CAN总线智能传感器节点设计

基于Can总线瓦斯智能传感器的通信应用研究[摘要]目前制约煤炭发展的主要问题是煤矿安全问题。

而瓦斯事故又是煤矿安全中的重中之重。

煤矿瓦斯气体监测的系统是保证煤矿生产安全的必备设备，本文针对矿井瓦斯监控的特点，分析了当前流行的现场总线特点，提出基于can总线煤矿瓦斯气体监测的网络系统。

着重介绍智能传感器的中央处理单元所用单片机为at89s51作为can总线煤矿瓦斯智能节点，研究设计can总线通信接口与智能节点的接口设计等。

通过研究设计表明智能节点具有简单明了、体积小、性能高、成本低廉、抗干扰能力强等特点，能够满足煤矿瓦斯气体监测的网络系统要求。

[关键词]传感器；can总线；网桥；单片机现场总线是应用于过程自动化和制造自动化中的，实现现场智能化设备与高层设备之间互联的，全数字、串行、双向的通信网络，通过该技术可以实现跨网络的分布式控制。

现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，其作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。

现场总线不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式的控制系统。

现场总线是以智能传感器、控制、计算机、数据通信等为主要内容的综合技术具有节省硬件数量和投资、节省安装费用、节省维护开销、使用户具有高度的系统集成主动权以及提高了系统的准确性和可靠性等优点。

所以其受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

目前，现场总线种类众多而且没有统一的标准，根据瓦斯监测监控系统要求，在众多现场总线中，以下几种比较适合矿井应用：（1）rs-485总线rs-485总线协议是目前工业现场常用的总线之一。

该总线数据信号采用差分传输方式，最大传输距离约为1.2km（速率100kb／s），最大传输速率为10mb／s。

rs-485工作模式为半双工，同一时刻总线上只能有一个节点发送数据，不能实现多主结构，如果有两个以上节点同时发送数据，总线将会因“短路”而出现问题。

汽车轮速传感器设计中CAN总线的应用目前，网络技术是汽车电子领域发展的一项新技术。

它不仅是解决汽车电子化中的线路复杂和线束增加问题的技术，而且其通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在车上应用的一个基础，是车上信息与控制系统的支撑。

汽车电子网络按功能可分为面向控制的网络（CON）和面向信息传输的网络（ION）。

按网络信息传输速度，美国汽车工程师协会（SAE）将网络分为A， B，C三类。

A类为低速网，波特率在9600bps以下，进而波特率在125kbps以下为中速网B类，125kbps以上为高速网C 类。

车轮速度（即车轮绕轮轴旋转的线速度）传感器（简称轮速传感器）信号，可供发动机控制模块、防抱制动系统（ABS）控制模块及仪表控制模块共享，使车辆在制动过程中，防抱制动控制模块和发动机控制模块联合控制，达到最佳制动效能。

发达国家虽已普遍使用ABS 系统，但对轮速信号处理的方法以硬件和软件的形式作为ABS系统的电子控制器（ECU）的一部分而制成专用电路和芯片加以保护。

国内对轮速信号的处理大多存在轮速识别的门槛值过高（车速即车体的速度低于10km/h时就无法正确测量车轮速度）的问题。

笔者利用研制的转鼓轮速传感器试验台进行试验，针对轮速传感器产生的信号特点，设计了基于CAN总线的汽车轮速传感器信号处理电路，并用单片机对此信号采集、量化。

结果显示：设计出的轮速传感器系统具有轮速测量门槛低（车速达3km/h）、工作可靠、抗干扰能力强等优点，同时，可作为CAN总线局域网的测点，实现传感器信号的数字化、网络化的变送。

轮速传感器由于磁电式传感器工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响，所以，目前在汽车中使用的轮速传感器广泛采用变磁阻式电磁传感器。

变磁阻式轮速传感器由定子和转子组成。

定子包括感应线圈和磁头（为永久磁铁构成的磁级）两部分。

转子可以是齿圈或齿轮两种形式。

齿轮形式的转子。

磁头固定在磁极支架上，支架固定在长轴上，齿圈通过轮毂、制动毂连为一体，长轴穿过车轮与内部的轴承配合，。

1 引言can（controller area network）即控制器局域网络，最初是由德国bosch公司为解决汽车监控系统中的自动化系统集成而设计的数字信号通信协议，属于总线式串行通信网络。

由于can总线自身的特点，其应用领域由汽车行业扩展到过程控制、机械制造、机器人和楼宇自动化等领域，被公认为最有发展前景的现场总线之一。

can总线系统网络拓扑结构采用总线式结构，其结构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高。

本设计在保证系统可靠工作和降低成本的条件下，具有通用性、实时性和可扩展性等持点。

2 系统总体方案设计整个can网络由上位机（上位机也是网络节点）和各网络节点组成（见图1）。

上位机采用工控机或通用计算机，它不仅可以使用普通pc机的丰富软件，而且采用了许多保护措施，保证了安全可靠的运行，工控机特别适合于工业控制环境恶劣条件下的使用。

上位机通过can总线适配卡与各网络节点进行信息交换，负责对整个系统进行监控和给下位机发送各种操作控制命令和设定参数。

网络节点由传感器接口、下位机、can控制器和can收发器组成，通过can收发器与总线相连，接收上位机的设置和命令。

传感器接口把采集到的现场信号经过网络节点处理后，由can收发器经由can总线与上位机进行数据交换，上位机对传感器检测到的现场信号做进一步分析、处理或存储，完成系统的在线检测，计算机分析与控制。

本设计can总线传输介质采用双绞线。

图 1 can总线网络系统结构3 can总线智能网络节点硬件设计本文给出以arm7tdmi内核philips公司的lpc2119芯片作为核心构成的智能节点电路设计。

该智能节点的电路原理图如图2所示。

该智能节点的设计在保证系统可靠工作和降低成本的条件下，具有通用性、实时性和可扩展性等特点，下面分别对电路的各部分做进一步的说明。

图2 can总线智能网络点3.1 lpc2119处理器特点lpc2119是philips公司推出的一款高性价比很处理器。

手把手教你设计CAN总线系列讲座(2)—CAN总线智能节点的设计在远程测控系统中，都要通过传感器或其他测量装置获取环境或相关的输入参数，传送到处理器，经过一定的算法，做出相应的控制决策，启动执行机构对系统进行控制，基于CAN总线的测控系统将单个测控设备变成网络节点，将控制系统中所需的基本控制、运行参数修改、报警、显示和监控等功能分散到各个远程节点中。

因此总线上的节点应该具有总线通信功能和测控功能，这必然离不开微处理器。

我们把具有这类功能的节点叫智能节点。

1 CAN网络节点结构和SJA1000的应用结构图一般把每个CAN模块分成不同的功能块。

这里以分布式恒温控制节点构成的CAN图1 CAN总线控制网络结构图控制网络为例（如图1所示），分析一下基于CAN总线的分布式网络节点的结构。

CAN节点由微处理器、CAN控制器SJA1000、光耦6N137模块和CAN驱动器82C50构成。

CAN控制器SJA1000执行在CAN规范里规定的完整的CAN协议，用于报文的缓冲和验收过滤，负责与微控制器进行状态、控制和命令等信息交换；在SJA1000下层是CAN收发器PCA82C50，它为CAN控制器和总线接口，它控制从CAN控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号，提供对总线的差动发送和对CAN控制器的差动接收功能。

光耦6N137起隔离作用。

图2 SJA1000的结构图所有这些CAN模块都由微处理器控制，它负责执行应用的功能，负责控制执行器（比如加热设备）、读传感器（比如温度）和处理人机接口。

如图2是SJA1000的应用结构图。

在CAN规范里，CAN核心模块控制CAN帧的发送和接收。

接口管理逻辑负责连接外部微处理器，该控制器可以是单片机、DSP或其他器件。

经过SJA1000复用的地址/数据总线访问寄存器和控制读写选通信号。

SJA1000的发送缓冲器能够存储一个完整的报文（扩展的或标准的）。

当微处理器初始化发送接口管理逻辑，CAN核心模块就会从发送缓冲器读CAN报文。

什么是CAN ?CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。

比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。

一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。

实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。

例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。

CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。

另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。

CAN 是怎样发展起来的？CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。

当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。

提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。

于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。

1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。

当信号传输距离达到10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。

由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

CAN 是怎样工作的？CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。

CAN层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致。

每一层与另一设备上相同的那一层通讯。

基于单片机的智能传感器CAN总线接口硬件设计随着智能化技术的不断发展，人们越来越关注智能系统的搭建，传感器技术的应用也越来越广泛，单片机技术更是在这个背景下广受关注。

在实现智能传感器的联网和信息处理方面，CAN总线作为一种主要网络协议，已经被广泛应用。

在这种情况下，智能传感器必须具有相应的CAN总线接口设计。

本文将介绍基于单片机的智能传感器CAN总线接口硬件设计。

1、 CAN总线介绍CAN（Controller Area Network）总线是一种串行通信协议，主要用于多个控制节点之间的实时数据传输。

CAN总线的通讯速度高，误码率低，具有自适应性等特点。

CAN总线的应用包括工业控制系统、汽车电子控制系统等。

2、硬件设计原理基于单片机的智能传感器CAN总线接口硬件设计需要根据自己的实际需求进行选择。

以STM32单片机为例，STM32单片机的CAN总线接口包括CAN1和CAN2，这两个接口在硬件电路上都有Rx和Tx引脚和节点电阻。

3、硬件设计流程（1）选择STM32单片机在选取单片机的时候，需要根据实际应用场景来选择。

STM32单片机有许多系列，每个系列又有不同的型号，不同型号的单片机内置了不同的外设，需要根据实际需求进行选择。

同时，要根据芯片性价比、性能、功耗等因素进行考虑。

（2）CAN总线选择在硬件设计中，需要选择CAN总线芯片，这个芯片需要支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，并且需要支持高速通讯。

同时，要注意芯片的封装和额定工作温度等特性。

（3） CAN总线硬件连接在硬件连接中，需要将CAN总线芯片的Rx和Tx引脚和单片机的CAN1或CAN2接口相连，同时还需添加适当的电流限制电阻和终端电阻。

（4） CAN总线软件调试最后，需要对硬件电路进行软件调试，包括使用标准的CAN总线协议进行通信、CAN总线的数据传输、接收和发送数据、调试CAN中断等。

4、总结基于单片机的智能传感器CAN总线接口硬件设计需要根据实际需求进行选择，在硬件设计中需要选择合适的单片机、CAN总线芯片，并进行正确的硬件连接。

南京工业大学毕业设计任务书学院专业年级学生姓名任务下达日期：2005 年12 月20 日毕业设计日期：2006 年2月20 日至2006 年 6 月20日毕业设计题目：基于CAN总线的智能压力传感器毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1、了解目前压力监测装置的应用现状及发展趋势;2、了解CAN总线的原理、特点;3、设计一种基于CAN总线的智能压力传感器，使之具有数据存储、显示、报警、修改上下限报警值以及通信功能;要求硬件配置方面包括微控制器模块、压力传感器模块、数码管显示模块、通信模块及仪表的抗干扰措施的设计;软件方面包括初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、LED显示模块、通信模块及控制模块等相应程序以及总程序的编写; 最后进行软硬件仿真调试。

院长签字：指导教师签字：指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日南京工业大学毕业设计答辩及综合成绩摘要针对目前我国煤炭安装生产中液压支架监测系统传统测量方法存在的种种不足，从煤矿综合机械化采煤的特殊环境出发，提出了一种基于CAN总线的智能压力传感器。

本文针对总线型仪表的要求，选用了PIC系列的带有CAN总线接口的18F458单片机，开发了一种基于CAN总线的智能压力传感器。

本论文主要介绍了：首先对CAN总线进行详细的介绍；然后在硬件配置方面加以介绍，包括微控制器模块、传感器模块、显示模块、通信模块；接着从软件方面加以介绍，包括初始化模块、A/D转换模块、修改报警上下限模块、LED显示模块、通信模块以及软件抗干扰措施的编写，即给出了系统总的程序流程图和各子程序流程图。

基于CAN总线的车载智能终端硬件设计随着智能汽车技术的不断发展，车载智能终端在汽车中的应用越来越广泛。

CAN总线作为车载通信网络的核心，是车载智能终端必不可少的硬件设计之一、本文将介绍基于CAN总线的车载智能终端硬件设计。

1.硬件架构设计车载智能终端硬件设计的基本架构包括主控制单元、CAN总线模块、外围接口模块和电源管理模块。

主控制单元通常选择高性能的ARM处理器，具有丰富的外设接口和强大的计算能力。

主控制单元负责处理各种传感器数据和外部通信，控制车载智能终端的各项功能。

CAN总线模块是连接主控制单元与车载CAN总线网络的桥梁，负责CAN总线数据的收发和解析。

CAN总线模块通常由CAN控制器和CAN收发器组成，能够实现高速稳定的数据传输。

外围接口模块包括各种传感器接口、视频输入输出接口、音频输入输出接口等，可以实现车载智能终端与外部设备的连接和数据传输。

电源管理模块负责为车载智能终端提供稳定的电源输入和管理电源开关，确保车载智能终端的正常工作。

2.硬件设计要点在设计基于CAN总线的车载智能终端硬件时，需要考虑以下要点：（1）稳定性与可靠性：在车载环境下，硬件设备需要经受严格的振动、温度、湿度等不利条件，因此硬件设计必须具有出色的稳定性和可靠性。

（2）电源管理：车载智能终端需要长时间工作，因此电源管理模块的设计至关重要，要能有效管理电源供应，确保终端的稳定工作。

（3）通信接口：CAN总线是车载通信网络的核心，因此CAN总线模块的设计必须考虑数据传输速度、稳定性、抗干扰能力等因素，确保数据的可靠传输。

（4）外围接口设计：要考虑到车载智能终端需要与多种外部设备进行连接和数据交换，因此外围接口模块的设计要充分满足各种接口需求。

3.硬件设计实例一种基于CAN总线的车载智能终端硬件设计实例如下：主控制单元采用Cortex-A53架构的ARM处理器，集成CAN控制器；CAN总线模块采用高速CAN收发器，支持CAN2.0B协议；外围接口模块包括数字摄像头接口、USB接口、HDMI接口等；电源管理模块采用高效稳定的DC-DC变换器，支持宽电压输入。