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1、智能仪表的设计及 CN 总线接口技术研究 摘要摘要 对AN 总线接口技术进行了研究,设计出以 AT952 为控制核心,具有温度和湿度测量功能的智能 仪表。详细分析了 SA10内置 CAN 控制器的工作原理，设计了 CAN 总线接口电路。在温湿度测量中,采用 ST1 作为温湿度传感器,实现了 012范围内的高精度温度测量。实验表明,所开发的温湿度智能仪表性能 稳定，工作可靠,具有高精度、示值稳定性好等特点。 关键词关键词智能仪表,温湿度测量，CAN 总线，SJ1000,C2C250 nelliget Insrumen o esinand an Bs Inteface Tchologyf Rese
2、ach Abtract: CAN Bus nerae technloy n uy dsigned t T89S2 asthe contrl te, wit te eperatu d uidiy msrng capbilties of smameters Deale anlis f he buit- CA control JA100 orkin niple, eiaAN bu ierace irit Intemperaturead huidity easument, a mpeatre and humidity sesorusg SHT1 ahieved0 120 ang pecsin temr
3、atre measremet. Eerimeta reslts hw that the deveopdinelliget insrment emprature andumity stable perforane, reiale, high acurcy, exllntstabiitnd ndication Keywords: ItelletIntruent;Temperandhumiity easuremnt;CN us;SJA1000；PCA822 1 绪论5 1智能仪表的发展及其特点 .5 .2 CAN 总线特点及其在智能仪表中的应用现状.6 .3 课题的提出及研究意义 2 现场总线控制系
4、统 .6 2.1 现场总线概述.6 2.2 现场总线系统的特点 2.2.现场总线系统的结构特点7 2.2.现场总线系统的技术特点 . 23 现场总线的优点.7 3.CA总线(控制器局域网）介绍 .8 .1CAN 的基本概念8 3.2 CN 的层次结构.8 32.1 逻辑链路控制(C)子层8 3.2 媒体访问控制(A)子层9 3.3 物理层.10 33 CA总线的应用 .0 4.系统方案设计 .10 41 系统功能描述01 4. 方案论证 .1 4.1 主控芯片部分选择11 42.2 传感器选择 .1 5.基于 CAN 温湿度仪表分布式测量系统的硬件设计 .12 5.1 单片机 AT89S52
5、简介.12 52单片机应用知识 .3 5.2单片机中断知识3 5.22 单片机的定时/计数器.3 5.3CAN 总线节点硬件电路及设计41 5. CAN 总线控制器 SJA100 介绍.4 5.3.2A总线收发器 PC8C250 介绍 .33 AN 节点硬件电路.18 5.4 温湿度传感器电路设计91 5.4.1 SHT1 的结构91 .4.2 内部命令与接口时序 .20 53 温度和湿度值的计算 .2 5.4.4 温湿度测量电路设计32 5.5 显示模块42 55.1 液晶显示模块结构特点42 5.5.2 读、写操作时序 .26 5.53 单片机与液晶模块电路设计 系统软件设计 .27 61
6、 软件总体构想.27 62 系统总体流程图.27 3 模块的划分与软件设计2 6.3.温湿度采集模块的软件设计 .28 6.3.2CAN 通信模块的软件设计92 7 系统测试及检测设计13 .1 硬件电路的测试 .32 .2软件测试3 7.1 AN 节点的自收发通信测试33 722 AN 节点网络的通信测试.34 温湿度精度测试43 .1 测量结果对比43 73.2 误差原因分析.35 .3.3 减少测量误差采取的措施3 7.4 系统调试结果 .5 8 结论 . 9 系统缺陷及建议53 1 致谢63 附录 A: .38 附录: .39 附录 C： .40 附录 D .52 1 绪论 仪器、仪表
7、是物质世界进行测量与控制的基础手段和设备。任何一个工业生产过都需要一定的 检测技术和相应的仪表,以便于对生产过程进行测量、监视、控制和保护。因此，仪表在生产过程 中承担着非常重要的作用。现代仪器、仪表随着电子管的诞生而出现的电子仪表。智能仪表是一种 典型的微机（目前主要采用单片机)应用系统,它是计算机技术与仪表技术相结合的产物，它所具有 的软件功能意味着可将人的智能嵌入其中。无论在测量速度、精度、自动化程度还是性价比等方面， 都是传统仪器、仪表所不可比拟的,智能仪表已成为仪器、仪表的发展方向。 1.1 智能仪表的发展及其特点智能仪表的发展及其特点 智能仪表是新一代的电子仪器，它是由传统仪表发展
8、而来,但与传统仪表相比又有着较大的区 别。从原理上来看，它的发展主要经历了模拟式仪表、数字式仪表、智能式仪表三代。 微处理器在智能仪表中的作用,可以归结为两大类：对测试过程的控制和测试数据的控制。与 传统仪器、仪表相比，智能仪表主要具有以下特点： （1) 操作自动化。仪表的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、 传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。 (2) 具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换 等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时 也可
9、在仪器工作中运行,极大地方便了仪器的维护。 (3) 具有数据处理功能,这是智能仪表的主要优点之一。智能仪表由于采用了单片机或控制器， 使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题,现在可以用软件非常灵活地加以解决。 （4） 具有友好的人机对话能力。智能仪表使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只 需通过键盘输入命令,就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪表还通过显示屏将仪器的运行情 况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪表的操作更加方便直观。 (5) 具有可程控操作能力。一般智能仪表都配有 R232、RS8或现场总线等标准的通信接 口，可以很方便地与C 机和其他仪
10、器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统,来完成更复 杂的测试任务。 2 CAN 总线特点及其在智能仪表中的应用现状总线特点及其在智能仪表中的应用现状 目前，采用各种现场总线技术,如 HT、CAN、PROIBUS 等协议的网络化智能仪表已在 美国和欧洲等发达国家和地区发展迅速,并己有较多的应用范例。据 CiA 报道,2001 年欧洲市场销售 了 1 亿多个节点。国内的大学和一些公司也正致力于基于现场总线的系统开发。在汽车信号传输, 电力监控，楼宇智能化，工业测控，安防等领域有着广泛的应用。其中，CAN 总线是最有发展潜 力的一种，被誉为自动化领域的计算机局域网 。CN(ntrol Area
11、 Netwo）总线是德国 Bosch 公司为解决现代汽车中控制设备之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信协议,是一种 有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,适用于工业控制设备和监控设备的互连。它的主 要特点有： （1) AN 总线可以分为多主从方式，网络上任意节点均可主动向其它节点发送信息，而不分 主、从,因而通信方式灵活； (2) CA协议遵循 IS/OI 参考模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层; () 网络节点可按系统实时性要求分为不同的优先级，采用非破坏性逐位仲裁技术,一旦发生 总线冲突，可以大大节省总线冲突仲裁时间； () N 上的节点数实际可达 11个； （5）
12、AN 数据链路层采用短帧结构，每一帧为 8 个字节,易于纠错; (6) N 每帧信息都有RC 检验及其他检错措施，保证了数据通信的可靠性； (7) 通讯介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤,最高通信速率可达Mbps（传输距离0)。 13 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 在工业控制系统特别是机电及液压控制系统中，经常需要对各种模拟量或数字量进行测量，如 温度、湿度、转速、压力和流量等，以实现对整个系统的更好控制。同时,现代工业自动化系统发 展的趋势是使得现场仪表之间、现场仪表与控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双 向、多变量的数字通信，即现场总线技术的应用是目前国际自动化领域的
13、热点。因此本文主要研究 的内容就是以温度和湿度的测量为例，对工业控制系统中的模拟量和数字量的技术进行研究，并实 现测量结果显示功能，构成一个多点智能测量仪表。同时，结合现场总线技术,对智能仪表的 CN 总线接口技术进行一定的研究。 2 现场总线控制系统 .1 现场总线概述现场总线概述 现场总线技术是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展成果,是工业自动化事业发展 的需要，也是技术发展的必然。现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和设别之间构成网络互连系 统，实现全数字化、双向、多变量数字通信。 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串口多节点数字通信的系统,也 被称为开放式
14、、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的 自动化系统中具有广泛的应用前景。 现场总线将专用微处理器置入传统的测量控制仪表,使它们各自都具有了数字计算和数字通信 的能力，采用简单的双绞线或光缆等作为总线,把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、 规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间, 实现数据传输与信息交换,形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之,它是把单个分散的测 量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任 务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化
15、，正如众多分散的计算机被网络连接在一起,使 计算机的功能、作用发生的变化一样。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力,把它们连接 成网络系统,加入到信息网络的行列。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络,又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系 纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成网络系统,并进一步构成自动化系统,实现 基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是 一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 22 现场总线系统的特点现场总线系统的特点 .21 现场总线系统的结构特点现场总线系统的结构特点 现
16、场总线系统打破了传统控制系统的控制形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，控 制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执 行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备,能够把原先 DCS（DistibedControl ytem) 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场 的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算 机或控制仪表,直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上可传输多个信号，同时又为多个设备 提供电源；现场设备以外不在需要模拟/数字、数字/模拟转换器件。这样就为简化系统结构、节约 硬件设别、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 2.2.现场总线系统的技术特点现场总线系统的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： (1)系统的开放性; （2) 互可操作性与互用性。互可操作性，是指互连设备间、系统间的信息传送与沟通；互用 意味着不同生产厂家的性能类似
