系統(tǒng)利用PC機(jī)作為管理主機(jī)，各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)通過局域網(wǎng)CAN總線納入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制。PC機(jī)能很好保存測控制節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，并可以數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定等，對數(shù)據(jù)的發(fā)送、數(shù)據(jù)請求、節(jié)點(diǎn)查詢、中斷接收數(shù)據(jù)管理等功能。

CAN—RS232轉(zhuǎn)換器主要是完成PC機(jī)與CAN總線數(shù)據(jù)通信的任務(wù)，負(fù)責(zé)把總線的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，同時(shí)把PC機(jī)的命令轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

總線上的各個(gè)溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，主要是實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集與CAN總線通信的功能。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通過能實(shí)現(xiàn)報(bào)文的發(fā)送和接收，還能進(jìn)行幀數(shù)據(jù)地址濾波、錯(cuò)誤處理與自動(dòng)糾錯(cuò)等功能。實(shí)現(xiàn)把節(jié)點(diǎn)采集的信息打包成幀數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，當(dāng)主機(jī)接接收到命令之后，可通過智能控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)對工作房間的空調(diào)、除溫機(jī)等的控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2 溫濕數(shù)據(jù)采集器的硬件結(jié)構(gòu)

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)通過CAN總線的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有溫濕度采集及控制功能，同時(shí)兼有液晶顯示及上下限溫濕度報(bào)警功能。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括核心控制芯片、溫濕度傳感器、CAN總線通信接口、固態(tài)繼電器及時(shí)鐘芯片等。

(1)主控制芯片采用MICROCHIP公司生產(chǎn)nanoWattXLPTM超低功耗技術(shù)單片機(jī)PIC16f1937作為主控制芯片，該芯片內(nèi)置具有LCD驅(qū)動(dòng)模塊，可以減少系統(tǒng)成本及電路板布線等優(yōu)點(diǎn)。

(2)CAN總線通信模塊如圖3所示，主要是由。講總線控制器MCP2515、CAN總線的收發(fā)電路MCP2551及光耦隔離電路等組成。MCP2515支持CAN V2．0B技術(shù)規(guī)范、通訊速率為1Mb／S的CAN總線控制器，它可以通過獨(dú)立SPI接口與MCU通信。MCP2551是一個(gè)具有容錯(cuò)的高速CAN協(xié)議控制器的物理總線接口。[page]

圖3 CAN總線模塊電路

CAN總線主要用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通訊，因而系統(tǒng)必須具有一定的防雷擊的能力。在MCP2515和收發(fā)器MCP2551之間必須采用高速的光耦進(jìn)行完全的電氣隔離，做—個(gè)低通濾波器與抑制電壓瞬態(tài)變化電路提高節(jié)點(diǎn)的抗干擾性能。從而大大提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性與安全性。

(3)各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用高精度溫濕度傳感器SHT75進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。它是一款含有已校準(zhǔn)的兩線串行數(shù)據(jù)通信的相對濕度和溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了溫濕度直接數(shù)字量的輸出，從而大大簡化各節(jié)點(diǎn)的電路，保證采集數(shù)據(jù)的精度。其性能如表l所示。

表1 SHT75芯片性能

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，上位機(jī)軟件采用基于面向?qū)ο蟮腣isual Basic 6．0開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制和顯示界面，提供一個(gè)良好的人機(jī)操作界面。其主要包括上位機(jī)與CAN—RS232轉(zhuǎn)換器的通信設(shè)置模塊、CAN總線通信模塊、節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)的接收和顯示模塊、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的調(diào)用模塊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)保存及數(shù)據(jù)查詢等。

溫濕數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件分成若干相對獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)程序，各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序在監(jiān)控程序的總調(diào)度下協(xié)調(diào)工作。其軟件驅(qū)動(dòng)程序主要由溫濕度數(shù)據(jù)程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片程序、液晶顯示程序、繼電器控制輸出程序、鍵盤輸入程序、LED顯示程序及CAN總線通信程序等組成。其中為了使總線節(jié)點(diǎn)有效、實(shí)時(shí)地完成通信任務(wù)，通信模塊的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。

CAN總線通信模塊在系統(tǒng)的監(jiān)控程序調(diào)用下完成儀表的數(shù)據(jù)發(fā)送及命令接收任務(wù)，其程序可看成由各個(gè)相對獨(dú)立的程序模塊組成，流程如圖4所示。通信模塊的程序包括MCP2515的初始化、節(jié)點(diǎn)自收自發(fā)檢測、通信速率偵測程序、全局通信檢測。通信模塊的中斷處理程序包括CAN總線錯(cuò)誤處理子程序、發(fā)送接收子程序、放棄發(fā)送子程序等。

圖4 通信模塊流程圖

4 結(jié)束語

本文采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊的硬件部分及軟件部分，克服了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)(如RS-485)的傳輸數(shù)率低、實(shí)時(shí)性差等問題，實(shí)現(xiàn)了高效及時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，保障了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_性；采用SHq75芯片進(jìn)行溫濕度的數(shù)據(jù)采集。解決了濕度傳感器受溫度影響而導(dǎo)致的測量誤差大、穩(wěn)定性差等問題，提高了溫濕度測量的準(zhǔn)確度和可靠性，能夠滿足日益嚴(yán)格的溫濕度環(huán)境條件監(jiān)控需求。

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