基于CAN總線的嵌入式網絡化智能傳感器系統設計

何年清,車 俐,劉朝欣,沈通橋,李安錦,林桂斌

(桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004)

基于CAN總線的嵌入式網絡化智能傳感器系統設計

何年清,車 俐,劉朝欣,沈通橋,李安錦,林桂斌

(桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004)

針對現有傳感器體積大、功耗大、性價比低等不足,以片內ROM整合CANopen驅動器的LPC11C24低功耗微處理器和基于QT設計的上位機為核心,采用CAN總線技術,設計了體積小、功耗低的嵌入式網絡化智能傳感器系統。傳感器系統的主控芯片LPC11C24以CANopen標準為基礎提供多種API接口,可將LPC11C24快速整合至嵌入式網絡應用中。在基于QT設計的上位機界面上可方便地完成CAN總線網絡上多點傳感器的管理與配置。測試結果表明,傳感器系統實現了體積小、功耗低、性價比高、功能強和便于擴展的設計目標,加快了智能傳感器的開發與應用。

CAN;嵌入式網絡;LPC11C24;CANopen;QT

隨著通信技術、傳感技術和計算機技術的迅猛發展和微電子技術的長足進步,低功耗、體積小、擴展能力強的網絡化智能傳感器成為主要趨勢。但現有傳感器仍存在擴展能力不足,體積大,成本、功耗偏高的問題,造成資源和能源的浪費,無法滿足行業的需求。為此,設計一種基于CAN總線的網絡化智能傳感器系統。系統以恩智浦半導體公司的低功耗LPC11C24微處理器為核心,采用CAN總線技術,基于QT設計上位機軟件平臺,可提供多種API接口,在解決擴展能力不足的同時,節省成本,大大降低了系統功耗。

1 系統介紹

基于LPC11C24高度最佳化的單一封裝CAN總線解決方案簡化了產品的網絡設計[1]。CAN收發器與32位MCU(ARM Cortex-M0)的結合以及片內CANopen協議的支持,降低了實驗系統的難度,在可行性和功能上有了更大的提高,維護管理容易,且便于系統的擴展,隨插即用的系統模式也適應了現代高速發展的科技需要。而且通過PC上位機管理CAN總線網絡上的傳感器,友好的UI界面使得人機交互更方便快捷。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 The block diagram of system

整個系統主要由3部分組成:1個主節點、最多126個從節點和1個上位機[2]。主從節點間通過CAN總線通信,主節點與上位機之間通過異步串口(UART)通信,波特率為115.2 kbit/s。

2 硬件設計

2.1 主節點模塊

主節點主要由主控芯片LPC11C24、電源模塊、光強傳感器模塊、鍵盤、USB轉串口和LCD顯示模塊組成。為了與從節點兼容,在實際電路中增加了撥碼開關、溫度傳感器接口,光強傳感器用IIC接口引出,可兼容EEPROM。主節點功能模塊如圖2所示。

圖2 主節點功能模塊Fig.2 The functional modules of master node

主節點主要完成以下工作:1)傳送或接收其他設備(從節點)的數據;2)負責CAN總線網絡與PC上位機的數據交換[3];3)訪問CAN總線的每個從設備,對從設備進行配置;4)顯示當前CAN總線的所有從設備的信息,通過串口發送給上位機,接收上位機數據命令并執行相應操作。其中:MCU LPC11C24是主要的控制和運算單元,作為獨特的系統級封裝解決方案,整合TJF1051 CAN收發器的LPC11C24在低成本的LQFP48封裝中實現完整的CAN功能;LCD用于顯示CAN總線信息,如傳感器的采樣速率、傳感器的參數等;光強傳感器用于測量當前的光照強度,根據光照強度自動調節LCD顯示器的背光;CAN總線接口符合標準CAN總線電氣標準,主節點通過這個接口連接到CAN總線網絡,與CAN總線網絡上其他節點通信;UART串口接口完成主節點與PC上位機的通信,是嵌入式系統顯示調試信息最有效的手段之一。

2.2 從節點模塊

從節點模塊主要包括EEPROM、UART串口接口、撥碼開關、MCU、鍵盤、CAN總線接口和溫度傳感器,其結構如圖3所示。其中:EEPROM用于存儲傳感器參數,上位機配置節點的傳感器參數,同時MCU將參數保存至存儲模塊,存儲模塊可當作一個移動的參數配置模塊,為節約成本,不需要每個從節點都配有存儲模塊;UART串口接口實現主、從節點間的通信,采用RS232-USB接口轉換器PL2303HX,提供全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯接的解決方案;撥碼開關設置CAN總線從節點的節點ID,8位撥碼開關共有256種組合ID,滿足系統最多127個節點的需求;MCU是主要的控制和運算單元;CAN總線接口符合標準CAN總線電氣要求,提供從節點連接到CAN總線網絡的接口,是與CAN總線上其他節點的通信接口;溫度傳感器采集溫度,對溫度傳感器電路進行了調整,用單電源也可測零下溫度,可實現―55～150℃的溫度測量。從節點具有采集、處理、交換傳感器信息以及傳送或接收其他設備(主節點)的數據等功能。

圖3 從節點功能模塊Fig.3 The functional modules of slave node

2.3 上位機

利用PC作為上位機直接發出控制命令,其屏幕上顯示各種信號變化(液壓、水位、溫度等)。上位機與下位機(主節點)利用串口進行通信。上位機主要功能:1)通過電腦鼠標和鍵盤管理CAN總線網絡; 2)列表顯示當前CAN總線網絡上所有注冊的設備; 3)以波形的形式顯示傳感器數據;4)調整傳感器數據采樣率、LCD背光、傳感器系數和補償等。

3 軟件設計

3.1 主節點軟件設計

主節點工作軟件主要由前臺任務和后臺任務組成。主節點前臺處理流程圖如圖4所示。硬件初始化包括:系統時鐘的配置、串口初始化、CANopen、LCD初始化、光強傳感器BH1750初始化、定時器初始化和LCD背光PWM輸出等。定時器設置定時長度為1 s,1 s產生一次中斷,并把1 s標志位置1。光強讀取標志位和溫度采樣標志位使用32 bit定時器定時。BH1750高精度轉換讀取的速率為5 Hz。系統時鐘48 MHz,16 bit定時器最大定時時間為1.36 ms,32 bit定時器的最大定時時間為89 478 ms。基于CANopen協議的服務數據對象(SDO),讀取已連接節點的溫度值,溫度值在對象字典OD中索引為0x2000,子索引為0x01。上位機發送給主節點的串口數據幀格式采用固定幀長度12 Byte,固定長度的優點是易于解析。解析過程為:首先判斷幀頭,找到幀頭后根據長度和校驗位取出一個完整的包,若校驗失敗,則等待下一幀頭數據重新解析[4]。

圖4 主節點前臺處理流程圖Fig.4 The foreground processing flow chart of master node

串口中斷服務是主節點后臺任務,在中斷期間需要完成數據的傳輸。LPC11C24串口有14 Byte的硬件發送緩沖區FIFO和硬件接收緩沖區FIFO,接收FIFO中斷觸發點可為1、4、8、14 Byte,大數據量轉送時避免1 Byte中斷一次而浪費CPU資源。當本地緩沖區為空時,關閉中斷使能,以避免無數據發送時CPU頻繁地執行中斷服務程序。有數據要發送時,把數據填充到本地發送緩沖區的同時,判斷中斷發送使能是否關閉,若關閉則將其打開即可。主節點后臺處理流程如圖5所示。

圖5 主節點后臺處理流程圖Fig.5 The background processing flow chart of master node

3.2 從節點軟件設計

從節點前臺任務流程圖如圖6所示。硬件初始化完成系統時鐘的配置、串口初始化、CANopen、AD初始化、IIC初始化以及定時器的初始化等[5]。EEPROM芯片型號為AT24C04,采用IIC總線通信。1 s定時利用系統的滴答定時器實現定時。溫度值保存在索引為0x2000、子索引為0x01的對象字典OD中;溫度系數保存在索引為0x2000、子索引為0x02的對象字典OD中;溫度補償索引為0x2000,子索引為0x03。

溫度系數和溫度補償調整是上位機發送指令后,主節點用CANopen SDO加速寫回調函數,這也是基于CANopen協議的服務數據對象(SDO)實現的[6]。

圖6 從節點前臺處理流程圖Fig.6 The foreground processing flow chart of slave node

3.3 上位機軟件設計

上位機分為5個UI界面:參數配置界面、串口配置界面、CAN節點列表界面、溫度傳感器波形顯示界面和光強傳感器及LCD背光占空比波形顯示界面,這些UI界面基于Qt Creator[7-8]設計。其中:配置參數界面可設置采樣率、LCD背光系數和LCD背光調整速率等參數;串口配置界面有端口選擇、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位、超時和數據流控制等功能,使用者可根據需要進行相應設置;CAN節點列表界面中,提供自動更新和點擊刷新2種方式,可單獨對某個節點進行溫度系數和溫度補償的配置,也可對總線上所有節點統一配置,此時節點ID設置為0;溫度傳感器波形顯示界面最多可顯示4個通道的溫度值,若總線上有超過4個已連接設備,則選擇ID號靠前的4個節點顯示其溫度值波形。光照強度及PWM背光占空比波形顯示界面中,BH1750光照傳感器光照強度范圍設置為0～1000 lm,LCD背光隨光照強度自動調節。

4 系統功耗測試

采用線性穩壓電源給系統供電,供電電壓為5 V,串聯1個電流表,可通過測量系統電壓、電流計算系統功耗。實際測試后發現,系統供電5 V,屏幕背光最低時,其總電流為135 m A,功耗為675 m W。屏幕背光最高時,系統總電流為155 m A,功耗為775 mW。測試結果表明,系統正常運行功耗為675～775 m W,整個系統功耗控制在較低水平,達到了低功耗的設計目的。

5 結束語

從軟硬件方面入手,探討了以低功耗、低成本、多擴展接口為目標的網絡化智能傳感器系統的設計方法,實現了低成本、低功耗的基于CAN總線的嵌入式網絡化智能傳感器系統,完成了遠程多點溫度數據采集、數據處理及顯示。隨著微電子技術的發展,功能強大且功耗更低的器件的出現,未來網絡化智能傳感器系統的研究應向低功耗、規模化、標準化的方向進行。

[1] 張昊,崔永俊,沈三民,等.基于CAN總線的傳感器網絡設計[J].計算機測量與控制,2013,21(11):3103-3108.

[2] 楊旗,陸云龍.基于CAN總線的傳感器網絡節點設計[J].儀表技術與傳感器,2011(9):95-96.

[3] 何紅,趙佐.基于CAN總線的網絡化智能傳感器研究[J].中國科技信息,2008(23):92-93.

[4] 周晨業,劉錦高.基于無線控制CAN總線嵌入式傳感器研究與應用[J].信息技術,2011(8):180-185.

[5] 吳云鋒,劉波,王達友.基于CANopen協議的艦船監測系統智能傳感器研制[J].中國修船,2010,23(4):34-36.

[6] 致遠電子.如何快速開發CANopen傳感器設備:基于CANopen協議的XGate_COP10應用[J].電子技術應用,2010(2):10-11.

[7] 安峰.QT平臺上的動態可定制界面設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2014(3):24-26.

[8] 狄輝輝,李京華,劉景桑,等.基于Qt/E的嵌入式實時曲線顯示界面設計與實現[J].電子測量技術,2011 (12):76-79.

編輯:翁史振

Design of an embedded network smart sensor system based on CAN bus

He Nianqing,Che Li,Liu Chaoxin,Shen Tongqiao,Li Anjin,Lin Guibin
(School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Aiming at the demerit of current intelligent sensor network with large size,high power and low quality,an embedded network smart sensor system with the upper computer in the on-chip ROM integration CANopen LPC11C24 low power microprocessor of the drive and QT is designed with the characteristic of small size,low power.The sensor network with CANopen standard-based offers multiple API interface and integrates LPC11C24 into the embedded network application. Based on the QT design PC interface can complete the CAN bus network management and configuration of multiple point sensor.The testing results show that the sensor network accomplishes the design goal of small size,low power,cost-effective principle,expandability and speeds up the development and application of intelligent sensor.

CAN;embedded network;LPC11C24;CANopen;QT

TP273

:A

:1673-808X(2015)04-0290-04

2014-10-13

廣西自然科學基金(2013GXNSFAA019323);廣西科學研究與技術開發計劃(桂科攻14122006-6);廣西大學生創新訓練計劃(201410595028)

車俐(1977―),女,廣西桂林人,高級實驗師,研究方向為雷達信號處理。E-mail:1203011923@qq.com

何年清,車俐,劉朝欣,等.基于CAN總線的嵌入式網絡化智能傳感器系統設計[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(3):290-293.