基于CAN的農業(yè)灌溉監測系統設計

近年來(lái)，隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展，各地水需求量逐漸增加，水資源供需的矛盾日益顯著(zhù)。我國水資源利用效率很低，農業(yè)灌溉水利設施建設落后，水浪費現象嚴重。因此，如何提高農業(yè)灌溉水資源的利用率就顯得極其重要。通過(guò)測量灌溉流量的實(shí)時(shí)信息來(lái)有效地節約利用水資源，這就用到了自動(dòng)控制系統。確保系統穩定性，降低系統成本的重要環(huán)節是在自控系統中使用何種通訊方式?；诂F場(chǎng)總線(xiàn)的通訊與控制技術(shù)是目前工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中的主要技術(shù)之一，它具有信息數字化和控制分散化等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制領(lǐng)域中應用日益廣泛?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的國際先進(jìn)水平已經(jīng)達到二芯載波電纜控制10Km距離的推廣階段，但我國在大田農業(yè)灌溉控制系統應用上，基于總線(xiàn)方式的控制技術(shù)還顯得相當薄弱[1]。因此，借鑒先進(jìn)的設計思想，開(kāi)發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的基于現場(chǎng)總線(xiàn)的灌溉控制系統，符合農業(yè)現代化對自動(dòng)化技術(shù)的需求。

1系統組成

組成現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，并通過(guò)以AT89C51處理器為核心的一個(gè)數據轉換系統。本系統CAN總線(xiàn)模塊以AT89C51為微處理器，在CAN總線(xiàn)通信接口上，采用了飛利浦公司的SJA1000和TJA1050芯片，SJA1000是獨立CAN通信控制器，TJA1050為高性能CAN總線(xiàn)收發(fā)器。電路主要由微控制器AT89C51、獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線(xiàn)收發(fā)器TJA1050和流量計四部分所構成。微處理器AT89C51負責SJA1000的初始化，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現數據的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。系統結構原理圖如圖1-1所示：

圖1-1系統結構原理圖

1灌溉系統測量及數據處理

水流量傳感器主要由閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。它裝在進(jìn)水端，用于檢測進(jìn)水流量，當水通過(guò)水流轉子組件時(shí)，磁性轉子轉動(dòng)并且轉速隨著(zhù)流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，進(jìn)行調控。接線(xiàn)端口有正極、信號輸出線(xiàn)、負極。單片機通過(guò)計算輸出脈沖數，結合水流量計的參數計算流過(guò)的水流量；單片機I/O與存儲器的接口連接，單片機將采集后的數據經(jīng)處理后可以存放在存儲器中，單片機的I/O接口與液晶以及上位機連接，經(jīng)過(guò)單片機采集處理后的數據可以進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并上傳至上位機保存。流量計的接線(xiàn)方式如圖1-2所示：

圖1-2水流量傳感器接線(xiàn)端口

1.2灌溉系統通信部分的組成

CAN總線(xiàn)器件比較流行的有兩大種:一種是有在片CAN的微控制器。另一種是獨立的CAN控制器，本設計選用PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及TJA1050總線(xiàn)收發(fā)器，其中TJA1050可以支持110個(gè)CAN節點(diǎn)，SJA1000持CAN2。0A/B規約。SJA1000用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò )中，它是PHILIPS半導體PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)的替代產(chǎn)品。而且，它增加了支持具有很多新特性的CAN2.0B協(xié)議的工作模式[2]。片內含信息緩沖、位流處理、位定時(shí)邏輯、接收濾波、錯誤管理邏輯等電路，并配置有豐富的功能寄存器?？赏瓿蓴祿蓭?、總線(xiàn)填充、錯誤檢測、總線(xiàn)仲裁及錯誤界定處理等規范。SJA1000的數據線(xiàn)AD0-AD7連接到單片機的P0口，/CS與P2.0連接。P2.0為低時(shí)，CPU的外部存儲地址可選種SJA1000，CPU通過(guò)這些地址可以對SJA1000進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。SJA1000的ALE，/WR，/RD引腳分別與CPU的相應引腳相連。/INT與CPU的INT0相連，CPU通過(guò)中斷方式對SJA1000進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)．試驗中應該加強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾的能力，這就要求SJA1000當的RX0，TX0不直接與TJA1050中的RXD，TXD相連，而要通過(guò)光藕6N137和TJA1000相接，這樣總線(xiàn)上的各個(gè)節點(diǎn)之間的電氣隔離就能更好的實(shí)現。不過(guò)，應該注意的是，這樣光藕部分所應用的兩個(gè)電源必須完全電氣隔離，不然的話(huà)采用光偶就失去了意義。電源隔離可以采用帶多個(gè)5V隔離輸出開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現[3]。單片機與SJ1000的連接原理圖如圖1-3所示：

圖1-3SJA1000與單片機接口設計原理圖

TJA1050是控制器區域網(wǎng)絡(luò )(CAN)協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口。TJA1050可以為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能，為總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送性能。能夠將輸出信號CANH和CANL的最佳匹配，能夠將電磁輻射變得更小。TJA1050的CAN總線(xiàn)接口部分采取了抗干擾和安全的一些措施。TJA1000的兩個(gè)引腳CANL，CANH都是用一個(gè)5.1Ω的電阻與CAN總線(xiàn)連通，其中電阻可以起到限流保護作用，使TJA1000不被過(guò)流的損害[4]。在地與CANL，CANH之間并聯(lián)了兩個(gè)30PF的電容，具有防輻射和濾除總線(xiàn)上的高頻干擾的能力。再就是在CANH，CANL與地間可以接入兩個(gè)防雷擊管，當地與兩個(gè)各輸入端之間出現瞬變干擾的時(shí)候，防雷擊管的放電可以起到一定的保護作用[5]。TJA1050設計原理圖如圖1-4所示：

圖1-4TJA1050設計原理圖

2系統的軟件設計

CAN總線(xiàn)的軟件設計主要包含三部分：CAN初始化程序、報文的發(fā)送程序、報文的接收程序[6]。CAN初始化主要是設置CAN的通信參數。需要初始化的CAN控制寄存器有：模式寄存器、時(shí)分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線(xiàn)定時(shí)寄存器、輸出控制寄存器等。值得注意的是以上寄存器只能在CAN控制器處于復位狀態(tài)下才可寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)[7]。發(fā)送數據程序把數據存儲區中待發(fā)送的數據取出，組成信息幀，并將主機的ID地址填入幀頭，將信息幀發(fā)送到CAN控制器的發(fā)送緩沖區。在接收到主機的發(fā)送請求后，發(fā)送程序啟動(dòng)發(fā)送命令。信息從CAN控制器發(fā)送到總線(xiàn)是由CAN控制器自動(dòng)完成的。信息從CAN總線(xiàn)到CAN控制器的接收緩沖區也是由CAN控制器自動(dòng)完成的。接收程序只需從接收緩沖區讀取信息，并將其存儲在數據存儲區。