基于STM32和CAN總線的濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王輝

摘 要：文章介紹了一種基于意法半導(dǎo)體公司的STM32單片機(jī)和CAN總線的濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。CAN憑借其高性能，高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)越來(lái)越多的被應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中。STM32的接口豐富，價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，使其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用越來(lái)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(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：STM32；CAN總線；數(shù)據(jù)采集；濕度傳感器

引言

現(xiàn)實(shí)生活中，濕度的測(cè)量和控制在紡織工業(yè)、林業(yè)、化工以及氣象觀測(cè)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因而有必要研制更智能方便的濕度測(cè)量采集系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕度，并根據(jù)所測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)控制加濕器、空調(diào)器等設(shè)備的運(yùn)行，確保得到合適的濕度環(huán)境。

這里提出的濕度測(cè)量采集系統(tǒng)是為民用設(shè)計(jì)的，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)，溫室等對(duì)濕度有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合下的濕度，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)濕度加以控制，同時(shí)還具有在線修訂濕度上下限，濕度顯示和報(bào)警功能，并可向主控室傳送數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

濕度測(cè)量采集系統(tǒng)首先是一個(gè)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，需要傳感器的各種測(cè)量數(shù)據(jù)能及時(shí)的顯示，同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)又是一個(gè)多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，需要在不同的點(diǎn)布置傳感器，這些傳感器通過(guò)總線連接并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。從總體上講，分為上位機(jī)和下位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)是總的控制和顯示系統(tǒng)，其通過(guò)CAN總線與各種傳感器的感應(yīng)模塊連接。系統(tǒng)在即時(shí)性、可靠性、安全性等方面都有特定的要求，其要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下：（1）對(duì)濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集MCU對(duì)各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)傳輸。（2）超限數(shù)據(jù)報(bào)警。（3）通信系統(tǒng)應(yīng)有較高的可靠性、較好的實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)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(duì)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(shí)現(xiàn)STM32與CAN的通信，濕度傳感器掛接在STM32單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收與處理。CAN適配卡連接上位機(jī)系統(tǒng)和CAN總線，此外還有報(bào)警模塊、顯示軟件等共同組成了完整的濕度測(cè)量采集系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 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-M3 CPU，最高工作頻率可達(dá)72MHz，512KB Flash存儲(chǔ)器，3個(gè)12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，112個(gè)快速I/O端口，11個(gè)定時(shí)器，13個(gè)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(shí)時(shí)性能好，易于開發(fā)等優(yōu)勢(shì)。濕度傳感器連接在STM32F103VET6上可以確保數(shù)據(jù)及時(shí)和準(zhǔn)確的傳輸。

2.2 CAN總線簡(jiǎn)介

CAN（Controllor Area Network 控制器局域網(wǎng)）總線是近些年來(lái)非常流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。具有非破壞性總線仲裁技術(shù)，讓優(yōu)先級(jí)高的信息得到更加快速的處理；具有強(qiáng)大的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，可以檢測(cè)到總線上的任何錯(cuò)誤；采用短幀結(jié)構(gòu)、位填充和CRC校驗(yàn)等措施，使傳輸具有高可靠性。這些優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用。

CAN總線的特點(diǎn)：（1）可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。（2）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。（3）采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。（4）可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(yuǎn)可達(dá)10km（速率4Kbps以下）。（6）通信速率最高可達(dá)1MB/s（此時(shí)距離最長(zhǎng)40m）。

2.3 bxCAN

STM32F的bxCAN支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B的主動(dòng)模式，波特率最高可達(dá)1Mb/s支持時(shí)間出發(fā)功能。發(fā)送具有三個(gè)發(fā)送郵箱，發(fā)送報(bào)文的優(yōu)先級(jí)可軟件配置，可以屏蔽中斷，郵箱使用單獨(dú)的一塊地址，便于軟件效率的提高。STM32F的bxCAN設(shè)計(jì)目標(biāo)是以最小的CPU負(fù)荷來(lái)高效的處理收到的大量報(bào)文。

2.4 CAN收發(fā)器TJA1050

TJA1050速率可達(dá)1Mbit/s，電磁抗干擾能力極強(qiáng)，電磁輻射低，輸出級(jí)和3.3V以及5V的器件兼容，有高速和靜音兩種工作模式。

2.5 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(chǔ)上，選擇了濕度傳感器SHT10。包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件，一個(gè)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中，在校正過(guò)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(jiǎn)單。

2.6 濕度控制電路

濕度控制電路是設(shè)計(jì)的重要組成部分。濕度控制電路所示。當(dāng)所測(cè)濕度低于最低設(shè)定值，接通加濕設(shè)備（以水泵為例），直到達(dá)到指定濕度范圍。當(dāng)所測(cè)量濕度高于最高設(shè)定值時(shí)，接通干燥設(shè)備（以風(fēng)扇為例），直到達(dá)到指定濕度范圍干燥設(shè)備才停止工作。

3 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用NI（Nation Instrument）公司開發(fā)的LabVIEW進(jìn)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(jī)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(wú)中斷請(qǐng)求，然后根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的子程序。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

該系統(tǒng)樣機(jī)在某倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了試運(yùn)行，調(diào)試后在室內(nèi)進(jìn)行里模擬實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了系統(tǒng)的控制精度。下表給出了一天不同時(shí)刻預(yù)設(shè)濕度與實(shí)測(cè)濕度的部分?jǐn)?shù)據(jù)比較情況。

從以上結(jié)果可以看出其濕度最大誤差為±3%RH。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章使用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(cè)量控制儀表，使他們各自具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信的能力。上位機(jī)可以對(duì)濕度的上下限進(jìn)行設(shè)定并對(duì)濕度進(jìn)行相應(yīng)控制。文中介紹的濕度采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)軟件測(cè)試，精度高，工作穩(wěn)定，具有一定的實(shí)用性。

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