摘要：我國(guó)農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，灌溉水利用效率低，因此如何提高農(nóng)業(yè)灌溉水資源的利用率就顯得尤為重要，為了節(jié)約并且能更好的利用農(nóng)業(yè)灌溉水資源，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線控制的農(nóng)業(yè)灌溉流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有靈敏的測(cè)量和顯示功能，系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)作為平臺(tái)對(duì)流量進(jìn)行顯示，利用RG-1流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量，并利用獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000及CAN總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出的一種水流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有靈敏的測(cè)量精度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，穩(wěn)定性和重復(fù)性好?？扇〈鷤鹘y(tǒng)的流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉水流量準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、控制的目的。

關(guān)鍵詞：CAN總線;單片機(jī);控制系統(tǒng);流量計(jì);SJA1000

AgriculturalirrigationbasedonCANbuscontrolmonitoringsystemdesign

WENLong-Liu1，ZHENGChanJiang1

(CollegeofAutomationandElectronicEngineering，QingdaoUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266042，China)

Abstract:Theshortageofwaterresourceinourcountry,resourceutilizationislow,howtoimprovetheutilizationofagriculturalirrigationwaterisextremelyimportant.Basedonfieldbuscommunicationandcontroltechnologyiscurrentlyoneofthemaintechnologyinthefieldofindustrialautomaticcontrol,buildingcontrolsystembysingle-chipmicrocomputerandwithSJA1000andTJA1050constructionofCANbuscontrollerforagriculturalirrigationwatermetermonitoring,achievethegoalofsavingwater.

Keywords:CANbus;Single-chipmicrocomputer;Flowgauge；TJA1050;SJA1000;Controlsystem;

0引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)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。我國(guó)水資源利用效率很低，農(nóng)業(yè)灌溉水利設(shè)施建設(shè)落后，水浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，如何提高農(nóng)業(yè)灌溉水資源的利用率就顯得極其重要。通過(guò)測(cè)量灌溉流量的實(shí)時(shí)信息來(lái)有效地節(jié)約利用水資源，這就用到了自動(dòng)控制系統(tǒng)。確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)成本的重要環(huán)節(jié)是在自控系統(tǒng)中使用何種通訊方式?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的通訊與控制技術(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(shù)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(yīng)用日益廣泛?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的國(guó)際先進(jìn)水平已經(jīng)達(dá)到二芯載波電纜控制10Km距離的推廣階段，但我國(guó)在大田農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)應(yīng)用上，基于總線方式的控制技術(shù)還顯得相當(dāng)薄弱[1]。因此，借鑒先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的灌溉控制系統(tǒng)，符合農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的需求。

1系統(tǒng)組成

組成現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)以AT89C51處理器為核心的一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。本系統(tǒng)CAN總線模塊以AT89C51為微處理器，在CAN總線通信接口上，采用了飛利浦公司的SJA1000和TJA1050芯片，SJA1000是獨(dú)立CAN通信控制器，TJA1050為高性能CAN總線收發(fā)器。電路主要由微控制器AT89C51、獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器TJA1050和流量計(jì)四部分所構(gòu)成。微處理器AT89C51負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1-1所示：

圖1-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1灌溉系統(tǒng)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

水流量傳感器主要由閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。它裝在進(jìn)水端，用于檢測(cè)進(jìn)水流量，當(dāng)水通過(guò)水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，進(jìn)行調(diào)控。接線端口有正極、信號(hào)輸出線、負(fù)極。單片機(jī)通過(guò)計(jì)算輸出脈沖數(shù)，結(jié)合水流量計(jì)的參數(shù)計(jì)算流過(guò)的水流量；單片機(jī)I/O與存儲(chǔ)器的接口連接，單片機(jī)將采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以存放在存儲(chǔ)器中，單片機(jī)的I/O接口與液晶以及上位機(jī)連接，經(jīng)過(guò)單片機(jī)采集處理后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并上傳至上位機(jī)保存。流量計(jì)的接線方式如圖1-2所示：

圖1-2水流量傳感器接線端口

1.2灌溉系統(tǒng)通信部分的組成

CAN總線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(dú)立的CAN控制器，本設(shè)計(jì)選用PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及TJA1050總線收發(fā)器，其中TJA1050可以支持110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，SJA1000持CAN2。0A/B規(guī)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(dǎo)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(nèi)含信息緩沖、位流處理、位定時(shí)邏輯、接收濾波、錯(cuò)誤管理邏輯等電路，并配置有豐富的功能寄存器?？赏瓿蓴?shù)據(jù)成幀、總線填充、錯(cuò)誤檢測(cè)、總線仲裁及錯(cuò)誤界定處理等規(guī)范。SJA1000的數(shù)據(jù)線AD0-AD7連接到單片機(jī)的P0口，/CS與P2.0連接。P2.0為低時(shí)，CPU的外部存儲(chǔ)地址可選種SJA1000，CPU通過(guò)這些地址可以對(duì)SJA1000進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。SJA1000的ALE，/WR，/RD引腳分別與CPU的相應(yīng)引腳相連。/INT與CPU的INT0相連，CPU通過(guò)中斷方式對(duì)SJA1000進(jìn)行訪問(wèn)．試驗(yàn)中應(yīng)該加強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾的能力，這就要求SJA1000當(dāng)?shù)腞X0，TX0不直接與TJA1050中的RXD，TXD相連，而要通過(guò)光藕6N137和TJA1000相接，這樣總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離就能更好的實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，應(yīng)該注意的是，這樣光藕部分所應(yīng)用的兩個(gè)電源必須完全電氣隔離，不然的話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(xiàn)[3]。單片機(jī)與SJ1000的連接原理圖如圖1-3所示：

圖1-3SJA1000與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)原理圖

TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。TJA1050可以為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能，為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能。能夠?qū)⑤敵鲂盘?hào)CANH和CANL的最佳匹配，能夠?qū)㈦姶泡椛渥兊酶　JA1050的CAN總線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總線連通，其中電阻可以起到限流保護(hù)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(dāng)?shù)嘏c兩個(gè)各輸入端之間出現(xiàn)瞬變干擾的時(shí)候，防雷擊管的放電可以起到一定的保護(hù)作用[5]。TJA1050設(shè)計(jì)原理圖如圖1-4所示：

圖1-4TJA1050設(shè)計(jì)原理圖

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

CAN總線的軟件設(shè)計(jì)主要包含三部分：CAN初始化程序、報(bào)文的發(fā)送程序、報(bào)文的接收程序[6]。CAN初始化主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)。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(fù)位狀態(tài)下才可寫(xiě)訪問(wèn)[7]。發(fā)送數(shù)據(jù)程序把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中待發(fā)送的數(shù)據(jù)取出，組成信息幀，并將主機(jī)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(qū)。在接收到主機(jī)的發(fā)送請(qǐng)求后，發(fā)送程序啟動(dòng)發(fā)送命令。信息從CAN控制器發(fā)送到總線是由CAN控制器自動(dòng)完成的。信息從CAN總線到CAN控制器的接收緩沖區(qū)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(qū)讀取信息，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

2.1CAN總線節(jié)點(diǎn)初始化程序

節(jié)點(diǎn)初始化主要指的是在系統(tǒng)上電以后對(duì)89C51以及CAN控制器SJA1000所進(jìn)行初始化，來(lái)保證工作主頻、輸出特性以及波特率等。89C51的初始化能通過(guò)結(jié)合他們的監(jiān)控任務(wù)來(lái)進(jìn)行，主要就是完成對(duì)中斷允許與屏蔽以及定時(shí)器的使用與和設(shè)置等。這里著重來(lái)說(shuō)明SJA1000的初始化，SJA1000內(nèi)部沒(méi)有微處理器，要實(shí)現(xiàn)它的初始化要依靠89C51對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)。在復(fù)位模式下才能進(jìn)行SJA1000的初始化，因此在SJA1000初始化程序中第一要把工作方式置換為復(fù)位模式，然后設(shè)置驗(yàn)收濾波方式等。在CAN協(xié)議物理層當(dāng)中的通信波特率的大小以及同步跳轉(zhuǎn)寬度都是由定時(shí)寄存器BTR0和BTR1的程序所決定。著重強(qiáng)調(diào)的是：對(duì)一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中的所有的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)寄存器的所有內(nèi)容一定要一樣，不然將沒(méi)有辦法進(jìn)行通信。當(dāng)初始化的設(shè)置完成以后，把復(fù)位請(qǐng)求位置‘0’，SJA1000就能夠進(jìn)入到工作狀態(tài)，來(lái)完成正常的通信任務(wù)[8]。初始化程序如下：

#include<80c196kd.h>//包含的控制器寄存器定義

#include_SFR_H_

#include_FUNCS_H_

#defineBASE_CAN0xa000//定義CAN控制器基址

typedefstruct{

unsignedintid;/*報(bào)文標(biāo)識(shí)符*/

unsignedcharrtr;/*遠(yuǎn)程幀位*/

unsignedchardlen;/*數(shù)據(jù)長(zhǎng)度*/

unsignedchardata[8];/*數(shù)據(jù)*/

}MSG_STRUCT;/*將CAN協(xié)議的幀用C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)表示*/

voidinit_can(){

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+0)=0x01;

/*SJA1000進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)*/

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+4)=0x00;

/*初始化接收代碼寄存器ACR*/

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+5)=0xff;

/*初始化接收屏蔽寄存器AMR*/

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+6)=0x00;

/*初始化總線時(shí)序寄存器BTR0*/

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+7)=0x14;

/*初始化總線時(shí)序寄存器BTR1*/

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+8)=0xfa;

/*初始化輸出控制寄存器OCR*/

}

2.2報(bào)文發(fā)送程序

發(fā)送程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送，發(fā)送時(shí)用戶(hù)只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報(bào)文，送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中，并將SJA1000的命令寄存器發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志位(TR)置位。SJA1000會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。但是，在往SJA1000發(fā)送緩存區(qū)發(fā)送報(bào)文之前，必須先對(duì)發(fā)送緩沖器是否釋放進(jìn)行判斷，只有當(dāng)發(fā)送緩沖器標(biāo)志(TBS)為“1”時(shí)，發(fā)送緩沖器才被釋放，可將新報(bào)文寫(xiě)入發(fā)送緩存，否則，在發(fā)送緩沖器被鎖定時(shí)，新報(bào)文是不能被寫(xiě)入發(fā)送緩沖器的。發(fā)送程序分?jǐn)?shù)據(jù)幀和發(fā)送遠(yuǎn)程幀兩種。遠(yuǎn)程幀無(wú)數(shù)據(jù)場(chǎng)。發(fā)送程序一般編寫(xiě)成子程序的形式。報(bào)文發(fā)送程序如下：

unsignedcharcan_send(MSG_STRUCTsmsg)

{unsignedcharv;

inti;

v=*(unsignedchar*)(BASE_CAN+2);

if(v&0x08)/*判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)*/

{v=smsg.id>>3;/*標(biāo)識(shí)符送識(shí)別碼寄存器*/

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+10)=v;

v=*(unsignedchar*)(BASE_CAN+10);

v=smsg.id&7;/*識(shí)別碼0-2位、RTR、DLC*/

v<<=5;

v+=smsg.dlen;

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+11)=v;

for(i=0;ii

{

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+12+i)=smsg.data[i];

}

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+1)=0x01;

return(1);

}

else

return(0);

}

2.3報(bào)文接收程序

SJA1000的報(bào)文接收是它自身獨(dú)立完成的，它接收到的報(bào)文經(jīng)過(guò)濾波驗(yàn)收以后，暫時(shí)放在接收緩沖器FIFO當(dāng)中。在報(bào)文進(jìn)到接收緩沖器之后，狀態(tài)寄存器的RBS會(huì)被置‘1’，與此同時(shí)若中斷使能寄存器的RIE被設(shè)為‘1’時(shí)，中斷寄存器的RI位也會(huì)被置為‘1’，然后SJA1000向CPU提出中斷請(qǐng)求。報(bào)文接收可以采取查詢(xún)接收方式或者是中斷接收方式。如果對(duì)通信的實(shí)時(shí)性的要求沒(méi)有那么強(qiáng)那就可以采取查詢(xún)接收方式[9]。報(bào)文接收程序如下：

unsignedcharcan_receive()

{

MSG_STRUCTrmsg;

inti;

unsignedcharbuf1，buf2;

while((*(unsignedchar*)(BASE_CAN+2))&0x01)

/*判斷是否有可接收信息*/

{

buf1=*(unsignedchar*)(BASE_CAN+20);

/*將一幀信息取出*/

buf2=*(unsignedchar*)(BASE_CAN+21);

rmsg.dlen=buf2&0x0f;/*數(shù)據(jù)長(zhǎng)度*/

for(i=0;i

rmsg.data[i]=*(unsignedchar*)(BASE_CAN+22+i);

}

*(unsignedchar*)(BASE_CAN+1)=0x04;

/*釋放接收緩沖器*/

rmsg.rtr=(buf2>>4)&0x01;/*遠(yuǎn)程幀*/

rmsg.id=buf1;/*取出報(bào)文標(biāo)識(shí)符*/

rmsg.id<<=3;

rmsg.id|=(buf2>>5)&0x06;

switch(rmsg.id)/*按標(biāo)識(shí)符轉(zhuǎn)入不同的數(shù)據(jù)處理程序*/

case

......

break;

}

3系統(tǒng)應(yīng)用必要性總結(jié)

中國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺乏的國(guó)家，提倡節(jié)水灌溉勢(shì)在必行，實(shí)施按方收費(fèi)是農(nóng)田灌溉用水的必然趨勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉用水的微機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、計(jì)量、收費(fèi)一體化。CAN總線是自動(dòng)化控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的局域網(wǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。在本次設(shè)計(jì)中將控制器與CAN總線進(jìn)行了很好的結(jié)合，在應(yīng)用中充分發(fā)CAN總線的優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)田灌溉監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

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