STM32和CAN總線在溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 - 全文

 引言

　　現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域通常要測(cè)量很多信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制信號(hào)，并利用計(jì)算機(jī)監(jiān)視和記錄各種測(cè)量的信號(hào)。這個(gè)過(guò)程就要涉及到信號(hào)的采集和處理。CAN總線是一種串行多主總線，它卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。本文介紹了基于STM32和CAN總線的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

　　1 系統(tǒng)總體方案概述

　　系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，本系統(tǒng)采用主站+從站的結(jié)構(gòu)，CAN主站主要實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及CAN總線協(xié)議和串口協(xié)議之間的橋接，CAN 從站主要實(shí)現(xiàn)溫度的采集。CAN從站采集的溫度，經(jīng)過(guò)CAN總線傳送到CAN主站，主站將各從站的溫度值傳送到系統(tǒng)上位機(jī)中。上位機(jī)對(duì)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示并進(jìn)行存儲(chǔ)，上位機(jī)可以設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)設(shè)定值的時(shí)候，上位機(jī)發(fā)出報(bào)警聲。在沒(méi)有上位機(jī)的場(chǎng)合，主站將數(shù)據(jù)以文本文檔的形式存儲(chǔ)在主站的SD卡中。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 CAN主站硬件設(shè)計(jì)

　　主站電路如圖2所示，主要有電源模塊、STM32模塊、CAN收發(fā)器模塊、RS232串口模塊和SD卡模塊。

　　其中STM32模塊由STM32F103RBT6和周邊時(shí)鐘、復(fù)位、調(diào)試等組成。電源模塊由外部輸入+5V電壓，經(jīng)線性壓降A(chǔ)MS1117-3.3V后供 STM32使用。CAN收發(fā)器模塊采甩NXP的高速收發(fā)器TJA1040，TJA1040是PCA82C250的替代品，它完全符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)，具有高速、低功耗、低電磁輻射的優(yōu)點(diǎn)。RS232電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3232，它具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率以及增強(qiáng)型ESD保護(hù)等特性。采用專有的低壓差發(fā)送輸出級(jí)，+3.0 V至+5．5V供電時(shí)利用內(nèi)部雙電荷泵保證RS-232性能。工作時(shí)，電荷泵僅需要四個(gè)100 nF的小電容。SD卡模塊采用四線制SPI總線與SD卡相連接。

　　2．2 CAN從站硬件設(shè)計(jì)

　　從站電路如圖3所示，主要有電源模塊、STM32模塊，CAN收發(fā)器模塊，PT100模塊和從站地址選擇模塊。

　　其中電源模塊、STM32模塊和CAN收發(fā)器模塊與CAN主站相同。PT100模塊，采用傳感器測(cè)量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過(guò)TL431穩(wěn)至2．5V。從電橋獲取的差分信號(hào)通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入STM32的AD輸入口。從站地址選擇模塊由8位撥碼開關(guān)組成，連接到 STM32 I／O的PC6-PC13。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件由CAN主站軟件、從站軟件以及Delphi上位機(jī)軟件構(gòu)成。其中CAN主站和從站程序用C語(yǔ)言編寫，上位機(jī)程序用Obieet Pascal編寫。

　　3．1 CAN主站軟件設(shè)計(jì)

　　CAN主站的功能是發(fā)送遠(yuǎn)程幀向從站查詢數(shù)據(jù)、通過(guò)AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算芯片內(nèi)部溫度傳感器的溫度值、接收從站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀、發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到上位機(jī)或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到SD卡。CAN主站程序如圖4所示。

　　寫SD卡部分程序流程圖如圖5所示，SD卡部分主要用到了移植的FATFS文件系統(tǒng)提供的訪問(wèn)FAT卷的應(yīng)用接口(Application Interface)。主要用到了以下函數(shù)：

　　·f_mount-注冊(cè)／注銷一個(gè)工作區(qū)域

　　·f_open-打開／創(chuàng)建一個(gè)文件

　　·f_close-關(guān)閉一個(gè)文件

　　·f_lseek-移動(dòng)／寫指針，擴(kuò)展文件大小

　　·f_puts-寫字符串

　　·f_printf-寫一個(gè)格式化字符串

　　3．2 CAN從站軟件設(shè)計(jì)

　　CAN從站的主要功能是通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器檢測(cè)PT100電橋的差分輸出電壓，然后計(jì)算得出此節(jié)點(diǎn)的溫度值，最后通過(guò)CAN總線傳送給CAN主站。其中只有在 CAN從站收到與自己節(jié)點(diǎn)號(hào)相同的主站發(fā)送的遠(yuǎn)程幀的時(shí)候，從站CAN控制器才發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)幀。CAN從站程序流程圖如圖6所示。

　　3．3 Delphi上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　本上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)了五個(gè)功能：實(shí)時(shí)曲線顯示當(dāng)前各從節(jié)點(diǎn)的溫度；打印實(shí)時(shí)曲線；將實(shí)時(shí)曲線保存為圖片；將實(shí)時(shí)曲線的數(shù)據(jù)保存為TXT文檔以及實(shí)時(shí)溫度超過(guò)報(bào)警值時(shí)報(bào)警。

　　本系統(tǒng)上位機(jī)串口通訊控件采用SPCOMM，該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，支持多線程；提供了對(duì)串口的各種操作。圖形控件采用TChart，TCharc是Delphi里面一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形顯示控件。它可以靜態(tài)設(shè)計(jì)(At Design Time)也可以動(dòng)態(tài)生成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的版本為TeeChart 7；實(shí)時(shí)曲線部分流程圖如圖7所示。上位機(jī)程序完成后界面如圖8所示。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了基于STM32和CAN總線的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，初步實(shí)驗(yàn)證明，上述的硬件及軟件設(shè)計(jì)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)適用于多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離的場(chǎng)合，并具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高的特點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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