基于CAN總線的分布式車間溫濕度檢測系統(tǒng)

摘要 闡述了一種基于CAN總線溫濕度檢測系統(tǒng)的方法，重點介紹了通信與溫濕度檢測部分的實現(xiàn)。該系統(tǒng)以PIC18F25K80單片機為主控器，選用集成溫度傳感器與濕度傳感器。高集成度的元器件使得項目開發(fā)周期大大縮短，經(jīng)試運行證實，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、通信距離遠的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞 CAN總線；PIC18225K80；溫濕度檢測

許多行業(yè)如紡織、卷煙、化工、食品加工等對生產(chǎn)車間的溫濕度都有一定的要求，其中有些企業(yè)往往需要一種能夠獨立于空調(diào)控制系統(tǒng)的車間溫濕度檢測系統(tǒng)。這種車間溫濕度檢測系統(tǒng)作為空調(diào)控制的一種冗余設(shè)計或者說輔助手段，成本往往相對較低。
溫濕度檢測系統(tǒng)作為一種應用廣泛的非標準化檢測系統(tǒng)，不同的設(shè)計者、不同的應用需求，使得目前此類檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案呈現(xiàn)出種類各異、五花八門的現(xiàn)象。文獻介紹了一種應用于蔬菜大棚的溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計，以P87LPC76x單片機作為主控器，能利用PID算法，通過控制執(zhí)行器加熱、加濕起到調(diào)節(jié)蔬菜大棚溫濕度的目的，該系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應用于吉林松原農(nóng)村蔬菜大棚，運行良好。文獻介紹了一種能應用于多種工業(yè)場合的溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)基于AT89C52單片機開發(fā)，能將傳感器采集到的溫濕度信號通過RS485網(wǎng)絡(luò)傳送至上位計算機，該系統(tǒng)簡單實用，具有良好的性價比。文獻介紹了一種應用于檢測安裝有中央空調(diào)的建筑物的內(nèi)部環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計，該檢澍裝置獨立于中央空調(diào)而工作，為評價中央空調(diào)運行質(zhì)量、調(diào)試空調(diào)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)基于16位單片機MSP430F開發(fā)，與PC機實時通信，能通過PC機設(shè)置數(shù)據(jù)采集器參數(shù)，并控制數(shù)據(jù)采集器工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)自主設(shè)計了兩種模塊電路：(1)檢測模塊。每一塊檢測模塊將被安裝于車間不同的地點，用于檢測車間內(nèi)不同位置的溫濕度，系統(tǒng)最多支持64個檢測模塊同時工作。(2)通信模塊。監(jiān)視計算機與各檢測模塊之間的通信“橋梁”，一個通信模塊含有4路通信通道，每1路通信通道可連接至1個計算機COM口，實現(xiàn)監(jiān)視計算機對檢測模塊的分組輪詢。
檢測模塊與通信模塊之間通過CAN總線通信。CAN(Controller Area Network)總線于1986年由德國BOSCH公司提出，是一種多主方式的串行通訊總線，最早用于汽車電路中，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展日趨完善，目前被廣泛應用于汽車、石油、化工、制造業(yè)等許多領(lǐng)域，被譽為“最有前途的總線技術(shù)之一”。選擇CAN總線，是因為CAN總線相比傳統(tǒng)的RS485總線優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在以下3點：(1)傳統(tǒng)的RS485總線僅有電氣協(xié)議，而CAN總線則具有完善的通信協(xié)議，易于開發(fā)。(2)傳統(tǒng)的RS485總線通信距離不超過1．5 km，而CAN總線的通信距離在5 kbit·s-1速率時最遠可達10 km。(3)傳統(tǒng)的RS485總線當系統(tǒng)有錯誤出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導致總線呈現(xiàn)短路從而損壞某些節(jié)點，而CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出的功能，不會影響到整個CAN總線。
在本系統(tǒng)中，通信模塊與COM口的串行通信速率成為整個系統(tǒng)的通信瓶頸，但仍然考慮使用計算機COM口采集數(shù)據(jù)而非專業(yè)接口卡，主要是出于對成本的考慮。為緩解系統(tǒng)瓶頸的考慮，計算機安裝了PCI轉(zhuǎn)RS-232串口擴展卡(SYBA 9865-4S)，將計算機串口擴充為4個，同時通信模塊設(shè)計了4個通信通道，平均每個通信通道能與最多16個檢測模塊進行分組通信，以加快數(shù)據(jù)更新速率。

由于通信模塊與計算機COM口采用RS232通信方式，理論上RS232通信距離為15 m，因此通信模塊與計算機之間必須保持在15 m以下，實際安裝1．5 m以內(nèi)，通信速率可保證在38．4 kbit·s-1下穩(wěn)定通信。

2 上位機監(jiān)視計算機程序的設(shè)計
計算機監(jiān)視程序采用C#2010開發(fā)控制臺程序，Access2010開發(fā)后臺數(shù)據(jù)庫。程序主要具有如下功能：(1)管理員與技術(shù)員二級用戶權(quán)限。(2)溫濕度警報上下限設(shè)定。(3)溫濕度歷史數(shù)據(jù)記錄。(4)溫濕度報表打印。
這里主要介紹監(jiān)視程序通信部分的程序設(shè)計思路：
(1)監(jiān)視程序可打開4個計算機COM口，根據(jù)設(shè)定的每個COM口輪詢的檢測模塊編號范匿向連接的COM口發(fā)送數(shù)據(jù)串并激活通信模塊輪詢各個檢測模塊，發(fā)送的數(shù)據(jù)串長度為5 Byte，如圖2所示，格式為：第1 Byte為“讀數(shù)據(jù)”命令字段，第2 Byte為與連接到COM口的通信通道所連接的第1個檢測模塊的站號，第3 Byte為與該通道所連接的最后1個檢測模塊的站號，第4個和第5 Byte為CRC校驗碼。

(2)通信模塊的每個通道主控器輪詢一遍所有與之相連接的檢測模塊之后，便主動向計算機返回一次數(shù)據(jù)，刷新監(jiān)視程序顯示的溫濕度數(shù)據(jù)，某通信通道返回的數(shù)據(jù)串長度由連接到該通信通道的檢測模塊數(shù)目而決定，當檢測模塊數(shù)目為n時，如圖3所示，格式為：第1 Byte為“讀數(shù)據(jù)”命令字段，監(jiān)視計算機通過第1 Byte可辨識此數(shù)據(jù)串為下位機返回數(shù)據(jù)，第2個到第3n+1 Byte為與該通信通道連接的所有檢測模塊返回的溫濕度數(shù)據(jù)，連續(xù)3 Byte為一組，記錄了單個檢測模塊的返回數(shù)據(jù)，第3n+2個和第3n+3 Byte為CRC校驗碼。