基于CAN總線的智能微噴灌監(jiān)控系統(tǒng)中下位機(jī)的硬件電路組成與設(shè)計(jì)

康兵

摘要：該文重點(diǎn)闡述了基于CAN總線的智能微噴灌監(jiān)控系統(tǒng)中下位機(jī)（智能節(jié)點(diǎn)）的硬件電路組成與設(shè)計(jì)。從系統(tǒng)功能要求出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的按鍵電路、I/O接口電路、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)采集電路、存儲(chǔ)電路以及輸入輸出控制電路等進(jìn)行方案選擇，進(jìn)而確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并按成本核算、可靠程度、功耗等設(shè)計(jì)原則，分別設(shè)計(jì)基于STC89C52微處理器和SJA1000芯片的CAN總線適配控制器的數(shù)據(jù)采集的模塊、控制執(zhí)行模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的硬件系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：微噴灌監(jiān)控系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；CAN總線

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）10-0244-02

Abstract：This article expounds the CAN bus based intelligent monitor and control system for micro spray irrigation （lower machine （intelligent node） composition and design of hardware circuit. Set out from the system function requirement， the system of key circuit， I/O interface circuit， clock circuit， data acquisition circuit， storage circuit and I/O control circuit of scheme selection， and then determine the overall structure of system， and according to the cost accounting， reliability， power consumption， such as design principles， design based on STC89C52 microprocessor and SJA1000 chips CAN bus adapter controller of the data acquisition module， control module and data processing module of the hardware system.

key words： micro irrigation monitoring system； hardware design； CAN bus

CAN總線是聯(lián)接上位機(jī)與下位機(jī)（各智能節(jié)點(diǎn)）的網(wǎng)絡(luò)信媒介。智能節(jié)點(diǎn)主要用于接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信息，總線網(wǎng)絡(luò)接發(fā)器的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力限制了所有智能節(jié)點(diǎn)均須聯(lián)接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)CAN總線體系，才能達(dá)到控制基本功能，本文將這種體系稱為功能模塊。

1 硬件方案的確定

目前，CAN總線的接口電路的主要有兩種：一是帶片內(nèi)CAN控制器MCU；另一種則是選擇合適的MCU及獨(dú)立的CAN總線控制器。使用MCU進(jìn)行接口電路設(shè)計(jì)，能大大降低外部電路的復(fù)雜性，增加電路的緊湊性，電路板的制作也較為簡單。但與一般的微控制器比較，其設(shè)計(jì)的靈活性較低，成本則相對(duì)較高。

如選用合適的MCU及獨(dú)立CAN控制器的設(shè)計(jì)方法，電路設(shè)計(jì)可能比較復(fù)雜，但電路設(shè)計(jì)的靈活性增強(qiáng)，常用的MCU基本都能夠滿足CAN控制器電路接口的設(shè)計(jì)需求。本系統(tǒng)采用獨(dú)立MCU與CAN控制器設(shè)計(jì)方案，其中微處理器選用STC公司生產(chǎn)的STC89C52。能大大降低外部電路的復(fù)雜性，增加電路的緊湊性，電路板的制作也較為簡單。但與一般的微控制器比較，大大降低了其設(shè)計(jì)的靈活性，加之此種有CAN控制器的MCU的成本相對(duì)較高。由于CAN總線驅(qū)動(dòng)是CAN控制與物理總線間的連接接口，是決定整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素之一，所以CAN總線控制器則選用PHILIPS公司生產(chǎn)的目前市場常用的SJA1000作為上、下位機(jī)的通訊媒介?？偩€驅(qū)動(dòng)器選用市場上常見的、性價(jià)比相對(duì)較高的PCA82C250。

2 CAN總線接口電路

3 其他接口電路的設(shè)計(jì)

3.1 LED顯示接口電路

單片機(jī)系統(tǒng)中主要的顯示器是七段數(shù)碼發(fā)光二極管（LED數(shù)碼管）顯示器、LCD液晶顯示器和CRT圖形顯示器。從價(jià)格、功耗、使用壽命等方面考慮，七段數(shù)碼發(fā)光二極管顯示器用得最多。根據(jù)本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)控制器也是選取最常用的七段數(shù)碼發(fā)光二極管（LED數(shù)碼管）顯示器（簡稱數(shù)碼管顯示器），來顯示并操作修改控制系統(tǒng)的各種參數(shù)及各種控制數(shù)據(jù)。

3.2 按鍵輸入電路

系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置或顯示屏幕的切換是通過一個(gè)由五個(gè)按鍵組成的簡易獨(dú)立式鍵盤來完成。五個(gè)按鍵分別表示上、下、左、右，設(shè)置/運(yùn)行，按鍵與單片機(jī)的連接采用非編碼按鍵接口，五個(gè)按鍵分別與89C52的P1.0—P1.4口相連接，并通過對(duì)各接口高低電平來識(shí)別并判斷是否有某個(gè)按鍵被按下，同時(shí)也能判斷該按鍵被按下的次數(shù)，以便執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3.3 復(fù)位電路接口的設(shè)計(jì)

為了確保中央處理器和系統(tǒng)所有部件均能夠處于確定的初始化狀態(tài)，STC89 C52單片機(jī)在啟動(dòng)前需要復(fù)位，使CPU及其他部件均恢復(fù)至一定的初始狀態(tài)下，通過復(fù)位處理后，即可從初始化狀態(tài)開始運(yùn)行工作。AT89C52可以通過手動(dòng)按鍵和上電自動(dòng)電路進(jìn)行復(fù)位，本系統(tǒng)通過對(duì)電解電容器（22μF）的充電來實(shí)現(xiàn)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與系統(tǒng)部件的初始狀態(tài)。

3.4 輸出驅(qū)動(dòng)電路

本控制系統(tǒng)輸出驅(qū)動(dòng)電路為四路12伏的繼電器驅(qū)動(dòng)電路。其中四路繼電器輸出接8155的PB0-PB3引腳。另外，為了提高控制的系統(tǒng)抗干擾力，本系統(tǒng)在繼電器與單片機(jī)的輸出口間利用光耦來實(shí)現(xiàn)隔離功能，這使控制系統(tǒng)能持續(xù)工作，采用12伏、5伏雙電源供電系統(tǒng)。

3.5 時(shí)鐘電路接口的設(shè)計(jì)

單片機(jī)以時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)控制各部件有條不紊地工作，單片機(jī)的運(yùn)算速度受時(shí)鐘頻率直接影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性則受時(shí)鐘電路的質(zhì)量影響。本系統(tǒng)中把該放大器同片外石英晶體作為自激振蕩器。XTAL1和XTAL2分別與單片機(jī)的XTAL1、XTAL2引腳相連，外接石英晶體和電容器C1、C2組成諧振并聯(lián)電路，連接在反饋回路中。外接電容器一般取30PF。

4 系統(tǒng)總電路設(shè)計(jì)

CAN總線的控制器SJA1000的AD0～AD7與AT89C52的P0口對(duì)應(yīng)聯(lián)接，AT89C52的P2.7口與取反片選端CS連接。P2.7為高電平1時(shí)，CPU根據(jù)相應(yīng)地址選中SJA1000，并該這些地址對(duì)相應(yīng)的SJA1000執(zhí)行讀寫操作。終端信號(hào)的輸出端為SJA1000 的INT口，中斷時(shí)，INT高電平向低電平跳變，由于它與AT89C52的外部中斷輸入腳INT0相連，從而可通過中斷的方式使得AT89C52訪問SJA1000。采用光耦6N137主要是為增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)抗干擾力，避免將AT89C52的 RXD和TXD直接與RX0和TX0相連，SJA1000通過高速光耦6N137與AT89C52相連，實(shí)現(xiàn)CAN總線節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。AT89C52的CANL和CANH引腳通過串聯(lián)電阻與總線相連，電阻的限流作用保護(hù)AT89C52不受過流的沖擊，總線上的高頻干擾利用并聯(lián)電容過濾，避免電磁輻射。

5 小結(jié)

通過對(duì)設(shè)計(jì)CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟硬件， STC89C52單片機(jī)作為微處理控制器，配合CAN總線控制器SJA1000組成的下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊的智能節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采取光電隔離的措施來增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，保證CAN總線網(wǎng)絡(luò)的工作穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Howell C J，Phene T A.Soil sensor control of high-frequency irrigation systems.Trans[J].ASAE， 1984，27（2） ：392-396

[2] Al-Ajlouni M G，Vanleeuwen D M，St Hilaire RPerformance of weather-based residential irrigation controllers in a desert environment[J].Journal American Water Works Assocition，2012，104（12）：29-30.

[3] 張維勇，時(shí)偉，王春艷.星型CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)的研究與設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（6）：871-874.

[4] 張舒哲，葉樺，冒建亮，等.基于CAN總線的智能噴灌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44（7）：292-296.

[5] 趙炯，唐強(qiáng)，鄭晟，等.節(jié)能定時(shí)電磁閥控制電路的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)電一體化，2010（7）： 24-26.

[6] 高玉芹.基于ZigBee和模糊控制決策的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].節(jié)水灌溉，2010（8）：52-55.

[7] Yun-zhou Zhang，Cheng-dong WU，Liang Jin，Le-ping Zhang.Design of Inteligent Illumination Control System Based on CAN Bus[J].Control Engineering of China，2008（15）：182-184.

[8] 周立功，黃小青，嚴(yán)寒亮，等.現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：14-26.

[9] 韓偉鋒，李彥明，劉成良，等.溫室微噴灌恒壓組態(tài)輪灌自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，36（20）：222-224.