优化的CAN与1-Wire总线温度采集系统设计

杨　柳　胡以怀　郭慧茹

(上海海事大学商船学院，上海　201306)



优化的CAN与1-Wire总线温度采集系统设计

杨柳胡以怀郭慧茹

(上海海事大学商船学院，上海201306)

针对长距离、大规模、高密度的温度场测量应用，研究了一种基于CAN总线与1-Wire总线的经济型系统解决方案。该方案以Cortex-M3处理器为核心，对CAN总线与1-Wire总线接口的硬件电路进行优化，增强了网络的稳定性。同时，从工程实际应用出发，阐述了大规模测点的优化管理与维护。该方案现已成功应用于某电厂200MW机组的锅炉金属壁温在线检测系统，具有较好的工业应用前景。

温度采集检测测点定位DS18B20DS2484Cortex-M31-Wire总线CAN总线以太网传感器

0　引言

随着近年来自动化技术的迅速发展，温度作为最常见的测量对象之一，根据应用场合的不同，已涌现出多种传感器及其测量方法。然而，在研究某些对象的热力系统时，通常要在对象周围的较小空间里布置成百上千个测点。这种大规模、高密度的温度场测量系统对测点布置、信号采集、数据通信等都提出了较高要求。DS18B20是DALLAS公司生产的1-Wire总线数字式温度传感器。该芯片体积小、成本低且精度高，供电与通信只需3根线，特别适用于这种温度场的测量应用。虽然DS18B20已成为低成本应用方案的首选，但是受限于1-Wire总线设计的初衷是为相邻器件的短距离通信提供一种便利的板级内部通信，所以在各种设计中很少能提供DS18B20大规模网络的可靠方案。本文从CAN总线与1-Wire总线的各自特点出发，对其软硬件进行优化，设计了一套扩展能力强、易于维护的采集系统。

1　系统设计方案

为了提高采集系统的测点容量、通信距离以及可维护性，系统采用3层网络设计[1]，系统框图如图1所示。

图1　系统框图

各网络的功能如下。

①1-Wire总线,用于DS18B20网络，可实现短距离的多点温度采集；每个数据采集器包含3路独立的1-Wire总线接口，可根据测点布置要求，实现3个1-Wire网络的并行采集。

②CAN总线,用于数据采集器网络，实现传感器数据传输，以及接收上位机的管理命令。

③以太网,用于局域网计算机与数据采集器的通信，上位机可通过以太网或光纤以太网，实现对远程数据的采集与管理。

系统的核心部件为数据采集器，其不仅负责温度数据的采集，同时也管理整个网络的运行状态。采集器选用NXP公司生产的基于Cortex-M3内核的高速处理器LPC1764，主频高达100MHz，包含2路CAN控制器和3路I2C控制器，完全满足功能需求。

下文主要从软硬件的优化设计方面，阐述本文所提系统的特点。

2　硬件设计

2.1CAN总线硬件接口优化设计

CAN总线硬件接口设计由两个高速光耦隔离器6N137、收发器PC82C250以及DC/DC隔离电源等主要器件搭建而成。这种分立元件搭建的接口方式在实际故障维护时稍显不便。本文采用ADI公司生产的集成式CAN收发器ADM3053。该器件是一款隔离式控制器区域网络(CAN)物理层收发器，集成隔离DC/DC转换器，符合ISO11898标准[2]。该器件采用ADI公司的iCoupler技术，将双通道隔离器、CAN收发器和ADI公司的isoPowerDC/DC转换器集成于单个SOIC表贴封装中。片内振荡器输出一对方波，以驱动内部变压器提供隔离电源。CAN总线接口电路如图2所示。该器件采用5V单电源供电，提供完全隔离的CAN解决方案[3]。与分离式器件的方案相比，这种集成化的设计在性能、PCB布线、生产成本以及设备维护上都有所改进。

图2　CAN总线接口电路图

2.2 1-Wire总线硬件接口优化设计

在1-Wire总线设计中，大部分采用单片机I/O口模拟总线时序[4]。为保证正常通信，控制器必须满足以下基本条件：

①微处理器的通信端口必须是双向的，其输出为漏极开路；

②微处理器必须能产生标准速度1-Wire通信所需的1μs延时和高速通信所需要的0.25μs延时；

③通信过程不能被中断。

在短距离和少量测点的应用场合，采用I/O口模拟的方式是可行的，但是在组建长距离、大规模的1-Wire网络时，就会出现明显的网络不稳定现象。可靠的1-Wire网络必须保证通信线提供正确的时序和合适的电压摆率。1-Wire主机发送的时序不正确，会导致与1-Wire从器件之间的通信间断或完全失败[5]。输出电压摆率若不加以控制，可能严重限制网络的长度，并产生时通时断的现象。为此，本系统选用DALLAS公司生产的I2C接口1-Wire桥接器DS2484。只要主机具有普通的I2C通信接口，就可以通过桥接器产生严格定时和电压摆率可控的1-Wire波形。DS2484接收所要发送的指令与数据，执行1-Wire操作，并将结果返回至主机。该芯片作为1-Wire总线主机具有如下特点。

①I2C从站与LPC1764主站的通信速率支持标准模式(最大100kHz)和快速模式(400kHz)。

②芯片集成完整的1-Wire总线协议，只需接收I2C主机发送的命令，即可产生严格的1-Wire通信时序，实现DS18B20的复位、在线检测、读数据和写数据等功能。

③在寄生电容供电模式下，可通过软件设置来控制1-Wire总线的供电，从而可以在极端故障情况下实现对所有在网DS18B20芯片的复位。

④可通过软件修改总线时序的时间参数，从而根据网络的布线与负载，设定最佳的控制时序。

⑤内置±8kV的静电释放(electrostaticdischarge,ESD)保护，有效抑制因静电释放引起的芯片损坏。

LPC1764处理器内置3路独立的I2C控制器。为增加数据采集器DS18B20的数量，且不影响数据更新率，每个数据采集器包含3路1-Wire总线系统，且相互独立，并行工作，互不干扰。1-Wire总线电路图如图3所示。由于CORTEX-M3系统的供电为3.3V，为兼容1-Wire总线5V电平，以及隔离外部I2C通信，保护CORTEX-M3内核，电路中选用了热插拔数字隔离器ADUM1250。

通过对1-Wire总线硬件接口的优化和软件中时隙与摆率的调整，本方案可实现单个1-Wire网络中100m通信距离间至少64个测点的稳定通信[6]。

图3　1-Wire总线接口电路图

3　软件设计

数据采集器主要包括DS18B20底层驱动、测点管理以及上位机与采集器的CAN通信数据交互等[7]软件流程设计，图4为主程序软件流程图。在大规模采集系统中，如何管理所有测点是软件设计的重点和难点，下面具体介绍优化的测点管理方式。

图4　主程序流程图

3.1测点定位

为方便DS18B20的现场施工与管理，制线工艺采用全密封防水设计，将每一组温度传感器通过防水密封接头直接安装在三芯电缆上，组建一路1-Wire网络。以下将该线缆称为温度检测线。DS18B20安装示意图如图5所示。

温度检测线在出厂时为每一个DS18B20的温度上下限报警值寄存器(即TH和TL)写入相应的数值，以标志各个DS18B20在该条线上的相对位置，下面将该数值称为位置索引。系统中每个温度检测线的位置索引彼此独立。当采集器读取各传感器的温度值后，将其与位置信息进行组合编码，并通过CAN通信定时发送至上位机软件。上位机软件可根据温度检测线的施工布置图，设计直观的监测界面，清晰地显示每一个测点的采集数据以及工作状态。

图5　DS18B20安装示意图

3.2测点信息重置

当温度检测线第一次通电投入使用或采集器接收上位机的重置命令时，采集器进入测点重置子程序，图6(a)为测点信息重置流程图。通过信息重置，采集器可以自动地将在网的DS18B20的芯片信息和位置信息编制成一张通信表格[8]；然后根据表格记录的信息依次读取温度检测线上的温度数据；最终通过不同的CAN数据帧将温度值与位置索引进行编码，并发送至上位机。

3.3测点信息更改

当已经投入使用的温度检测线上的芯片需要更换或增加新的测点时，采集器需接收上位机发送的CAN指令，使其进入测点信息更改子程序，对已存在的通信表格进行更新，并将变化的测点信息发送至上位机。图6(b)为测点信息更改流程图。

图6　测点信息重置和更改流程图

4　结束语

本文以实际工程应用为出发点，介绍了硬件接口优化设计电路以及完善的测点管理软件流程。利用多层网络，构建了一个扩展性强、性能稳定的温度场测量系统。该方案已成功应用于某电厂200MW机组的锅炉金属壁温检测，实现了5km通信距离的1 500个传感器测点的实时在线测量，具有较好的工业应用前景。

[1] 王芳，王凯，王先超.基于ARM-Linux与DS18B20 的温度监测系统[J].计算机工程与计，2010，31(12)：2736-2739.

[2] 闫海明，冯源，田苗.基于DSP内嵌ECAN模块的总线接口设计[J].现代电子技术,2013,36(11):112-115.

[3] 谢云山，龚建宇，刘春雷,等.ADM3053在CAN隔离接口应用中的EMC设计[J].自动化与仪器仪表，2012(5):35-37

[4] 宋晓东，董凌翔，李琳娜.基于1Wire总线的紧凑型实时温度监测网构建[J].电讯技术,2014,54(7)：1011-1015.

[5] 包敬海，樊东红，陆安山,等.基于DS18B20 的多点体温检测系统的研究[J].自动化与仪表,2010(2)：20-2.

[6] 陈良光.DSl8B20在多点温度检测中的地址码设计及其在线纠错[J].传感技术学报，2005，18(3)：157—161．

[7] 王文，王直.基于ARM和DSl8B20的温度检测系统[J].电子设计工程，2011，19(20)：89—93．

[8] 李刚，赵彦峰.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用[J].现代电子技术，2005,28(21)：77—79．

陕西省科技厅工业科技攻关基金资助项目(编号：2015GY075)；

西安工程大学研究生创新基金资助项目(编号：CX201609)。

DesignoftheOptimizedTemperatureAcquisitionSystemBasedonCANand1-WireBuses

Forthemeasurementapplicationoflong-distance,large-scaleandhigh-densitytemperaturefield,theeconomicsystematicsolutionbasedonCANbusand1-Wirebusisprovided.Withthisscheme,theCortex-M3processorisusedasthecore,andtheinterfacinghardwarecircuitsoftheCANbusand1-Wirebusareoptimized,thusthestabilityofnetworkisenhanced.Fromthepracticalengineeringapplication,theoptimummanagementandmaintenanceforlargescalemeasuringpointsareexpounded.Thisschemehasbeensuccessfullyappliedinonlinetemperaturemeasurementsystemofboilermetalwalltubesinacertain200MWunit.Itsindustrialapplicationprospectseeingtobebright.

TemperatureacquisitionDetectionLocatingthemeasurementpointDS18B20DS2484Cortex-M31-WireBusCANbusEthernetSensor

杨柳(1986—)，男，2009年毕业于上海海事大学检测技术与自动化专业，获硕士学位，工程师；主要从事船舶自动化控制系统的研究。

TH86;TP23

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609014

修改稿收到日期：2015-12-08。