基于LPC2109的冷藏車CAN總線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計

引言

在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN（Controller Area Network）通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN即控制器局域網(wǎng)，它能有效支持高安全等級的分布實(shí)時控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用CAN。本文通過微控制器LPC2109的CAN功能接口，實(shí)現(xiàn)冷藏車溫度數(shù)據(jù)在CAN總線上的傳輸。

CAN總線的基本特征

CAN總線有如下基本特點(diǎn)：

廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境下使用；節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；可以點(diǎn)對點(diǎn)，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

CAN總線的優(yōu)點(diǎn)：

具有實(shí)時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；采用雙線串行通信方式，檢錯能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制；發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

硬件電路的設(shè)計方案

CAN總線接口芯片的選擇

目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類：一類是獨(dú)立的CAN控制器，如PCA82C200、SJAl000及等，另一類是帶有片上CAN的微控制器，如STM32F103、LPC2109等。設(shè)計選用PHILIPS（飛利浦）公司的LPC2109微控制器以及PCA82C250總線收發(fā)器。

LPC2109有8K的RAM空間和64K的Flash空間，足以燒寫和運(yùn)行CAN通訊代碼，工作溫度-40℃～+85℃，適合冷藏車的工作環(huán)境。因?yàn)長PC2109自帶高性能CAN通訊接口，省去了使用獨(dú)立CAN控制器的開銷。而且，相對于獨(dú)立的CAN控制器而言，LPC2109的CAN接口更加完善。在傳統(tǒng)的獨(dú)立CAN控制器SJA1000中，接收過濾只能滿足一些規(guī)律性較高的ID篩選過濾，或個數(shù)較少的ID（一般小于10～15個）進(jìn)行任意篩選過濾，難以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任意ID進(jìn)行篩選過濾，這無疑增加了系統(tǒng)軟件設(shè)計及運(yùn)行時負(fù)擔(dān)。LPC2109微控制器中為自身CAN控制器提供了全局的接收標(biāo)識符查詢功能。它包含一個512×32（2k字節(jié)）的RAM，通過軟件處理，可在RAM中存放1～5個標(biāo)識符表格。整個AFRM可容納1024個標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符或512個擴(kuò)展標(biāo)識符，或兩種類型混合的標(biāo)識符。由于允許的表格范圍有2k字節(jié)，所以能容易地滿足設(shè)計復(fù)雜ID接收過濾的要求。

總線收發(fā)器P C A 8 2 C 2 5 0是LPC2109微控制器和物理傳輸線路之間的接口，它們可以用高達(dá)1Mbit/s的位速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。最低-40℃的工作溫度決定它可以穩(wěn)定地工作在冷藏車中。

溫度采集芯片的選擇

設(shè)計選用DALLAS（達(dá)拉斯）公司的DS18B20溫度傳感器，測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃，適合冷凍庫等測溫環(huán)境使用。DS18B20擁有獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

硬件設(shè)計原理框圖

硬件設(shè)計原理框圖參見圖1。

軟件設(shè)計方案

溫度采集程序設(shè)計

DS18B20在使用前需要初始化，根據(jù)芯片的時序特點(diǎn)，通過復(fù)位和置位芯片引腳，編寫初始化函數(shù)Init_DS18B20( )，讀函數(shù)unsigned char ReadOneChar( )以及寫函數(shù)WriteOneChar(unsigned char dat)。

在初始化完成后，微控制器向溫度傳感器DS18B20發(fā)送啟動溫度轉(zhuǎn)換命令0x44可以啟動溫度采集，再通過

CAN功能的初始化

通過對相關(guān)寄存器的訪問和修改，設(shè)置CAN通訊波特率，CAN驗(yàn)收濾波方式，錯誤警告邊界以及CAN通訊的中斷處理方式，初始化完成之后，LPC2109的CAN模塊進(jìn)入工作模式。在初始化的過程中用到的寄存器有工作模式寄存器CANMOD，中斷使能寄存器CANIER，總線時序寄存器CANBTR，出錯警告邊界寄存器CANEWL，命令寄存器CANCMR等。因?yàn)樾枰獙偩€上的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，需要設(shè)置在驗(yàn)收過濾RAM中設(shè)置需要接收的節(jié)點(diǎn)ID號。初始化流程圖如圖2所示。

CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

接收程序是通過CAN接收中斷來實(shí)現(xiàn)的，中斷的設(shè)置在初始化中完成。當(dāng)接收到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)時，觸發(fā)CAN接收中斷，LPC2109開始處理中斷服務(wù)子程序，只需從接收緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)。通過分析該數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)是一個節(jié)點(diǎn)發(fā)出的讀取冷藏車溫度的命令，那么微控制器將啟動溫度傳感器DS18B20的溫度采集函數(shù)，并將該函數(shù)的返回值通過CAN數(shù)據(jù)發(fā)送程序發(fā)送給對應(yīng)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)發(fā)送程序?qū)⑷〕龅臏囟戎到M信息幀，將信息幀發(fā)送到CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)中，同時把LPC2109的CAN節(jié)點(diǎn)ID地址，填入發(fā)送幀信息寄存器中。最終通過置位命令寄存器CANCMR中的相應(yīng)位，啟動CAN緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送。

結(jié)語

基于LPC2109的冷藏車CAN總線溫度采集系統(tǒng)將具有高可靠性和良好錯誤檢測能力的CAN總線用于冷藏車的溫度采集上，極大地提高了當(dāng)前冷藏車在溫度采集上的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，另外，由于LPC2109微控制器自身集成CAN控制器，不用再選擇獨(dú)立CAN控制器，大大降低了硬件成本。

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