基于CAN总线的高低温试验箱监控系统

    传统的设备监控系统多采用RS232、RS485等串行通讯方式，实时性、扩展性和可靠性较差。CAN总线是现场总线中的一种，它能有效地支持分布式控制和实时控制，是一种开放式、数字化、多点通信的串行通讯网络。本文设计了一种基于CAN总线的分布式高低温试验箱监控系统。该系统结构简单，成本低，且实时性、扩展性和可靠性好，具有较强的实用价值。 
1 系统的总体结构
　　该系统包括一个主控制器（工业控制计算机，含PC-CAN接口卡）和多个节点控制器（CAN接口控制板），并采用总线式网络拓扑结构，无源抽头连接，因而系统的可靠性较高。其信息传输采用CAN通信协议，通讯介质采用双绞线。
　　系统的组成结构如图1所示。
　　图中工控机（含PC-CAN接口卡）安装在控制室，高低温试验箱放在工作间，两地之间用双绞线进行连接，距离约50m，双绞线的两端需短接120Ω的终端匹配电阻。
　　工控机选用中国台湾研华的IPC610，具有良好的软硬件兼容性，在该工控机的ISA插槽中插入型号为PCL-841的CAN-PC接口卡，通过该卡即可把工控机连接到CAN总线上。工控机的控制软件可设置高低温试验箱的工作模式：高温试验、低温试验、温度冲击试验、自定义。每种模式均可设置预定温度和保持时间，温度冲击试验还能设置循环次数，自定义模式由上述三种基本模式按一定流程组成，每个节点均可独立设置其工作参数。

图1 高低温试验箱监控系统的组成
　　CAN接口控制板是系统的核心，它负责与CAN总线进行通讯，另外还完成温度信号的采集、加热与制冷装置的控制等功能，内有CAN总线收发器及控制器、单片机、温度传感器接口等部件。加电后，CAN接口控制板通过温度传感器，定时采集高低温试验箱的温度数据并上传给工控机，供其显示与储存。工控机根据用户设置的工作模式发出特定指令至CAN总线，CAN接口控制板收到该指令后，根据预定的算法控制加热与制冷装置的启动、停止，完成相应的操作。
　　下面将重点介绍CAN接口控制板的软硬件设计。
2 CAN接口控制板的硬件设计
　　CAN接口控制板由MCP2551总线收发器、MCP2510总线控制器和PIC12C672单片机等部件组成。其电路原理如图2所示

　　MCP2551总线收发器与系统物理总线相连，具有差分发射和接收能力，可将许多节点与同一网络相连接。它作为MCP2510总线控制器MCP2510和系统物理总线之间的接口。
　　MCP2510总线控制器担负着报文的发送、接收、过滤等工作，是CAN总线接口控制板的核心器件。它支持CAN总线V2.0A/B技术规范，能够发送和接收标准和扩展报文，同时具备验收过滤以及报文管理功能。该器件包含三个发送缓冲器和两个接收缓冲器，减少了MCU的管理负担。MCP2510通过SPI接口与MCU进行数据通讯，其数据传输速率可高达5Mb/s。
　　为了简化电路设计，降低成本，我们选用PIC12C672单片机作为MCP2510的控制MCU。PIC12C672单片机是美国Microchip公司生产的RISC单片机，只有35条指令，指令周期可短至1us，除跳转指令外其余均为单周期指令，运行效率高。其内部集成了2K（14bit宽度）的编程空间和128字节的RAM，另外还集成有4通道的8位A/D转换器、4MHz的RC振荡器、上电复位电路、看门狗电路等。它仅有8个引脚，体积小，外围电路简单，具有较高的性价比。
　　MCP2510通过SPI接口与MCU通讯，但PIC12C672本身没有SPI接口，因此用四条普通I/O线GP5、GP4、GP1、GP2分别接至MCP2510的CS、SO、SI、SCK引脚，用软件算法实现SPI接口协议。SPI接口读命令时序如下图3所示。在读操作开始时，CS引脚将被置为低电平，随后读指令和8位地址码（A7至A0）将被依次送入MCP2510，并在SCK的上升沿缩存每个数据位。在接收到读指令和地址码之后，MCP2510地址寄存器中的数据将在SCK的下降沿输出到SO引脚。拉高CS引脚电平结束读操作。

　　MCP2510外接8MHz晶体作振荡源，将CAN总线速度配置为125kbps。MCP2510有三个引脚（TX0RTS、TX1RTS、TX2RTS）可以配置成通用的输入脚，两个引脚（RX0BF、RX1BF）能被配置成数字输出脚，由PIC12C672单片机通过MCP2510的SPI接口对这些引脚进行控制。在此应用中，TX0RTS、TX1RTS、TX2RTS配置成输入脚，分别连接上三位拨码开关，用于设置CAN接口板的ID地址。RX0BF、RX1BF配置成数字输出脚，分别通过驱动电路、继电器控制高低温箱的加热装置、制冷装置。
3 CAN接口控制板的软件设计
　　CAN接口控制板的主要功能有：定时采集温度数据并通过CAN总线发送至工控机;收到工控机的升温、降温指令后，根据预定的算法控制加热与制冷装置的启动、停止。因此，除硬件设计外，我们还需编写PIC12C672单片机的程序，以实现上述CAN接口控制板的功能。采用汇编语言编程，使用福州贝能的PICRICE仿真器进行开发、调试，并用PICSTART PLUS编程器烧写程序。
　　单片机的主程序流程图如图4所示：

图4 单片机的主程序流程图
　　PIC12C672的初始化主要完成I/O脚的配置，定时器中断的设置，以及A/D转换模块的设置。MCP2510的初始化的主要是将总线时钟频率设为125kbps，配置中断信号，将TX0RTS、TX1RTS、TX2RTS配置成通用的输入脚，将RX0BF、RX1BF配置成数字输出脚。
　　MCP2510的发送操作通过三个发送缓冲器来实现，这三个发送缓冲器各占据14个字节的SRAM。*字节是控制寄存器TXBNCTRL，该寄存器里的内容设定了信息发送的条件，且给出了信息的发送状态，第二至第六字节用来存放标准的和扩展的标识符以及仲裁信息，zui后八个字节用来存放待发送的数据信息。
　　MCP2510的接收操作通过三个接收缓冲器来实现，在三个接收缓冲器中，MAB（报文集成缓冲器）总能够接收来自总线的下一条报文，其余两个接收缓冲器RXB0和RXB1则从协议引擎接收完整的报文。MAB对接收到的报文进行组合，并将满足验收滤波器条件的报文传送到至RXBN缓冲器，并且该接收缓冲器对应的CANINTF.RXNIF位将置1，器件会在INT引脚产生一个中断, 显示接收到有效报文。