時間:2013-12-06 18:04:42來源:王輝
摘要:本文介紹了一種基于意法半導體公司的STM32單片機和CAN總線的濕度采集系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。CAN憑借其高性能,高可靠性以及獨特的設計越來越多的被應用在工業(yè)領(lǐng)域中。STM32的接口豐富,價格低廉,功能強大,使其在工業(yè)現(xiàn)場中應用越來越廣泛。文章從硬件和軟件兩部分介紹基于STM32和CAN總線的濕度采集系統(tǒng)的實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞:STM32;CAN總線;數(shù)據(jù)采集濕度傳感器
1引言
現(xiàn)實生活中,濕度的測量和控制在紡織工業(yè)、林業(yè)、化工以及氣象觀測等領(lǐng)域中有著廣泛的應用。傳統(tǒng)的人工測試方法費時費力,因而有必要研制更智能方便的濕度測量采集系統(tǒng),以便實時監(jiān)測濕度,并根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)來控制加濕器、空調(diào)器等設備的運行,確保得到合適的濕度環(huán)境。
這里提出的濕度測量采集系統(tǒng)是為民用設計的,可實時監(jiān)測倉庫,溫室等對濕度有嚴格要求的場合下的濕度,根據(jù)檢測結(jié)果對濕度加以控制,同時還具有在線修訂濕度上下限,濕度顯示和報警功能,并可向主控室傳送數(shù)據(jù)。
2系統(tǒng)總體設計
濕度測量采集系統(tǒng)首先是一個實時性系統(tǒng),需要傳感器的各種測量數(shù)據(jù)能及時的顯示,同時,監(jiān)控系統(tǒng)又是一個多點檢測系統(tǒng),需要在不同的點布置傳感器,這些傳感器通過總線連接并實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)傳輸。從總體上講,分為上位機和下位機系統(tǒng)。上位機是總的控制和顯示系統(tǒng),其通過CAN總線與各種傳感器的感應模塊連接。系統(tǒng)在即時性、可靠性、安全性等方面都有特定的要求,其要實現(xiàn)的目標如下:(1)對濕度參數(shù)進行實時采集MCU對各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進行循環(huán)檢測傳輸。(2)超限數(shù)據(jù)報警。(3)通信系統(tǒng)應有較高的可靠性、較好的實時性和較強的抗干擾能力。
CAN總線是一種多主方式的串行總線,可以組建多主對等的總線通信系統(tǒng);STM32F103VET6內(nèi)置了CAN控制器,選取TJA1050作為CAN收發(fā)器,實現(xiàn)STM32與CAN的通信,濕度傳感器掛接在STM32單片機上實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時接收與處理。CAN適配卡連接上位機系統(tǒng)和CAN總線,此外還有報警模塊、顯示軟件等共同組成了完整的濕度測量采集系統(tǒng)。如圖2-1所示。
圖2-1基于STM32和CAN總線的濕度測量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
3硬件設計
3.1硬件核心
系統(tǒng)采用STM32F103VET6作為主控制器,該微控制器內(nèi)核采用ARM32為的Cotex-M3CPU,最高工作頻率可達72MHz,512KBFlash存儲器,3個12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,112個快速I/O端口,11個定時器,13個通信接口,其中就包括CAN(2.0)。具有接口資源豐富,功耗低,體積小,實時性能好,易于開發(fā)等優(yōu)勢。濕度傳感器連接在STM32F103VET6上可以確保數(shù)據(jù)及時和準確的傳輸。
3.2CAN總線簡介
CAN(ControllorAreaNetwork控制器局域網(wǎng))總線是近些年來非常流行的現(xiàn)場總線之一。具有非破壞性總線仲裁技術(shù),讓優(yōu)先級高的信息得到更加快速的處理;具有強大的錯誤檢測機制,可以檢測到總線上的任何錯誤;采用短幀結(jié)構(gòu)、位填充和CRC校驗等措施,使傳輸具有高可靠性。這些優(yōu)點使CAN總線在眾多工業(yè)領(lǐng)域,尤其是汽車、航天等產(chǎn)業(yè)中得到了泛的推廣和應用。
CAN總線的特點
(1)可以多主方式工作,網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息,而不分主從,通信方式靈活。
(2)網(wǎng)絡上的節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級,可以滿足不同的實時要求。
(3)采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制,當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送信息時,優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送,而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。
(4)可以點對點,一點對多點及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。
(5)直接通信距離最遠可達10km(速率4Kbps以下)。
(6)通信速率最高可達1MB/s(此時距離最長40m)。
3.3bxCAN
STM32F的bxCAN支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B的主動模式,波特率最高可達1Mb/s支持時間出發(fā)功能。發(fā)送具有三個發(fā)送郵箱,發(fā)送報文的優(yōu)先級可軟件配置,可以屏蔽中斷,郵箱使用單獨的一塊地址,便于軟件效率的提高。STM32F的bxCAN設計目標是以最小的CPU負荷來高效的處理收到的大量報文。
3.4CAN收發(fā)器TJA1050
TJA1050速率可達1Mbit/s,電磁抗干擾能力極強,電磁輻射低,輸出級和3.3V以及5V的器件兼容,有高速和靜音兩種工作模式。TJA1050接口電路如圖3-1所示。
圖3-1TJA1050接口電路
3.5濕度傳感器
在充分考慮了系統(tǒng)的精度和抗干擾性的基礎上,選擇了濕度傳感器SHT10。他是SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT1x系列數(shù)字濕度集成傳感器的一種,SHT1x系列單芯片傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的濕度傳感器,包括一個電容性聚合體濕度敏感元件,一個用能隙材料制成的溫度敏感元件,并在同一芯片上與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定,以鏡面冷凝式濕度計為參照。校準系數(shù)以程序形式存儲在OTP內(nèi)存中,在校正過程中使用兩線制的串行接口,使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。單路SHT10傳感器連接如圖3-2。
圖3-2單路SHT10傳感器
3.6濕度控制電路
濕度控制電路是設計的重要組成部分。濕度控制電路如圖(3-3)所示。當所測濕度低于最低設定值,P1.5輸出高電平,反向后為低電平,SSR1交流觸電接通,交流接觸器1線圈得電,接通加濕設備(圖中以水泵為例),直到達到指定濕度范圍。當所測量濕度高于最高設定值時,P1.6輸出高電平,反向后為低電平,SSR2交流觸點接通,交流接觸器2線圈得電,接通干燥設備(圖中以風扇為例),直到達到指定濕度范圍干燥設備才停止工作。
圖3-2濕度控制電路
4系統(tǒng)上位機軟件設計
軟件采用NI(NationInstrument)公司開發(fā)的LabVIEW進行編寫。系統(tǒng)軟件主要包括主程序和按鍵處理、中斷、執(zhí)行機構(gòu)控制、顯示和通信等子程序。主程序完成器件的初始化,并判斷有誤按鍵按下、有無中斷請求,然后根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)用相應的子程序。圖(4-1)為主程序流程圖。
圖4-1主程序流程圖
5實驗測試結(jié)果與分析
該系統(tǒng)樣機在某倉庫進行了試運行,調(diào)試后在室內(nèi)進行里模擬實驗,檢驗了系統(tǒng)的控制精度。下表給出了一天不同時刻預設濕度與實測濕度的部分數(shù)據(jù)比較情況。
表1測試結(jié)果
從以上結(jié)果可以看出其濕度最大誤差為±3%RH。
5結(jié)束語
本文使用STM32作為主控芯片,CAN總線的引入將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表,使他們各自具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信的能力。上位機可以對濕度的上下限進行設定并對濕度進行相應控制。文中介紹的濕度采集系統(tǒng)硬件設計簡單易于實現(xiàn),經(jīng)軟件測試,精度高,工作穩(wěn)定,具有一定的實用性。
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