基于CAN总线的智能微喷灌监控系统中下位机的硬件电路组成与设计

康兵

摘要：该文重点阐述了基于CAN总线的智能微喷灌监控系统中下位机（智能节点）的硬件电路组成与设计。从系统功能要求出发，对系统的按键电路、I/O接口电路、时钟电路、数据采集电路、存储电路以及输入输出控制电路等进行方案选择，进而确定系统的总体结构，并按成本核算、可靠程度、功耗等设计原则，分别设计基于STC89C52微处理器和SJA1000芯片的CAN总线适配控制器的数据采集的模块、控制执行模块和数据处理模块的硬件系统。

关键词：微喷灌监控系统；硬件设计；CAN总线

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0244-02

Abstract：This article expounds the CAN bus based intelligent monitor and control system for micro spray irrigation （lower machine （intelligent node） composition and design of hardware circuit. Set out from the system function requirement， the system of key circuit， I/O interface circuit， clock circuit， data acquisition circuit， storage circuit and I/O control circuit of scheme selection， and then determine the overall structure of system， and according to the cost accounting， reliability， power consumption， such as design principles， design based on STC89C52 microprocessor and SJA1000 chips CAN bus adapter controller of the data acquisition module， control module and data processing module of the hardware system.

key words： micro irrigation monitoring system； hardware design； CAN bus

CAN总线是联接上位机与下位机（各智能节点）的网络信媒介。智能节点主要用于接收和发送网络信息，总线网络接发器的电信号驱动能力限制了所有智能节点均须联接成一个网络CAN总线体系，才能达到控制基本功能，本文将这种体系称为功能模块。

1 硬件方案的确定

目前，CAN总线的接口电路的主要有两种：一是带片内CAN控制器MCU；另一种则是选择合适的MCU及独立的CAN总线控制器。使用MCU进行接口电路设计，能大大降低外部电路的复杂性，增加电路的紧凑性，电路板的制作也较为简单。但与一般的微控制器比较，其设计的灵活性较低，成本则相对较高。

如选用合适的MCU及独立CAN控制器的设计方法，电路设计可能比较复杂，但电路设计的灵活性增强，常用的MCU基本都能够满足CAN控制器电路接口的设计需求。本系统采用独立MCU与CAN控制器设计方案，其中微处理器选用STC公司生产的STC89C52。能大大降低外部电路的复杂性，增加电路的紧凑性，电路板的制作也较为简单。但与一般的微控制器比较，大大降低了其设计的灵活性，加之此种有CAN控制器的MCU的成本相对较高。由于CAN总线驱动是CAN控制与物理总线间的连接接口，是决定整个系统网络性能的重要因素之一，所以CAN总线控制器则选用PHILIPS公司生产的目前市场常用的SJA1000作为上、下位机的通讯媒介。总线驱动器选用市场上常见的、性价比相对较高的PCA82C250。

2 CAN总线接口电路

3 其他接口电路的设计

3.1 LED显示接口电路

单片机系统中主要的显示器是七段数码发光二极管（LED数码管）显示器、LCD液晶显示器和CRT图形显示器。从价格、功耗、使用寿命等方面考虑，七段数码发光二极管显示器用得最多。根据本系统的功能设计要求，本系统控制器也是选取最常用的七段数码发光二极管（LED数码管）显示器（简称数码管显示器），来显示并操作修改控制系统的各种参数及各种控制数据。

3.2 按键输入电路

系统参数的设置或显示屏幕的切换是通过一个由五个按键组成的简易独立式键盘来完成。五个按键分别表示上、下、左、右，设置/运行，按键与单片机的连接采用非编码按键接口，五个按键分别与89C52的P1.0—P1.4口相连接，并通过对各接口高低电平来识别并判断是否有某个按键被按下，同时也能判断该按键被按下的次数，以便执行相应的操作。

3.3 复位电路接口的设计

为了确保中央处理器和系统所有部件均能够处于确定的初始化状态，STC89 C52单片机在启动前需要复位，使CPU及其他部件均恢复至一定的初始状态下，通过复位处理后，即可从初始化状态开始运行工作。AT89C52可以通过手动按键和上电自动电路进行复位，本系统通过对电解电容器（22μF）的充电来实现复位，实现单片机与系统部件的初始状态。

3.4 输出驱动电路

本控制系统输出驱动电路为四路12伏的继电器驱动电路。其中四路继电器输出接8155的PB0-PB3引脚。另外，为了提高控制的系统抗干扰力，本系统在继电器与单片机的输出口间利用光耦来实现隔离功能，这使控制系统能持续工作，采用12伏、5伏双电源供电系统。

3.5 时钟电路接口的设计

单片机以时钟信号为基准控制各部件有条不紊地工作，单片机的运算速度受时钟频率直接影响，系统的稳定性则受时钟电路的质量影响。本系统中把该放大器同片外石英晶体作为自激振荡器。XTAL1和XTAL2分别与单片机的XTAL1、XTAL2引脚相连，外接石英晶体和电容器C1、C2组成谐振并联电路，连接在反馈回路中。外接电容器一般取30PF。

4 系统总电路设计

CAN总线的控制器SJA1000的AD0～AD7与AT89C52的P0口对应联接，AT89C52的P2.7口与取反片选端CS连接。P2.7为高电平1时，CPU根据相应地址选中SJA1000，并该这些地址对相应的SJA1000执行读写操作。终端信号的输出端为SJA1000 的INT口，中断时，INT高电平向低电平跳变，由于它与AT89C52的外部中断输入脚INT0相连，从而可通过中断的方式使得AT89C52访问SJA1000。采用光耦6N137主要是为增强CAN总线节点抗干扰力，避免将AT89C52的 RXD和TXD直接与RX0和TX0相连，SJA1000通过高速光耦6N137与AT89C52相连，实现CAN总线节点的电气隔离。AT89C52的CANL和CANH引脚通过串联电阻与总线相连，电阻的限流作用保护AT89C52不受过流的冲击，总线上的高频干扰利用并联电容过滤，避免电磁辐射。

5 小结

通过对设计CAN总线节点的软硬件， STC89C52单片机作为微处理控制器，配合CAN总线控制器SJA1000组成的下位机实时通讯的智能节点，系统采取光电隔离的措施来增强系统的稳定性、可靠性，保证CAN总线网络的工作稳定性和实时性。

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