论基于CAN总线与以太网互联的实时温度和湿度监控系统的研究与设.docx

论基于CAN总线与以太网互联的实时温度和湿度监控系统的研究与设

CAN(Controllerareanetwork)即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先CAN-bus被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载的各电子控制装置(ECU)之间交换信息形成汽车电子控制网络。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN-bus已被广泛应用于各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN-bus。例如，在自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域，CAN-bus都具有不可比拟的优越性。工业控制系统的分布化、智能化、信息化发展，要求企业从现场控制层到管理层实现全面无缝信息集成。工业以太网满足这一要求，实现了工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，成为控制网络发展的主要方向，为全分散智能控制网络系统实现远程控制提供了可能[1]。本文作者主要介绍基于CAN总线与以太网互联的实时温度、湿度监控系统，从而实现监控设备的网络化和智能化。1系统介绍1.1CAN总线与互联网互联的发展状况CAN总线是一种有效支持分布式控制的串行通信网络，是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而设计的一种串行数据通信协议，历经技术规范2.0A和2.0B后已形成CAN国际标准(ISO11898)。CAN遵循OSI模型，按照OSI基准模型，CAN机构分为2层：数据链路层和物理层。按照IEEE802.2和802.3标准，数据链路层又划分为逻辑链路控制层(LLC)和媒体访问控制层(MAC);物理层又划分为物理信令层(PLS)、物理媒体附属装置层(PMA)和媒体相关接口层(MDI)。由于CAN具有独特的优点，使得它在工业领域中得到广泛应用。目前，基于CAN总线获得广泛应用的应用层协议有DeviceNet和CANOpen等。CAN具有以下主要特点[2]：(1)CAN为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点送信息，而不分主从;(2)在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求;(3)CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间;(4)CAN节点只需通过对报文标识符滤波即可实现点对点、一对多点及全局广播几种方式传送接收数据;(5)CAN报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低;(6)CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。现场总线网络与工业以太网的结合使得企业的管理可以深入到测控现场，在这种互联方式下，由以太网构建信息网，通过两者的有机联接，从而构成一个中型/大型的远程监控/数据传输网络[3]。1.2系统架构系统由温度、湿度测控器、CAN以太网通信转换器、服务器和客户端组成，如图1所示。温度、湿度测控器主要负责现场温度、湿度数据的采集、处理、控制、显示、报警以及通过CAN总线与通信转换器进行数据交换。CAN、以太网通信转换器主要负责CAN总线数据的发送和接收，并将CAN的数据通过局域网发送到服务器上。服务器负责监控结果数据的存储和报表的存储，同时，向客户端提供访问服务。客户端通过浏览器上因特网访问服务器上的数据并进行通信和控制。2硬件设计温度、湿度测控器主要分为数据采集、控制和CAN总线通讯3部分温度、湿度测控器的温度、湿度传感器采用瑞士图2温度、湿度测控器的硬件框图Fig.2StructureoftemperatureandhumiditycontrollerSENSIRION公司的SHT10，传感器包括1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件，并与1个14位A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。SHT10具有超快响应、抗干扰能力强等优点。每个SHT10传感器都在极精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。温度、湿度测控器的MCU采用微芯公司的PIC18F2580，它是整个温度、湿度测控器的运算控制单元，它采用16位的RISC指令系统、哈佛总线结构、两级流水线取指等技术，具有32KB快闪存内存、4KB的RAM、片内看门狗、内部EEPROM、CAN控制器等丰富的片内资源，抗抗干扰性能强，功耗低，速度高[4]。PIC18F2580主要负责数据采集与控制，并与通信转换层适配器进行实时CAN总线数据的通信。CAN与以太网通信转换层硬件框图如图3所示，它的处理器采用NXP公