基于CAN总线的远程水温水位测控系统的研究

王公堂，于国栋

（山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250014）

随着城市化建设的快速发展，智能住宅小区不断涌现，小区中生产和供应热水的太阳能集热热水工程设备多、分散安装在各个楼顶，通常管理人员需要上到楼顶才能实现控制和管理，十分不便。远程测控系统能够对生产和供应热水的设备进行远程测控，降低管理成本，管理方便。

一般测控网络多采用RS-485作为现场总线［1］，但由于其存在着传输距离小于1 km、通讯失败率高的局限性，决定了RS-485不适合小区范围里5 km以内的通讯。与RS-485相比，CAN总线［2］是一种有效支持分布式的串行通信网络，实时性强，可靠性高，抗干扰能力强。CAN总线在传输距离小于40 m时，最大传输速率可达到1 MB/s，当传输距离为10 km时，目前CAN总线仍可提供高达5 kB/s的数据传输速率。因此，采用CAN总线来设计远程水温水位测控系统，具有明显的实用价值和现实意义。

1 系统的组成

测控系统主要由上位机和N个测控节点组成。上位机核心为PIC18F458单片机，通过CAN总线与测控节点通信，显示各测控节点采集的水温、水位数据，并完成功能设置，把设置好的温差循环参数和供水参数等数据传送给测控节点。测控节点也是以PIC18F458为主控器，完成数据采集和控制执行。系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图Fig.1 General structure diagram of system

2 测控节点的设计

测控节点整体结构框图如图2所示。测控节点在设计上采用了模块化结构，由PIC微处理器、水温水位采集模块、继电器控制模块、CAN通讯模块和实时时钟模块组成，可根据具体情况只选用其中的部分模块。

图2 测控节点结构框图Fig.2 Structure diagram of control node

2.1 PIC微处理器

目前，有两种CAN总线器件可以选择。一种是片内集成CAN的微控制器，如8XC591/2、MC68376等，另一种是独立的CAN控制器，如SJA1000、82C200等，但是独立的CAN控制芯片需要外接一个微处理器才能运行。本设计选用的是Microchip公司的带有片内CAN控制器的PIC18F458微处理器，这样大大简化了节点的硬件电路设计，减少了程序的复杂程度，系统的可靠性高。而且该微处理器内置10位A/D转换模块，可直接实现8通道模拟信号的A/D转换，自带256 B的E2PROM，可以实现数据的掉电保护，满足测控节点的设计要求。

2.2 水温水位采集模块

温度测量选用NTC热敏电阻器作测温传感器，每路测温电路完全相同，都是用一个阻值固定的电阻与一个热敏电阻串联，对5 V电源电压分压，利用热敏电阻上的压降随温度变化而变化实现温度的测量［3］。当选用玻璃封装精度为50 kΩ±0.5%，B值为4 050 k±1%的NTC热敏电阻，阻值固定的电阻选用精度为20 kΩ±0.5%的金属膜电阻时，不需进行线性补偿，经PIC自带的10位A/D转换器转换后，直接查表获得水温值，精度可达±1℃。

水位测量采用非对称式多谐振荡器电路［4］，先把水位传感器RW的电阻大小转换为振荡信号的频率高低。振荡器电路由74HC04、C1、R5、R6、R7和水位传感器的电阻RW组成，振荡频率为f=1/［2.2（R5+R6+RW）C1］，如图3所示。采用捕捉法测量振荡信号的频率。振荡信号由RC2输入单片机，利用CCP对上升沿进行捕捉，每次捕捉都记录下TMR1中的值，根据相邻两次上升沿时TMR1的值计算得振荡频率［5］，误差可控制在1 Hz以内。

图3 水位测量电路Fig.3 Circuit diagram of water level measurement

2.3 继电器控制模块

继电器控制模块电路如图4。继电器控制模块由RD7输出来控制继电器的开关。通过光耦TLP521来隔离，增强继电器的稳定性，光耦输入端使用单片机电源VCC，输出端为直流+5 V电源供电，有效地减少了电源间的互相干扰。继电器可能会长时间工作在通电状态，且电流较大。如果直接用光偶的输出端来驱动继电器，会降低光偶的使用寿命，甚至烧坏光耦，因此，在光耦输出端加入三极管8050驱动电路，由三极管直接驱动光耦。

图4 继电器控制电路Fig.4 Control circuit of Relay

2.4 CAN通讯模块

2.4.1 C AN通讯模块的硬件设计

CAN通讯模块的硬件电路如图5。设计中使用CAN总线收发器82C250，它是CAN控制器与物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送和接受能力，与ISO11898标准完全兼容，并具有抗瞬间干扰、保护总线的能力。PIC18F458自带CAN控制器，82C250并不是必须使用的器件，但82C250有较强驱动能力，可支持多达110个节点，并能延长通讯距离，满足对多个测控节点远程通讯的设计要求。为了进一步提高系统的可靠性和抗干扰能力，在CAN控制器和CAN收发器之间采用高速光耦6N137进行隔离。

图5 CAN通讯电路Fig.5 Communication circuit of CAN

整个测控系统的CAN总线长度在5 km以内，因此将82C250的第8脚直接接地，使82C250工作在高速模式，来减少延时增加总线长度。这种模式的总线输出信号用尽可能快的速度切换，因此一般要求使用屏蔽双绞线电缆来防止可能的扰动。

2.4.2 C AN通讯模块的软件设计

CAN通信模块的软件主要由初始化程序、发送程序、接收程序3部分组成。其中初始化程序是实现通信的关键，它主要用来完成CAN控制器工作方式的选择，即对PIC18F458中CAN控制器控制段中的寄存器进行设置［6］，包括方向控制寄存器设置，CAN控制寄存器设置，接收验收滤波寄存器和滤波屏蔽寄存器设置，设置发送数据帧类型、标识符、数据长度。PIC自带的CAN控制器必须进入设置模式才能进行初始化，CAN控制器初始化程序流程如图6所示。

图6 CAN初始化程序流程图Fig.6 Flow chart of CAN Initialization

测控节点与CAN总线之间的数据交换是通过发送程序和接收程序实现的。上位机通过定期的访问来获取测控节点的数据，而不是实时传送，从而减轻了总线负担。这也是分布式控制方法相对于集中控制方法的一个优点。测控节点一般不主动发起通讯，但如果测控节点出现异常，会主动发起CAN通讯向上位机报错。

2.5 实时时钟模块

测控节点具有依据时间来进行控制的功能，这里选用串行日历时钟芯片PCF8563。PIC18F458自带I2C控制器，可方便的实现与PCF8563高速稳定的通讯，简化了编程过程。为了防止在意外掉电后需要对PCF8563进行重新设置，加入了3.6 V后备电源。

3 上位机

上位机主要由CAN通信、键盘输入、LCD显示等几个模块组成。上位机的CAN通讯模块与测控节点一样，这里主要介绍LCD显示模块。在LCD显示中，将每一界面显示的内容分为静态内容和动态内容两部分。静态内容是在同一界面中不用实时更新的部分，只需写入一次LCD模块即可。动态内容为界面中需要实时更新的数据。为此，设计了两个对应的显示模块。静态内容显示模块，只在进入某一界面时才调用，如果界面没有切换，仅调用一次。动态显示模块，一直随程序的运行而被调用，不断更新所显示的数据。这样的设计大大减少单片机与LCD模块的通讯数据量，既能实时更新数据，又能提高系统的稳定性。

4 结束语

基于CAN总线的远程水温水位测控系统以PIC18F458为主控制芯片，采用CAN总线技术，当通信距离为5 km时，仍可提供10 kB/s的通讯速率，并且通讯稳定，较好地解决了现代化小区对水温水位的远程测控问题。在软/硬件设计中均采用了模块化的结构，灵活性高和适用性好。在太阳能热水工程快速普及居民小区的今天，该系统具有良好的应用前景。

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