基于CAN总线的嵌入式测温系统设计

1.引言

　　温度是一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温度：如大气及空调房中温度的高低，直接影响着人们的身体健康；在大规模集成电路生产线上，环境温度不适当，会严重影响产品的质量。由此作者提出设计一种基于工业通用的CAN总线标准的嵌入式测温系统，该系统能自动监测被测对象的温度，并且能通过CAN总线对温度进行远程监视和网络控制的智能测温系统。

　　2.整体系统设计

　　根据所给的设计要求，即具有数字显示、键盘输入、温度自动采样、能通过CAN（Controller Area Network）总线与上位机进行通信、异常情况自动报警等功能。我们可以构架出此智能温度仪表的整体设计框图如下图1所示。从图中可以看出整体硬件电路设计主要包括：微处理器8051部分、电源电路部分、温度信号输入部分、键盘输入部分、CAN总线通信部分、LED显示部分[1]。限于篇幅原因，作者在本文将重点介绍温度信号输入和CAN总线通信部分的具体电路设计。

 

 

 

　　3.温度输入电路设计

　　MAX6675是MAXIM公司生产的基于SPI(Serial Peripheral Interface) 串行外设接口总线的专用芯片，它不仅能对K型热电偶进行冷端温度补偿，还能对热电势信号进行数字化处理。可广泛用于工业、仪器仪表、自动化等领域[2]。

　　3.1 MAX6675的结构及工作原理

　　MAX6675的具体内部结构框图如图2所示。GND为地。UCC接电源的正极，该端需经外部0.1μF电容接地。T-接K型热电偶的冷端，并从外部接地。T+接热电偶的热端。SCK为串行输入端，SO为串行输出端。 为片选端，当 =0（低电平）时，串行接口有效。NC为空脚。主要包括8个部分：①低噪声电压放大器A1；②电压跟随器A2；③冷端温度补偿二极管；④基准电压源；⑤数字控制器；⑥12位ADC；⑦SPI串行接口（SCK、SO、 ）；⑧模拟开关（S1—S5）。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势（e）经过A1、A2得到放大后的热电势信号U1，再经过S4送给ADC。有公式：

　　U1=αTΔT=αT（T-T0）

　　其中：αT为K型热电偶的电压温度系数。αT=41μV/℃。T和T0分别为被测温度、冷端的环境温度。与此同时，冷端温度补偿二极管将T0转换成补偿电压U2，有公式：U2=αTT0，U2通过S5送给ADC。在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、、U2转换成数字量，再将U1、和U2相加并除以αT，即获得输出电压UO的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。需要指出，U2为毫伏级信号，e为微伏级信号，因此e必须首先放大成U1，二者才能相加。

 

　　图2  MAX6675的内部框图

　　3.2由MAX6675构成的测温系统

　　由MAX6675构成的测温系统电路如图3所示。将K型热电偶KH1的T+和T-分别接到MAX6675芯片的T+和T-的引脚上。MAX6675的 为片选端口接到CPU的P1.2引脚、SO输出端口接到CPU的P1.0引脚、SCK输入端口接到CPU的P1.1引脚[3]。

 

 

 

　　4.CAN总线通信电路及程序设计

　　4.1 CAN硬件电路设计

　　采用AT89C51单片机微控制器、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线驱动器PCA82C250及复位电路IMP708组成的CAN应用节点具体电路如下图4所示[4]。为了提高系统的抗干扰能力，本设计在SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250之间增加了光电隔离器6N137。