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1 、引 言
在倉庫的貨物的管理中，需要對(duì)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以保證倉庫的安全。隨著庫區(qū)的面積逐漸擴(kuò)大，需要傳輸能力強(qiáng)和通信距離遠(yuǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)來有效地對(duì)倉庫貨物進(jìn)行監(jiān)管。
CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線技術(shù)具有先進(jìn)的多主網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通訊距離遠(yuǎn)、價(jià)位低、可靠性高、系統(tǒng)容量大、安裝方便、維護(hù)費(fèi)用低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。特別對(duì)庫區(qū)較大、倉庫分布較分散的大型倉庫的監(jiān)控非常適用。
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，而上位機(jī)硬件包括CAN通訊適配器和上位監(jiān)控管理機(jī)組成;下位機(jī)則由CAN節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場傳感器組和溫度濕度參數(shù)控制器組成，如圖1所示。
其工作原理是下位機(jī)節(jié)點(diǎn)通過一定時(shí)間間隔把含有地址、溫度、濕度等數(shù)據(jù)量的報(bào)文向CAN總線發(fā)送，總線通過自身仲裁確定先把優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)放到總線上，然后自動(dòng)仲裁依次發(fā)送優(yōu)先級(jí)相對(duì)較低的報(bào)文到CAN總線。由于CAN總線的信息存取利用了廣播式的存取工作方式，報(bào)文可以在任何時(shí)候由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送到空閑的總線上，每個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)都接收到了總線上出現(xiàn)的報(bào)文信息，通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)文濾波和地址設(shè)置，上位機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)上傳報(bào)文的接收。上位機(jī)接收到報(bào)文信息后通過組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)倉庫溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視和記錄。同時(shí)上位機(jī)通過倉庫人機(jī)界面可隨時(shí)發(fā)送控制信息到CAN總線上，地址匹配的CAN總線節(jié)點(diǎn)能收到信息。通過這種方式即可實(shí)現(xiàn)倉庫的溫度等參數(shù)的反饋控制。
2.1上位機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
CAN通訊適配器承擔(dān)上位計(jì)算機(jī)和CAN節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。利用EPP并行口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與SJA1000的通信，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)SJA1000的讀寫時(shí)序，實(shí)現(xiàn)的方法有兩種：軟件產(chǎn)生讀寫時(shí)序電路和硬件產(chǎn)生讀寫時(shí)序電路。該系統(tǒng)用硬件產(chǎn)生讀寫時(shí)序電路，通過邏輯門的時(shí)間延遲來產(chǎn)生SJA1000握手等信號(hào)。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。
2.2下位機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
下位機(jī)包括CAN節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場傳感器組和溫度濕度參數(shù)控制器。CAN節(jié)點(diǎn)主要是完成CAN總線信號(hào)和CAN網(wǎng)絡(luò)通訊的配置?，F(xiàn)場傳感器組和參數(shù)控制器部分主要是和CAN節(jié)點(diǎn)完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉庫內(nèi)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度、濕度情況，還要負(fù)責(zé)接收上位管理機(jī)的命令，根據(jù)上位管理機(jī)的要求傳輸數(shù)據(jù)和反饋控制。下位機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。
2.2.1 CAN節(jié)點(diǎn)
CAN節(jié)點(diǎn)器件主要包括：微處理器AT89S52單片機(jī)、CAN控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器PCA82C250。
（1）CAN控制器SJA1000
SJA1000的工作模式通過其內(nèi)部的時(shí)鐘分頻寄存器CDR中的CAN模式位來選擇。硬件復(fù)位時(shí)默認(rèn)模式是BasicCAN工作模式。SJA1000相對(duì)于微控制器相當(dāng)于是一存儲(chǔ)映象I/O設(shè)備，他的地址域由控制段和信息緩沖區(qū)段組成，在向下加載初始化期間，控制器可被編程以設(shè)定通信參數(shù)，CAN總線上的通信可通過此段由微控制器控制。
SJA1000內(nèi)部寄存器有的是只能寫的，有的是既可讀又可寫的。系統(tǒng)正常工作之前，微控制器要對(duì)某些寄存器進(jìn)行初始化，以保證系統(tǒng)的各部分之間能進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)交換。CAN控制器的內(nèi)容都是通過微控制器寫入的，其讀寫時(shí)序如圖4所示。
從讀/寫時(shí)序圖來看，微控制器對(duì)SJA1000進(jìn)行操作，由于SJA1000內(nèi)可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址信息。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制層負(fù)責(zé)從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)以CAN協(xié)議的格式發(fā)送到總線上，根據(jù)需要對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視。系統(tǒng)上電后微處理器先對(duì)自身和SJA1000進(jìn)行初始化，以SJA1000傳送到CAN總線上或直接現(xiàn)場顯示、控制;對(duì)從CAN總線上來的信息則采用中斷方式，系統(tǒng)每接收到一幀信息，便產(chǎn)生一次中斷，引發(fā)微處理機(jī)進(jìn)入中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取該幀信息并傳送到現(xiàn)場。
（2）CAN收發(fā)器PCA82C250
PCA82C250為CAN收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)發(fā)送能力，CAN控制器的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器的差動(dòng)接收能力。他有很強(qiáng)的抗瞬間干擾和保護(hù)總線的能力，具有3種不同的工作模式即高速、斜率控制和待機(jī)?？偩€上的某節(jié)點(diǎn)掉電不會(huì)影響總線，在40 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速應(yīng)用可達(dá)1 Mb/s，最多可掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)。管腳8（RS）允許PCA82C250選擇3種不同的工作模式，如表1所示。
通過上面的結(jié)構(gòu)框圖繪制出了如圖5 所示的CAN節(jié)點(diǎn)具體的電路。
2.2.2 溫度檢測(cè)部分
系統(tǒng)采用由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器，該傳感器屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。DS18B20主要有兩種工作方式：寄生電源工作方式和外接電源工作方式。本系統(tǒng)采用外接電源方式（如圖6）。
2.2.3 濕度檢測(cè)部分
濕度檢測(cè)采用HS1101型濕度傳感器，HS1101是HUMIREL公司生產(chǎn)的變?nèi)菔较鄬?duì)濕度傳感器，采用獨(dú)特的工藝設(shè)計(jì)。
HS1101測(cè)量濕度采用將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化磚換成電壓頻率信號(hào)，可以直接被微處理器采集。
設(shè)計(jì)的電路如圖7所示。
555芯片外接電阻R20，R19與HS1101，構(gòu)成對(duì)HS1101的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路實(shí)現(xiàn)對(duì)HS1101的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內(nèi)比較器，構(gòu)成一個(gè)多諧波振蕩器，其中，R20相對(duì)于R19必須非常的小，但決不能低于一個(gè)最小值。R18是防止短路的保護(hù)電阻。
HS1101作為一個(gè)變化的電容器，連接2和6引腳。引腳作為R20的短路引腳。HS1101的等效電容通過R19和R20充電達(dá)到上限電壓（近似于0.67 VCC，時(shí)間記為T1），這時(shí)555的引腳3由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后通過R19開始放電，由于R20被7引腳短路接地，所以只放電到觸發(fā)界線（近似于0.33 VCC，時(shí)間記為T2），這時(shí)555芯片的引腳3變?yōu)楦唠娖?。通過不同的兩個(gè)電阻R19，R20進(jìn)行傳感器的不停充放電，產(chǎn)生方波輸出。可以得出：
由此可以看出，空氣相對(duì)濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關(guān)系。表2給出了典型頻率濕度關(guān)系（參考點(diǎn)：25℃，相對(duì)濕度：55%，輸出頻率：6.660 kHz）?？梢酝ㄟ^微處理器采集555芯片的頻率，然后查表即可得出相對(duì)濕度值。為了更好提高測(cè)量精度，將采用下位機(jī)負(fù)責(zé)采集頻率，將頻率值送入上位機(jī)進(jìn)行分段處理。
2.2.4 溫濕度控制部分
在監(jiān)控系統(tǒng)中，除了實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度濕度等參數(shù)外，還需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行控制。在溫度等測(cè)量參數(shù)超過用戶設(shè)定值范圍時(shí)，啟動(dòng)相關(guān)控制設(shè)備，否則關(guān)閉控制設(shè)備。系統(tǒng)采用繼電器控制通風(fēng)，除濕等設(shè)備的啟動(dòng)，具體電路設(shè)計(jì)如圖8所示，其中J1用于控制通風(fēng)設(shè)備，J2，J3用于控制濕度。
3 、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。
上位機(jī)系統(tǒng)的軟件包括監(jiān)控管理部分軟件和CAN適配器軟件。現(xiàn)場監(jiān)控管理部分主要利用組態(tài)王軟件完成倉庫的現(xiàn)場測(cè)量點(diǎn)模擬，對(duì)倉庫的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動(dòng)計(jì)算倉內(nèi)的最高、最低和平均溫度值，還可計(jì)算出每層的最高、最低和平均溫度值，完成超限實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作控制。例如啟動(dòng)通風(fēng)、除濕、噴灑及安全保護(hù)裝置，報(bào)警、切斷電源等。并自動(dòng)生成各種報(bào)表和圖表，建立和存儲(chǔ)倉庫的倉儲(chǔ)歷史檔案和打印功能。而遠(yuǎn)程監(jiān)控管理部分主要完成倉庫狀態(tài)遠(yuǎn)程查詢，報(bào)表打印和遠(yuǎn)程控制等功能。
對(duì)于CAN適配器的軟件設(shè)計(jì)采用Windows環(huán)境下的VB語言進(jìn)行開發(fā)，由于Windows的保護(hù)，VB無法直接讀寫并行端口，需要另外的程序模塊來實(shí)現(xiàn)并行端口的直接讀寫，使用WINIO模塊來解決VB對(duì)并口的讀寫。同時(shí)，由于WINIO模塊不支持系統(tǒng)中斷，還需要利用VB編寫線程來查詢SJA1000的中斷狀態(tài)。
下位機(jī)系統(tǒng)的軟件包括CAN節(jié)點(diǎn)的軟件和溫濕度檢測(cè)控制軟件。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式。軟件中主要程序有SJA1000的初始化，報(bào)文的發(fā)送程序，報(bào)文的接收程序，CAN總線錯(cuò)誤處理程序，以及和傳感器配合實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的采集。
4 、結(jié) 語
該設(shè)計(jì)在倉庫的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，成功引入CAN總線作為通訊網(wǎng)絡(luò)，其中下位機(jī)利用AT89S52單片機(jī)和SJA1000完成CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，上位機(jī)完成了對(duì)CAN通訊適配器的設(shè)計(jì)，采用上位機(jī)高級(jí)語言VB和EPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)SJA1000的控制，大大地提高了系統(tǒng)內(nèi)部的速率和實(shí)時(shí)性，具有處理速度快，成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
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