基于CAN總線的灌區(qū)低功耗溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許燕+屈寶鵬

摘 要： 由于灌區(qū)自然環(huán)境惡劣，觀測(cè)點(diǎn)多且布局分散。為了分析灌區(qū)水量調(diào)配對(duì)溫濕度監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于CAN總線和MSP430單片機(jī)相結(jié)合的低功耗溫濕度采集系統(tǒng)。溫濕度信號(hào)采集采用SHT10數(shù)字溫濕度傳感器，通過SPI總線技術(shù)與控制器進(jìn)行通信，并引進(jìn)CAN總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的傳輸。相比其他總線技術(shù)，CAN總線具有抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)的傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中擬采用Microchip公司生產(chǎn)帶SPI接口的CAN控制器MCP2515為CAN通信模塊。

關(guān)鍵詞： CAN總線； MSP430單片機(jī)； SHT10； 數(shù)據(jù)采集； 低功耗

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0105?03

Design of temperature and humidity data acquisition system with low power consumption for irrigated area based on CAN bus

XU Yan， QU Bao?peng

（Shaanxi Institute of Technology， Xian 710300， China）

Abstract： Due to the harsh natural environment in irrigated area， there are many observation points and the distribution is scattered， to analyze the requirements of water allocation for temperature and humidity monitoring， a temperature and humidity data acquisition system with low power consumption based on the combination of CAN bus and MSP430 microcontroller is designed and developed. The temperature and humidity signal is collected by using SHT10 digital temperature and humidity sensor， and communicates with the controller through SPI bus technology. CAN bus communication technology is introduced to realize the terminal data transmission. Compared to other bus technologies， CAN bus has the advantages of strong anti?interference ability， high data transmission rate， long transmission distance， high stability and low price. CAN controller MCP2515 with SPI interface of the Microchip is adopted as CAN communication module in the design.

Keywords： CAN bus； MSP430 singlechip； SHT10； data acquisition； low power consumption

0 引 言

灌區(qū)內(nèi)作物的良好生長(zhǎng)發(fā)育依賴于適宜的溫濕度條件，合適的溫濕度變化能夠?yàn)楣鄥^(qū)作物提供充足的能量促進(jìn)其健康生長(zhǎng)。因此，在灌區(qū)內(nèi)對(duì)溫濕度進(jìn)行適時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量具有重要意義。由于灌區(qū)自然環(huán)境惡劣，觀測(cè)點(diǎn)多且布局分散，而CAN總線具有抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)的傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一種基于CAN總線的低功耗溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的低功耗MSP430單片機(jī)作為核心處理器，以瑞士Sensirion公司推出的新一代基于CMOSensTM技術(shù)的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT10對(duì)溫濕度進(jìn)行采集處理，通過CAN總線穩(wěn)定地將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)上，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)包括觀測(cè)節(jié)點(diǎn)單元、CAN適配卡及上位機(jī)三部分。灌區(qū)溫濕度采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 溫濕度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中觀測(cè)節(jié)點(diǎn)單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其包括溫濕度傳感器模塊、主控單元以及CAN通信模塊。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)單元由微控制器MSP430F169控制，采集處理溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)并通過CAN通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通信模塊包括CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器PCA82C250，負(fù)責(zé)通過MCP2515與MSP430F169進(jìn)行基于CAN總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

圖2 觀測(cè)節(jié)點(diǎn)單元結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度測(cè)量

本設(shè)計(jì)選用表面貼片式濕度傳感器SHT10，由于其具有兩線制串行接口，可將MSP430F169直接與其相連，通過MSP430F169自身編程來完成相關(guān)的非線性補(bǔ)償計(jì)算。具體硬件連接如圖3所示。

另外，SHT10的溫度最大（默認(rèn)）測(cè)量精度及最小測(cè)量精度分別為14位和12位，濕度的最大（默認(rèn)）測(cè)量精度及最小測(cè)量精度分別為12位和8位，用戶可根據(jù)需求通過修改其狀態(tài)寄存器來更改溫濕度測(cè)量精度[1]。

圖3 SHT10與MSP430F169硬件連接圖

2.2 微處理器MSP430F169及通信模塊設(shè)計(jì)

MSP430F169是美國(guó)德州儀器（TI）公司推出的一款16位超低功耗、具有RISC（精簡(jiǎn)指令集）的微控制器。與其他類型的單片機(jī)相比，其高性能的處理能力及超低功耗的特點(diǎn)十分適合本設(shè)計(jì)中對(duì)微控制器選型的要求[2]。

本設(shè)計(jì)CAN通信模塊選用CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器PCA82C250。其與微控制器MSP430F169、CAN總線之間的電路連接如圖4所示。

MSP430F169通過差分放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校正等處理后，將溫濕度數(shù)據(jù)通過SPI接口寫入MCP2515的發(fā)送緩存器中，然后再通過SPI接口訪問MCP2515控制寄存器來啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送，即可將數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線上[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

單個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)單元的主程序設(shè)計(jì)擬采用模塊化程序設(shè)計(jì)方式，其主要由微控制器MSP430F189與CAN控制器MCP2515的初始化、SHT10溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊及CAN通信模塊三部分構(gòu)成。該灌區(qū)低功耗溫濕度采集系統(tǒng)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如5所示。

3.1 MSP430F169端溫濕度采集

MSP430F169端溫濕度采集編程要點(diǎn)如下：

int_clk（）；

SVCC_H；

S_Connectionreset（）；

S_WriteStatusReg（（unsigned char *）&RegCMD）；

while（1）

{

error=0；

error+=S_Measure（（unsigned char*） &humi_val.i，&checksum，HUMIDITY）； //測(cè)量濕度

error+=S_Measure（（unsigned char*） &temp_val.i，&checksum，TEMPERATURE）； //測(cè)量溫度

if（error！=0）

S_Connectionreset（）；

{

templow=（humi_val.i&0xff00）；

humi_val.i=templow>>8；

temphigh=（（temp_val.i&0xf）<<8）；

templow=（（temp_val.i&0xff00）>>8）；

temp_val.i=temphigh+templow；

humi_val.f=（float）humi_val.i； //轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)

temp_val.f=（float）temp_val.i； //轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)

S_Calculate（&humi_val.f，&temp_val.f）； //計(jì)算溫濕度

}

}

圖5 觀測(cè)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

3.2 MSP430F169端SPI端口初始化

MSP430F169端SPI端口初始化程序如下：

void InitSPI（）

{

U1CTL|=CHAR+SYNC+MM；//8位數(shù)據(jù)，SPI模式，主機(jī)模式

U1TCTL|=SSEL1+SSEL0+STC+CKPL；//時(shí)鐘為SMCLK，3線模式

U1BR0=0x08； //SMCLK 8分頻

U1BR1=0x00；

U1MCTL=0x00；

ME2|=USPIE1； //打開SPI1模塊

P5SEL|=BIT1+BIT2+BIT3； //P5.1 P5.2 P5.3設(shè)置為SPI口

UCTL1&=～SWRST；

}

3.3 主程序

主程序如下：

void main（）{

uchar Buf[1]；

InitClock（）； //初始化時(shí)鐘

InitPort（）； //初始化端口

InitSPI（）； //初始化SPI

MCP2510_Init（）； //MCP2510初始化

CH452_Init（）； //初始化CH452

LcdInit（）； //Lcd初始化

_EINT（）； //打開中斷

while（1）{

if（KeyValue！=0xFF）{

Buf[0]=KeyValue；

SendData（0x0000，Buf，1）；

//發(fā)鍵值到地址0x0000的節(jié)點(diǎn)

KeyValue=0xFF；

}

}

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)在灌區(qū)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的遠(yuǎn)距離的溫濕度采集。在實(shí)際的電路測(cè)試過程中，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作電流≤6 mA，由此可見這種低功耗的溫度采集系統(tǒng)使電池供電成為可能。

由于CAN總線的工作方式為多主類型，因此系統(tǒng)中的每個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)即插即拔的操作，用戶可根據(jù)實(shí)際需要還可增加其他氣象因素的監(jiān)測(cè)，比如降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向以及光照量等。從而方便用戶對(duì)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，提高了灌區(qū)低功耗溫濕度采集系統(tǒng)的可操作性和穩(wěn)定性 [4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 匡宇國(guó).智能傳感器SHT11及其在便攜式溫濕度檢測(cè)儀中的應(yīng)用[J].電子器件，2006（4）：1312?1315.

[2] 秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 許燕.基于CAN總線的灌區(qū)氣象數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[4] 毛春奎，張穎超.基于CAN總線的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009.

[5] 劉培國(guó)，周希偉，劉志勇.CAN總線智能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（18）：44?46.

[6] 周素琴，楊曉京.基于單片機(jī)的烤煙房多點(diǎn)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（21）：109?111.

另外，SHT10的溫度最大（默認(rèn)）測(cè)量精度及最小測(cè)量精度分別為14位和12位，濕度的最大（默認(rèn)）測(cè)量精度及最小測(cè)量精度分別為12位和8位，用戶可根據(jù)需求通過修改其狀態(tài)寄存器來更改溫濕度測(cè)量精度[1]。

圖3 SHT10與MSP430F169硬件連接圖

2.2 微處理器MSP430F169及通信模塊設(shè)計(jì)

MSP430F169是美國(guó)德州儀器（TI）公司推出的一款16位超低功耗、具有RISC（精簡(jiǎn)指令集）的微控制器。與其他類型的單片機(jī)相比，其高性能的處理能力及超低功耗的特點(diǎn)十分適合本設(shè)計(jì)中對(duì)微控制器選型的要求[2]。

本設(shè)計(jì)CAN通信模塊選用CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器PCA82C250。其與微控制器MSP430F169、CAN總線之間的電路連接如圖4所示。

MSP430F169通過差分放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校正等處理后，將溫濕度數(shù)據(jù)通過SPI接口寫入MCP2515的發(fā)送緩存器中，然后再通過SPI接口訪問MCP2515控制寄存器來啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送，即可將數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線上[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

單個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)單元的主程序設(shè)計(jì)擬采用模塊化程序設(shè)計(jì)方式，其主要由微控制器MSP430F189與CAN控制器MCP2515的初始化、SHT10溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊及CAN通信模塊三部分構(gòu)成。該灌區(qū)低功耗溫濕度采集系統(tǒng)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如5所示。

3.1 MSP430F169端溫濕度采集

MSP430F169端溫濕度采集編程要點(diǎn)如下：

int_clk（）；

SVCC_H；

S_Connectionreset（）；

S_WriteStatusReg（（unsigned char *）&RegCMD）；

while（1）

{

error=0；

error+=S_Measure（（unsigned char*） &humi_val.i，&checksum，HUMIDITY）； //測(cè)量濕度

error+=S_Measure（（unsigned char*） &temp_val.i，&checksum，TEMPERATURE）； //測(cè)量溫度

if（error！=0）

S_Connectionreset（）；

{

templow=（humi_val.i&0xff00）；

humi_val.i=templow>>8；

temphigh=（（temp_val.i&0xf）<<8）；

templow=（（temp_val.i&0xff00）>>8）；

temp_val.i=temphigh+templow；

humi_val.f=（float）humi_val.i； //轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)

temp_val.f=（float）temp_val.i； //轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)

S_Calculate（&humi_val.f，&temp_val.f）； //計(jì)算溫濕度

}

}

圖5 觀測(cè)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

3.2 MSP430F169端SPI端口初始化

MSP430F169端SPI端口初始化程序如下：

void InitSPI（）

{

U1CTL|=CHAR+SYNC+MM；//8位數(shù)據(jù)，SPI模式，主機(jī)模式

U1TCTL|=SSEL1+SSEL0+STC+CKPL；//時(shí)鐘為SMCLK，3線模式

U1BR0=0x08； //SMCLK 8分頻

U1BR1=0x00；

U1MCTL=0x00；

ME2|=USPIE1； //打開SPI1模塊

P5SEL|=BIT1+BIT2+BIT3； //P5.1 P5.2 P5.3設(shè)置為SPI口

UCTL1&=～SWRST；

}

3.3 主程序

主程序如下：

void main（）{

uchar Buf[1]；

InitClock（）； //初始化時(shí)鐘

InitPort（）； //初始化端口

InitSPI（）； //初始化SPI

MCP2510_Init（）； //MCP2510初始化

CH452_Init（）； //初始化CH452

LcdInit（）； //Lcd初始化

_EINT（）； //打開中斷

while（1）{

if（KeyValue！=0xFF）{

Buf[0]=KeyValue；

SendData（0x0000，Buf，1）；

//發(fā)鍵值到地址0x0000的節(jié)點(diǎn)

KeyValue=0xFF；

}

}

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)在灌區(qū)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的遠(yuǎn)距離的溫濕度采集。在實(shí)際的電路測(cè)試過程中，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作電流≤6 mA，由此可見這種低功耗的溫度采集系統(tǒng)使電池供電成為可能。

由于CAN總線的工作方式為多主類型，因此系統(tǒng)中的每個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)即插即拔的操作，用戶可根據(jù)實(shí)際需要還可增加其他氣象因素的監(jiān)測(cè)，比如降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向以及光照量等。從而方便用戶對(duì)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，提高了灌區(qū)低功耗溫濕度采集系統(tǒng)的可操作性和穩(wěn)定性 [4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 匡宇國(guó).智能傳感器SHT11及其在便攜式溫濕度檢測(cè)儀中的應(yīng)用[J].電子器件，2006（4）：1312?1315.

[2] 秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 許燕.基于CAN總線的灌區(qū)氣象數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[4] 毛春奎，張穎超.基于CAN總線的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009.

[5] 劉培國(guó)，周希偉，劉志勇.CAN總線智能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（18）：44?46.

[6] 周素琴，楊曉京.基于單片機(jī)的烤煙房多點(diǎn)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（21）：109?111.

另外，SHT10的溫度最大（默認(rèn)）測(cè)量精度及最小測(cè)量精度分別為14位和12位，濕度的最大（默認(rèn)）測(cè)量精度及最小測(cè)量精度分別為12位和8位，用戶可根據(jù)需求通過修改其狀態(tài)寄存器來更改溫濕度測(cè)量精度[1]。

圖3 SHT10與MSP430F169硬件連接圖

2.2 微處理器MSP430F169及通信模塊設(shè)計(jì)

MSP430F169是美國(guó)德州儀器（TI）公司推出的一款16位超低功耗、具有RISC（精簡(jiǎn)指令集）的微控制器。與其他類型的單片機(jī)相比，其高性能的處理能力及超低功耗的特點(diǎn)十分適合本設(shè)計(jì)中對(duì)微控制器選型的要求[2]。

本設(shè)計(jì)CAN通信模塊選用CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器PCA82C250。其與微控制器MSP430F169、CAN總線之間的電路連接如圖4所示。

MSP430F169通過差分放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校正等處理后，將溫濕度數(shù)據(jù)通過SPI接口寫入MCP2515的發(fā)送緩存器中，然后再通過SPI接口訪問MCP2515控制寄存器來啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送，即可將數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線上[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

單個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)單元的主程序設(shè)計(jì)擬采用模塊化程序設(shè)計(jì)方式，其主要由微控制器MSP430F189與CAN控制器MCP2515的初始化、SHT10溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊及CAN通信模塊三部分構(gòu)成。該灌區(qū)低功耗溫濕度采集系統(tǒng)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如5所示。

3.1 MSP430F169端溫濕度采集

MSP430F169端溫濕度采集編程要點(diǎn)如下：

int_clk（）；

SVCC_H；

S_Connectionreset（）；

S_WriteStatusReg（（unsigned char *）&RegCMD）；

while（1）

{

error=0；

error+=S_Measure（（unsigned char*） &humi_val.i，&checksum，HUMIDITY）； //測(cè)量濕度

error+=S_Measure（（unsigned char*） &temp_val.i，&checksum，TEMPERATURE）； //測(cè)量溫度

if（error！=0）

S_Connectionreset（）；

{

templow=（humi_val.i&0xff00）；

humi_val.i=templow>>8；

temphigh=（（temp_val.i&0xf）<<8）；

templow=（（temp_val.i&0xff00）>>8）；

temp_val.i=temphigh+templow；

humi_val.f=（float）humi_val.i； //轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)

temp_val.f=（float）temp_val.i； //轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)

S_Calculate（&humi_val.f，&temp_val.f）； //計(jì)算溫濕度

}

}

圖5 觀測(cè)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

3.2 MSP430F169端SPI端口初始化

MSP430F169端SPI端口初始化程序如下：

void InitSPI（）

{

U1CTL|=CHAR+SYNC+MM；//8位數(shù)據(jù)，SPI模式，主機(jī)模式

U1TCTL|=SSEL1+SSEL0+STC+CKPL；//時(shí)鐘為SMCLK，3線模式

U1BR0=0x08； //SMCLK 8分頻

U1BR1=0x00；

U1MCTL=0x00；

ME2|=USPIE1； //打開SPI1模塊

P5SEL|=BIT1+BIT2+BIT3； //P5.1 P5.2 P5.3設(shè)置為SPI口

UCTL1&=～SWRST；

}

3.3 主程序

主程序如下：

void main（）{

uchar Buf[1]；

InitClock（）； //初始化時(shí)鐘

InitPort（）； //初始化端口

InitSPI（）； //初始化SPI

MCP2510_Init（）； //MCP2510初始化

CH452_Init（）； //初始化CH452

LcdInit（）； //Lcd初始化

_EINT（）； //打開中斷

while（1）{

if（KeyValue！=0xFF）{

Buf[0]=KeyValue；

SendData（0x0000，Buf，1）；

//發(fā)鍵值到地址0x0000的節(jié)點(diǎn)

KeyValue=0xFF；

}

}

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)在灌區(qū)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的遠(yuǎn)距離的溫濕度采集。在實(shí)際的電路測(cè)試過程中，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作電流≤6 mA，由此可見這種低功耗的溫度采集系統(tǒng)使電池供電成為可能。

由于CAN總線的工作方式為多主類型，因此系統(tǒng)中的每個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)即插即拔的操作，用戶可根據(jù)實(shí)際需要還可增加其他氣象因素的監(jiān)測(cè)，比如降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向以及光照量等。從而方便用戶對(duì)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，提高了灌區(qū)低功耗溫濕度采集系統(tǒng)的可操作性和穩(wěn)定性 [4]。

參考文獻(xiàn)

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