基于CAN总线的嵌入式网络化智能传感器系统设计

何年清,车 俐,刘朝欣,沈通桥,李安锦,林桂斌

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004)

基于CAN总线的嵌入式网络化智能传感器系统设计

何年清,车 俐,刘朝欣,沈通桥,李安锦,林桂斌

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004)

针对现有传感器体积大、功耗大、性价比低等不足,以片内ROM整合CANopen驱动器的LPC11C24低功耗微处理器和基于QT设计的上位机为核心,采用CAN总线技术,设计了体积小、功耗低的嵌入式网络化智能传感器系统。传感器系统的主控芯片LPC11C24以CANopen标准为基础提供多种API接口,可将LPC11C24快速整合至嵌入式网络应用中。在基于QT设计的上位机界面上可方便地完成CAN总线网络上多点传感器的管理与配置。测试结果表明,传感器系统实现了体积小、功耗低、性价比高、功能强和便于扩展的设计目标,加快了智能传感器的开发与应用。

CAN;嵌入式网络;LPC11C24;CANopen;QT

随着通信技术、传感技术和计算机技术的迅猛发展和微电子技术的长足进步,低功耗、体积小、扩展能力强的网络化智能传感器成为主要趋势。但现有传感器仍存在扩展能力不足,体积大,成本、功耗偏高的问题,造成资源和能源的浪费,无法满足行业的需求。为此,设计一种基于CAN总线的网络化智能传感器系统。系统以恩智浦半导体公司的低功耗LPC11C24微处理器为核心,采用CAN总线技术,基于QT设计上位机软件平台,可提供多种API接口,在解决扩展能力不足的同时,节省成本,大大降低了系统功耗。

1 系统介绍

基于LPC11C24高度最佳化的单一封装CAN总线解决方案简化了产品的网络设计[1]。CAN收发器与32位MCU(ARM Cortex-M0)的结合以及片内CANopen协议的支持,降低了实验系统的难度,在可行性和功能上有了更大的提高,维护管理容易,且便于系统的扩展,随插即用的系统模式也适应了现代高速发展的科技需要。而且通过PC上位机管理CAN总线网络上的传感器,友好的UI界面使得人机交互更方便快捷。系统整体框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 The block diagram of system

整个系统主要由3部分组成:1个主节点、最多126个从节点和1个上位机[2]。主从节点间通过CAN总线通信,主节点与上位机之间通过异步串口(UART)通信,波特率为115.2 kbit/s。

2 硬件设计

2.1 主节点模块

主节点主要由主控芯片LPC11C24、电源模块、光强传感器模块、键盘、USB转串口和LCD显示模块组成。为了与从节点兼容,在实际电路中增加了拨码开关、温度传感器接口,光强传感器用IIC接口引出,可兼容EEPROM。主节点功能模块如图2所示。

图2 主节点功能模块Fig.2 The functional modules of master node

主节点主要完成以下工作:1)传送或接收其他设备(从节点)的数据;2)负责CAN总线网络与PC上位机的数据交换[3];3)访问CAN总线的每个从设备,对从设备进行配置;4)显示当前CAN总线的所有从设备的信息,通过串口发送给上位机,接收上位机数据命令并执行相应操作。其中:MCU LPC11C24是主要的控制和运算单元,作为独特的系统级封装解决方案,整合TJF1051 CAN收发器的LPC11C24在低成本的LQFP48封装中实现完整的CAN功能;LCD用于显示CAN总线信息,如传感器的采样速率、传感器的参数等;光强传感器用于测量当前的光照强度,根据光照强度自动调节LCD显示器的背光;CAN总线接口符合标准CAN总线电气标准,主节点通过这个接口连接到CAN总线网络,与CAN总线网络上其他节点通信;UART串口接口完成主节点与PC上位机的通信,是嵌入式系统显示调试信息最有效的手段之一。

2.2 从节点模块

从节点模块主要包括EEPROM、UART串口接口、拨码开关、MCU、键盘、CAN总线接口和温度传感器,其结构如图3所示。其中:EEPROM用于存储传感器参数,上位机配置节点的传感器参数,同时MCU将参数保存至存储模块,存储模块可当作一个移动的参数配置模块,为节约成本,不需要每个从节点都配有存储模块;UART串口接口实现主、从节点间的通信,采用RS232-USB接口转换器PL2303HX,提供全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案;拨码开关设置CAN总线从节点的节点ID,8位拨码开关共有256种组合ID,满足系统最多127个节点的需求;MCU是主要的控制和运算单元;CAN总线接口符合标准CAN总线电气要求,提供从节点连接到CAN总线网络的接口,是与CAN总线上其他节点的通信接口;温度传感器采集温度,对温度传感器电路进行了调整,用单电源也可测零下温度,可实现―55～150℃的温度测量。从节点具有采集、处理、交换传感器信息以及传送或接收其他设备(主节点)的数据等功能。

图3 从节点功能模块Fig.3 The functional modules of slave node

2.3 上位机

利用PC作为上位机直接发出控制命令,其屏幕上显示各种信号变化(液压、水位、温度等)。上位机与下位机(主节点)利用串口进行通信。上位机主要功能:1)通过电脑鼠标和键盘管理CAN总线网络; 2)列表显示当前CAN总线网络上所有注册的设备; 3)以波形的形式显示传感器数据;4)调整传感器数据采样率、LCD背光、传感器系数和补偿等。

3 软件设计

3.1 主节点软件设计

主节点工作软件主要由前台任务和后台任务组成。主节点前台处理流程图如图4所示。硬件初始化包括:系统时钟的配置、串口初始化、CANopen、LCD初始化、光强传感器BH1750初始化、定时器初始化和LCD背光PWM输出等。定时器设置定时长度为1 s,1 s产生一次中断,并把1 s标志位置1。光强读取标志位和温度采样标志位使用32 bit定时器定时。BH1750高精度转换读取的速率为5 Hz。系统时钟48 MHz,16 bit定时器最大定时时间为1.36 ms,32 bit定时器的最大定时时间为89 478 ms。基于CANopen协议的服务数据对象(SDO),读取已连接节点的温度值,温度值在对象字典OD中索引为0x2000,子索引为0x01。上位机发送给主节点的串口数据帧格式采用固定帧长度12 Byte,固定长度的优点是易于解析。解析过程为:首先判断帧头,找到帧头后根据长度和校验位取出一个完整的包,若校验失败,则等待下一帧头数据重新解析[4]。

图4 主节点前台处理流程图Fig.4 The foreground processing flow chart of master node

串口中断服务是主节点后台任务,在中断期间需要完成数据的传输。LPC11C24串口有14 Byte的硬件发送缓冲区FIFO和硬件接收缓冲区FIFO,接收FIFO中断触发点可为1、4、8、14 Byte,大数据量转送时避免1 Byte中断一次而浪费CPU资源。当本地缓冲区为空时,关闭中断使能,以避免无数据发送时CPU频繁地执行中断服务程序。有数据要发送时,把数据填充到本地发送缓冲区的同时,判断中断发送使能是否关闭,若关闭则将其打开即可。主节点后台处理流程如图5所示。

图5 主节点后台处理流程图Fig.5 The background processing flow chart of master node

3.2 从节点软件设计

从节点前台任务流程图如图6所示。硬件初始化完成系统时钟的配置、串口初始化、CANopen、AD初始化、IIC初始化以及定时器的初始化等[5]。EEPROM芯片型号为AT24C04,采用IIC总线通信。1 s定时利用系统的滴答定时器实现定时。温度值保存在索引为0x2000、子索引为0x01的对象字典OD中;温度系数保存在索引为0x2000、子索引为0x02的对象字典OD中;温度补偿索引为0x2000,子索引为0x03。

温度系数和温度补偿调整是上位机发送指令后,主节点用CANopen SDO加速写回调函数,这也是基于CANopen协议的服务数据对象(SDO)实现的[6]。

图6 从节点前台处理流程图Fig.6 The foreground processing flow chart of slave node

3.3 上位机软件设计

上位机分为5个UI界面:参数配置界面、串口配置界面、CAN节点列表界面、温度传感器波形显示界面和光强传感器及LCD背光占空比波形显示界面,这些UI界面基于Qt Creator[7-8]设计。其中:配置参数界面可设置采样率、LCD背光系数和LCD背光调整速率等参数;串口配置界面有端口选择、波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、超时和数据流控制等功能,使用者可根据需要进行相应设置;CAN节点列表界面中,提供自动更新和点击刷新2种方式,可单独对某个节点进行温度系数和温度补偿的配置,也可对总线上所有节点统一配置,此时节点ID设置为0;温度传感器波形显示界面最多可显示4个通道的温度值,若总线上有超过4个已连接设备,则选择ID号靠前的4个节点显示其温度值波形。光照强度及PWM背光占空比波形显示界面中,BH1750光照传感器光照强度范围设置为0～1000 lm,LCD背光随光照强度自动调节。

4 系统功耗测试

采用线性稳压电源给系统供电,供电电压为5 V,串联1个电流表,可通过测量系统电压、电流计算系统功耗。实际测试后发现,系统供电5 V,屏幕背光最低时,其总电流为135 m A,功耗为675 m W。屏幕背光最高时,系统总电流为155 m A,功耗为775 mW。测试结果表明,系统正常运行功耗为675～775 m W,整个系统功耗控制在较低水平,达到了低功耗的设计目的。

5 结束语

从软硬件方面入手,探讨了以低功耗、低成本、多扩展接口为目标的网络化智能传感器系统的设计方法,实现了低成本、低功耗的基于CAN总线的嵌入式网络化智能传感器系统,完成了远程多点温度数据采集、数据处理及显示。随着微电子技术的发展,功能强大且功耗更低的器件的出现,未来网络化智能传感器系统的研究应向低功耗、规模化、标准化的方向进行。

[1] 张昊,崔永俊,沈三民,等.基于CAN总线的传感器网络设计[J].计算机测量与控制,2013,21(11):3103-3108.

[2] 杨旗,陆云龙.基于CAN总线的传感器网络节点设计[J].仪表技术与传感器,2011(9):95-96.

[3] 何红,赵佐.基于CAN总线的网络化智能传感器研究[J].中国科技信息,2008(23):92-93.

[4] 周晨业,刘锦高.基于无线控制CAN总线嵌入式传感器研究与应用[J].信息技术,2011(8):180-185.

[5] 吴云锋,刘波,王达友.基于CANopen协议的舰船监测系统智能传感器研制[J].中国修船,2010,23(4):34-36.

[6] 致远电子.如何快速开发CANopen传感器设备:基于CANopen协议的XGate_COP10应用[J].电子技术应用,2010(2):10-11.

[7] 安峰.QT平台上的动态可定制界面设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2014(3):24-26.

[8] 狄辉辉,李京华,刘景桑,等.基于Qt/E的嵌入式实时曲线显示界面设计与实现[J].电子测量技术,2011 (12):76-79.

编辑: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

广西自然科学基金(2013GXNSFAA019323);广西科学研究与技术开发计划(桂科攻14122006-6);广西大学生创新训练计划(201410595028)

车俐(1977―),女,广西桂林人,高级实验师,研究方向为雷达信号处理。E-mail:1203011923@qq.com

何年清,车俐,刘朝欣,等.基于CAN总线的嵌入式网络化智能传感器系统设计[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(3):290-293.