毕业设计（论文）基于CAN总线数据采集系统设计（含电路图）

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1、 山东交通学院毕业论文（设计） 山东交通学院2011届毕业生毕业论文（设计）题目:基于CAN总线数据采集系统设计外文翻译，开题报告，总电路图，联系QQ153893706系 别 工程机械系 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 机械074 学 号 姓 名 指导教师 二一一 年 六 月摘 要对PICl8F458单片机以及其集成的CAN控制器进行了探究，并以它为处理器进行硬件、软件设计，使CAN总线的通讯更加直观。本系统所设计的信息采集系统，结构简单，体积小，可靠性与稳定性高，而且使用方便、应用灵活，实现了以最少的成本出色完成任务的目的，大大地加速了其应用领域智能化、科学化与规范化的进程。介绍了路面

2、加速加载试验设备数据采集系统和CAN总线通信的实现过程。该控制系统自动化程度高、人机界面友好、稳定性好，可以在线检测工作温度、环境温度、压力等参数，并能够实时显示。运行结果表明，系统安装、维护方便、操作简单，测量精度高，运行可靠。CAN控制局域网因其卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计受到工业界的广泛重视，并被认为是最有前途的现场总线之一。研究了CAN协议在所选内嵌CAN总线控制器的PICl8F458微处理器上的具体实现，设计出一点对三点的CAN总线的双向通讯系统。关键词：加速加载，数据采集，CAN总线AbstractWe make a design after studying deeply

3、 on MCUPIC18F458 which integral CAN controllerThis system has many meritsThe system of smart instruments has simple structure，small size，high reliability and stabilityBesides, its easy to use，flexible application, lower cost, multifunction and it uses plenty limited space in smart instrumentsAll of

4、these enhance the smart instrumentsadvantages on market competition and greatly accelerate its application intelligent, scientific and standardized process.Focusing on self-developed highway accelerated loading testing facility, the data acquisition system and the communicating process of smart inst

5、ruments with the CAN bus are introduced in details. The system has the advantage of automation, friendly human-computer interface, and steady performance. It can measure the parameter of temperature, pressure in real time. The related parameter can be displayed on time. The experimental operation sh

6、ow that the system is characterized by easy fixing and maintaining, convenient operating, highly accurate measure, and reliable operation.CAN bus is known as one of the most famous field bus because its excellent characteristics High reliability and special designIt applies the CAN protocol to MCU(P

7、ICl8F458)which is with the CAN module and design a bidirectional communication system which is from one node to three nodes.Key words: Accelerated loading, data acquisition, CAN bus目 录前 言11 绪论21.1路面加速加载设备国内外发展概况21.2 现场总线41.2.1基金会现场总线FF41.2.2 LonWorks41.2.3 PROFIBUS41.2.4 HART41.2.5 CAN(Control Area

8、Network)51.3本文完成主要工作51.4 研究意义62 基于CAN总线的数据采集系统硬件设计72.1 数据采集系统整体硬件电路设计72.2主要器件介绍92.2.1 CAN控制器PCA82C250简介92.2.2 PIC18F458单片机的特点102.2.3 I/O端口模块122.2.4 定时器TMR0模块122.2.5 A/D转换器模块132.2.6 CAN控制器模块132.3 数据采集152.3.1 温度数据的采集152.3.2 压力数据的采集172.4 数据的显示输出182.5 CAN通讯硬件电路设计192.5.l 硬件系统组成原理及通信过程192.5.2 CAN总线通信接口电路2

9、02.6 硬件抗干扰措施223 基于CAN总线的数据采集系统软件设计243.1 主节点数据显示程序设计243.2 从节点数据采集程序设计253.2.1 模数转换简介253.2.2 PIC18F458单片机ADC模块253.2.3 A/D转换初始化子程序273.2.4 从节点数据采集程序273.3 主从节点CAN通讯软件设计283.3.1 CAN节点的初始化293.3.2 CAN节点信息的发送293.3.3 CAN节点信息的接收30结 论32致 谢33参考文献3435前 言路面加速加载试验设备是试验、检测路面材料与结构的专用设备。运用这种设备进行试验是目前国际上先进的路面现场试验手段，通过可控的

10、试验轴载及温度对路面结构进行连续加载，真实模拟汽车轮胎在路面上的运动状态，研究各种路面的使用年限，更好的对路面进行设计研究。试验还能根据表征路面结构使用性能指标的检测。在较短的时间内建立路面结构使用性能指标的变化规律，从而得到对路面结构长期使用性能的评价。为了降低施工和维护成本，延长路面使用周期，在道路设计施工初期就应充分考虑路面长期使用性能及路用材料性质、道路的生命周期等。采用路面加速加载设备通过对所试验路段真实模拟路面上的运动状态，在较短时间内加速道路损坏，找出路面结构使用性能指标的变化规律，分析道路生命周期内的破坏机理，得出对路面结构长期使用性能的评价，从而为道路的设计、施工、养护、验收

11、以及新技术、新材料的应用提供依据。利用路面加速加载试验系统快速模拟车辆在不同道路上的实际运行状况，对研究路面结构的使用性能、路面材料参数及路面结构评价具有重要的意义，然而路面加速加载试验系统模拟成功与否关键在于数据采集系统，因此对数据采集信号的研究有较大的意义。本文主要研究路面加速加载设备对试验路面温度信号、压力信号并对采集数据进行处理、分析、输出显示。信号的综合采集，应用目前已被很多大公司采用的CAN总线技术，采用PHILIPS公司的CAN控制器PCA82C250，将专用微处理器PICl8F458置入路面加速加载设备中，使其具有数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多

12、个数据测量节点连接成网络系统，按照公开、规范的通信协议，实现数据传输与信息输出，直接显示所需的试验数据，使工作人员很好的读取系统所采集的数据。1 绪论1.1路面加速加载设备国内外发展概况从五十年代起，经济的快速发展促进了大多数工业国家交通运输业的发展，表现在交通运输车辆数量和载重量的持续快速增长，这样，一方面导致新建和改建道路数量的增加，另一方面需要加强对现有路网的养护来满足交通量增长的需求。原有的按照传统设计方法，以及经验推论设计的路面已不能适应这些大交通量、重交通载载、新的轴组和胎压的要求。由于利用野外长期路面观测的方法来评价现有路面不具有普遍的适用性，数据采集不仅受时间的限制，而且受制于

13、观测路段通行交通量的多少和通行荷载的大小。因此，加速加载试验做为一种尝试，受到世界许多国家的青睐。1909年美国底特律的筑路材料测定仪(Ray 1964)和 1912年英国的钢轮与橡胶轮加载设备可算是最初的环型轨道试验的雏形。于1919年开始到1951年结束的美国WASHO试验路使加速加载试验达到了顶峰，WASHO试验在统计分析标准的确定和对路面结构与载荷的认识方面做出了重要贡献。19581960年进行的AASHO道路试验是在专门修建的试验路上，使用卡车对大量的不同路面结构进行加载，建立了路面设计参数、轴载及轴载组合与重复荷载次数的关系，总结提出了路面性能评价指标即路面服务能力指数(PSI)和

14、当量标准轴载(ESAL)的概念，这两个参数至今仍被世界各国公路设计者采用。进入六十年代后，加速加载试验作为一种先进的试验手段被世界各国认可，相继开发了一系列的加速加载装置，这个时期的加载试验装置大部分为室内静载加载装置和动载环道试验设备。七十年代开发的主要设备为环道试验设备和直线式加载装置。到八十年代中期，澳大利亚设计制造的可移动式、野外足尺加速加载试验设备(ALF)是一个突破，如图1.1所示。它将室内同定式的加载设备改进成野外可移动的，并能在足尺路面结构上施加实际汽车轮载的加载设备，成为加速加载试验一个新的代表。 图1.1 ALFFig.1.1 ALF纵观加速加载设备的发展史，可以将加速加载

15、试验的方式归结为以下几种:(1)试验路法；(2)室内外环道试验；(3)直线式加载设备；(4)动静载脉冲试验设备；(5)野外足尺加速加载试验设备。公路路面加速加载试验设备由20世纪80年代开始在澳大利亚和新西兰投入应用。到1997年底，全世界共有15个国家和组织拥有各种类型的加速加载试验设备近40台，其中应用于六十年代的有6台，七十年代的有14台，八十年代的有7台，九十年代的有13台，从以上各年代加速加载试验设备的应用数量上看，七十年代和九十年代是加速加载试验在公路研究中使用最多的时期。国内外有许多单位都对路面加速加载实验设备进行了研究和探索。其中一些仅为自行研究和使用，如美国加州大学伯克利分校

16、、普度大学和中国的长沙理工大学等。而作为商品的设备世界范围内只有少数国家生产，如南非、美国、澳大利亚。图1.2 脉冲式路面加速加载设备Fig.1.2 Pulse surface acceleration of loading equipment我国在1990年从国外购买了一台路面加速加载试验设备，并首次在京深高速公路河北省正定县道路试验段进行了实验，结果一致认为加速加载试验设备应用性能好，结果可靠、准确。由于进口设备价格昂贵，供货周期长等原因，至今全国共购买四台类似设备，分别为1990年交通部公路科学研究所购买的ALF型路面加速加载试验设备；辽宁省交通科学研究院2010年购买的MLS66型路面

17、加速加载试验系统；同济大学2010年购买的MLS型路面加速加载试验系统；长安大学2010年购买的路面加速加载试验系统HVS，其中部分还在安装调试过程中。近几年，随着世界经济的迅速发展和公路建设的迫切需要，国际上路面加速加载试验系统需求量剧增。1.2 现场总线现场总线发展至今，世界上约有40多种。其中较流行的现场总线主要有以下几种，它们具有各自的组织、标准、芯片和特点，每一种现场总线都是在其支持公司或者组织多年产品技术研发成果积累的基础上产生的，已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。1.2.1基金会现场总线FFFF是现场总线基金会的缩写，现场总线基金会是国际公认的、唯一不属于某

18、企业的、非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制定单一的国际现场总线标准。FF协议的前身是以美国Fisher-roserount 公司为首，联合ABB等80家公司制定的TSP协议，和以Honeywell公司为首、联合欧洲等地的150家公司制定的WorldFIP协议，追于用户的压力，支持ISO和WorldFIP的两大集团于1994年9月握手言和，成立了现场总线基金会FF。FF以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。基金会现场总线分为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。低速现场总线HI的传输速率为31.25Kbps，高速现场总线

19、HSE的传输速率为l00Mbps，H1支持总线供电和本质安全特性。最大通信距离为1900米(如果加中继器可延长至9500米)，最多可直接连接32个节点(非总线供电)，13个节点(总线供电)，6个节点(本质安全要求)，如果加中继器最多可连接240个节点，通信介质为双绞线、光缆等。1.2.2 LonWorksLonWorks：是局部操作网络的缩写。它是由美国Echelon公司推出并由它和摩托罗拉，东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部7层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bps至15Mbps不等

20、，宜接通信距离可达2700m(78kbps双绞线)；支持双绞线，同轴电缆，光纤，射频，红外线，电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通信控制网络。1.2.3 PROFIBUSPROFIBUS是德国国家标准DIN9245和欧洲标准EN50170的现场总线，PROFIBUSFMS和PROFIBUSPA组成了PROFLBUS系列。DP型用于分散外设问的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织，楼宇自动化，可编程控制器，低压开关等。而PA性则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IECll58-2标准。1.2.4 HARTHART是Highway

21、Addressable Remote Transducer的缩写。最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司支持，与1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力，得到了较快的发展。1.2.5 CAN(Control Area Network)20世纪80年代，由于欧洲汽车发展工业的需要，最先由德国Bosch公司提出CAN总线方案以解决汽车装置间的通信问题，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

22、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。Bosch公司于1986年正式公布了这一总线，其规范现已被国际标准化组织(ISO)制定为国际标准。很快得到了Motorola、Intel、Philips、SIEMENS、NEC等公司的支持，广泛应用在离散控制领域。CAN总线控制局域网是为汽车而开发的串行数据通信总线，因此其第一用户当然是汽车工业。目前，一些在世界上举足重轻的汽车制造商都在积极的将CAN总线用在新型汽车上，如奔驰、宝马、保时捷、劳斯来斯和美洲豹等都已开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各见着和执行结构间的数据通信。由于CAN具有通信速率高、

23、可靠性强、连接方便、性能价格比高等特点。其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了过程工业，机械工业，纺织工业，农用机械，机器人，数控机床，医疗器械，家用电器及传感器、建筑、环境控制等领域发展。如SIEMENS公司生产的CT断层扫描仪采用了CAN总线，改善了设备的性能。CAN已经成为全球范围内最主要的总线之一，甚至领导着串行总线的发展。在1999年，有近6000万个CAN控制器投入应用；2000年，市场销售了超过l亿个CAN器件。在各种总线的应用中，因具有卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计而受到工业界的广泛重视，CAN总线一直处于浪尖，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。1.3本文完

24、成主要工作目前，已经被许多大公司采用CAN总线技术，应用范围已不再局限于汽车行业，而向工程控制、机械工业、机器人、数控机床、医疗器械等领域发展。采用PHILIPS公司的CAN控制器PCA82C250，将专用微处理器PICl8F458置入路面加速加载设备中，使其具有数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个数据测量节点连接成网络系统，按照公开、规范的通信协议，实现数据传输与信息输出，直接显示所需的试验数据。本设计采用微处理器作为路面加速加载设备的核心，设计出的数据采集系统，能完成数据采集的功能和对实时数据的显示等功能。此外，路面加速加载设备采用目前较为流行的CAN总线接口

25、来实现通讯功能，使得显示系统的抗干扰能力得到提高。本设计在硬件上采用了单片机PICl8F458作为设备的CAN总线的控制核心，成功地运用了PHILIPS公司的CAN控制器PCA82C250连接CAN总线。研究的内容包括路面加速加载设备数据采集系统的硬件电路设计，软件设计，并能实时地显示采集的数据。本课题完成的主要工作如下：（1）试验路段路面温度和加速加载设备工作环境温度的数据采集系统设计利用PIC18F458单片机的片上ADC模块采集LM35输出的电压值。（2）对路面加速加载设备对路面所加压力的数据采集系统设计利用PIC18F458单片机的片上ADC模块采集NS-W型压力传送器的电压值。（3）

26、对各节点的PIC18F458通过CAN总线与主节点的PIC18F458单片机通信并在主节点输出显示。1.4 研究意义随着世界经济的迅速发展和公路建设的迫切需要，国际上路面加速加载试验系统需求量剧增。运用这种设备进行试验是目前国际上先进的路面现场试验手段，通过可控的试验轴载及温度对路面结构进行连续加载，真实模拟汽车轮胎在路面上的运动状态，研究各种路面的使用年限，更好的对路面进行设计研究。试验还能根据表征路面结构使用性能指标进行检测。在较短的时间内建立路面结构使用性能指标的变化规律，从而得到对路面结构长期使用性能的评价。各国对路面的检测、评价已逐步形成了自己的体系和制度。国内的许多从事公路建设的单

27、位如同济大学、长安大学、辽宁公路研究所正在向国外订购此类设备。据了解，价格都很高，每台设备都花费高昂。如果能够自行开发研制成功该设备，将会节省大量的经费，满足国内有关单位对加速加载设备的需求，为国家节约大量的外汇。同时，这也会提高我国在这一研究领域的知名度。现在此类设备在国内尚无自主产权的产品，为数不多的几家作过这方面研究工作的单位均为自行使用，且其成果都存在着比较严重的技术缺陷。所以，本研究在形成具有竞争力的产品方面具有重大意义。因此，现在国内外对道路加速加载设备的研制无论从经济方面还是其他附带的社会效益方面都十分必要。2 基于CAN总线的数据采集系统硬件设计2.1 数据采集系统整体硬件电路

28、设计本文所述系统是一个典型的CAN总线在数据采集系统中的应用，针对CAN总线在数据采集系统中的应用进行了多方面的研究，除利用PICl8F458构成CAN总线的测控系统外，对PIC单片机的串、并联通讯，LED显示等方用都进行了成功的实践，完成了实际硬件电路的设计、软件编程和CAN总线在数据采集系统中的应用。总的电路框图如图2.1所示：采集工作环境温度CAN 总 线采集路面温度采集液压缸压力主节点温度传感器LM35压力传感器NS-W型传送器显示路面温度显示工作环境温度显示液压缸压力温度传感器LM35图2.1总的电路框图Fig.2.1 The overall circuit diagram其总电路图

29、如图2.2所示： 如图2.2 总电路图Fig.2.2 The overall circuit diagram把内嵌CAN控制器的PICl8F458微处理器用于数据采集系统中，使所设计的系统结构简单，可靠性与稳定性提高，而且使用方便、应用灵活，并出色完成任务的目的，大大地加速了其应用领域智能化、科学化与规范化的进程。所采用的PIC18F458单片机是美国微芯公司推出得高档产品，采用16位的类RISC指令系统，指令周期短，处理能力强，运算能力高，内部集成的可寻址的通用同步/异步收发器(USART)模块和CAN控制模块等，可以不用外扩存储器就能很好地完成大量工业现场的数据通讯，满足CAN总线通信协议

30、的要求。具体原理是采用PHILIPS公司的CAN控制器PCA82C250作为CAN总线的控制器，将专用微处理器PIC18F458置入数据采集系统中。使其各自具有数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个数据采集系统连接成网络系统，按照公开，规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备间以及现场节点之间，实现数据传输与信息交换，形成适应于路面加速加载设备数据采集系统中，本设计采用PICl8F458单片机进行信号的采集、处理和CAN总线通信，采用有8个D锁存器组成的集成芯片74LS373使数码管显示测量结果进行了成功地实践。硬件组成主要有带CAN控制器的PIC18F4

31、58主节点、四个CAN控制器PCA82C250和带CAN控制器的PICl8F458节点一(采集试验路段路面的温度)、带CAN控制器的PICl8F458节点二(采集路面加速加载设备显示系统的工作环境温度)、带CAN控制器的PICl8F458节点三（采集路面加速加载设备对试验路段所加的压力）组成。系统工作原理为：由节点一、节点二、节点三把所需的数据采集通过CAN总线通信传送给主节点并显示输出。具体CAN通迅硬件模块框图如图2.3所示：CAN控制器PCA82C250CAN控制器PCA82C250CAN控制器PCA82C250CAN控制器PCA82C250PIC18F458节点一PIC18F458节点

32、二PIC18F458节点三PIC18F458主节点 CAN BUS图2.3 系统硬件结构模块框图Fig.2.3 System hardware architecture block diagram2.2主要器件介绍2.2.1 CAN控制器PCA82C250简介PHILIPS公司的CAN控制器PCA82C250可为CAN协议控制器提供差分收发能力，它完全符合IS0-11898标准。它的工作速率高达1Mb/s，支持1Mb/s的运行速率，满足ISO-11898标准物理层要求,是全世界使用最广泛的CAN控制器。上电复位和电压事件欠压保护，未上电节点或欠压不会影响CAN总线，低电流待机操作，短路保护，高

33、压瞬态保护，自动热关断保护，可连接节点高达112个，采用差分总线，具有很强的抗噪特性，工作温度范围:-40C+125C。内部结构：（1）发送功能CAN线有两个状态：显性状态和隐性状态。显性状态发生在CANH和CANL之间的差分电压高于定义值的时候，隐性状态发生在该差分电压低于某个定义值(典型值为0V)的时候。显性状态和隐性状态分别对应于TXD输入引脚的低电平和高电平，但是，一个由别的CAN节点触发的显性状态将会改写CAN总线上的隐性状态。（2）接收器功能RXD引脚反映的是CANH和CANL之间的差分总线电压值。RXD输出引脚的低状态和高状态分别对应于CAN总线的显性和隐性状态。（3）内部保护C

34、ANH和CANL可以免受CAN总线上电池短路和电气瞬态的影响。这一特性可以防止发送器的输出级在这样的错误条件下受到破坏。热关断电路在结点温度超过通常的标定值165C的时候使输出控制器停止工作，这样就进一步保护器件免受过多负载电流的影响。芯片其他部分仍然保持工作，但是由于发送器输出的功耗降低，芯片的温度也随之降低，这一保护措施对于由短路引起的总线损坏是必需的。（4）操作模式RS引脚可选择三种操作模式：高速、斜率控制、待机。高速模式：高速模式可以通过把RS引脚与VSS相连来实现。在这个模式下，发送器的输出驱动具有快速的输出上升和下降时间，可以满足高速CAN总线的速率要求。斜率控制模式:斜率控制模式

35、可以通过限制CANH和CANL的上升下降时间来进一步减少EMI。斜率，也称为转换率(slew rate，SR)，受RS和VOL(通常接地)之间的外接电阻(Rext)控制。斜率与RS引脚的输出电流成正比。由于电流主要取决于斜率控制电阻REXT阻值，所以可以选用不同的阻值来实现不同的转换率。本设计采用此模式，RS电阻为300。待机模式：如果把RS与高电平相连，器件就被置为待机模式，即休眠模式。2.2.2 PIC18F458单片机的特点PIC18Fxx8单片机是美国微芯公司(Microchip)推出的高档产品。主要有PICl8F248、PICl8F258、PICl8F448、PICl8F458这四款

36、型号，采用双列直插和表面封装等3种封装形式：PDIP40、PLCC44和QFP44。采用16位的类RISC指令系统，指令周期短、处理能力强、运算能力高，可以不用外扩存储器就能很好地完成大量的数据通讯和满足通信协议的要求，PICl8F458单片机片内集成了A/D转换器，内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、SPI接口、异步串行通信(USART)接口电路、CAN总线接口电路、FLAH程序存储器读/写等强大的功能，芯片功能强大，I/O口驱动能力强，设计电路简单可靠。其中单片机PIC18F458片内集成的可寻址的通用同步/异步收发器(USART)模块和CAN控制模块可以方便地实现工业

37、现场的数据通讯功能，具有很好的应用前景，其主要功能包括：1536字节的RAM；32Kb的FLASH，其中lKb可专用于USB缓冲区；256字节EEPROM数据存储器；10位模数转换器，精确度高，配备多达13条输入通道；两个模拟比较器；具备16位数据捕捉和分辨率的捕捉/比较/PWM模块；增强型捕捉，比较/PWM模块，有死区控制和故障保护输入；4个定时器(3个16位，1个8位)；可编程欠压复位及低电压检测电路；增强型在线调试功能，最多可加入三个硬件断点。本文用到的是PDIP40封装形式，如图2.4所示：图2.4 PDIP封装的PIC18F458的引脚图Fig.2.4 PIC18F458 pin P

38、DIP package diagram（1）各主要引脚功能如下：电源和接地引脚OSC1/CLKIN：为晶体振荡器输入/外部时钟源输入引脚；OSC1/CLKOUT：晶体振荡器输出/外部时钟源输出引脚。在晶体振荡器方式下，接晶体或陶瓷振荡器，在RC振荡器方式，输出l/4fose。时钟复位引脚引脚号1为人工复位输入(低电平有效)。I/O输入输出引脚RARE均为输入输出可编程双向端口，大部分有第二功能，少数有第三功能。（2）内部结构和功能特点高达2MB的程序存储器；高达4KB的数据存储器；运行速度：DC-40MHz时钟输入，DC-200ns指令周期；16位宽指令，8位宽数据通道；具有高性能RISC C

39、PU。(3)各模块特性Timer0：带有预分频器的16位定时器/计数器；Timerl：带有预分频器的16位定时器/计数器，使用外部晶体振荡时钟时，在sleep期间仍能工作；Timer2：带有8位周期寄存器，预分频器和后分频器的8位定时器/计数器；10位8信道模/数转换模块；符合国际标准ISOCAN，高达1兆的通信速率。(4)特殊的单片机特性8级深度的硬件堆栈；上电复位(P0R)；上电定时器(PWRT)和振荡启动定时器(OST)；看门狗定时器(WDT)，它带有片内可靠运行的RC振荡器； 可选择的振荡器；低功耗，高速FLASH/EEPROM工艺；在线串行编程(ICSP)；单独5V的内部电路串行编程

40、能力；宽范围的工作电压2.0V5.5V。2.2.3 I/O端口模块根据设计要求和现有的条件选用PIC系列单片机的中16位RISC指令集，FLASH程序存储器的高级产品PICl8F458。由于PIC系列微控制器具有高度的兼容特性，所以PIC18F458具有高级系列微控制器的一切特性。由于该芯片内含32Kb自编程增强型闪存、10位A/D转换模块、内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、定时/计数器、主同步串行端口、可寻址的通用同步，异步收发器、FLASH程序存储器读写等许多功能，因此能够满足需求，能实现路面加速加载设备系统数据采集所需的各种功能。RARE是5组通用的I/O端口，其中

41、多数管脚有第二甚至第三功能，这些多功能的外围端口是PIC单片机实现强大的处理功能的重要基础和保证。本设计主要用到RB2(CANTX)、RB3(CANRX)作为CAN总线的发送和接收端，RA0作为模拟信号输入端，RC0RC7、RD0RD7作为并行输出端，RA1RA3、RB4RA7作为片选输出端。2.2.4 定时器TMR0模块TMR0、TMR1、TMR2、TMR3是四个8位或16位定时(计数)器，本系统的设计中用到的TMR0作为16位宽的定时器，用作延时用。具体分析：相同点：它们的核心部分都是一个由时钟触发的、按规律递增工作的规律循环计数器；都是从预先设定的某一初始值开始计起，累加到最大值时产生溢

42、出，同时会建立一个相应的溢出标志（即中断溢出标志位），编程方法也大同小异。不同点：TMR0是8位宽，有一个可选的预分频器，用于通用目的：TMR1是16位宽，附带一个可编程的预分频器，还附带一个可选的低频时基振荡器，适合与CCP模块配合使用来实现输入捕捉或输出比较功能；TMR2为8位宽，同时附带一个可编程的预分频器和一个可编程的后分频器，还附带一个周期寄存器和比较器，适合于CCP模块配合使用来实现PWM脉冲宽度调制信号的产生。在编写定时器程序时，有对应的两种方式：一种方式是使用查询方式，让CPU定时TMR0寄存器寄存器的溢出标志位，根据其状态做出不同的响应。如果溢出标志被置位则代表定时时间到，相

43、反则表示定时时间未到。在程序中可以根据这个标志做出不同的响应。另一种方式是使用中断。当定时达到后中断标志被置位，产生中断，系统进入中断响应。在定时结束后的响应写到中断在程序中，即可完成特定的功能。2.2.5 A/D转换器PICl8F458具有12个通道10位分辨率的模数转换器，其作用是将外部的各种模拟物理量变换为便于单片机内部处理的数字量。本设计用到一个模数转换器。模拟输入采集是任何数字系统必不可少的组成部分，是对模拟信号进行数字信号处理的第一步，其采集精度直接影响到系统的精度。ADC和DAC这样的模拟接口类器件常常是以独立形态出现的，随着这类器件生成技术的不断进步，越来越多的单片机生产厂家把

44、这项功能集成到了单片机的内部。这类技术的广泛应用适应了单片机朝着普及化、专业化、系统化的发展潮流。ADC模块的操作中占用的时间主要包括两个部分：采样/保持电容的充电时间和A/D转换电路的转换时间。在模拟输入通道被选中和切换之后，必须在进行转换之前保留一段足够的时间完成采样。为了使ADC满足一定的精度要求，就必须让采样电路中的电荷保持电容有足够的充电时间，使其近似达到被采样的信号源电压值。对于使用ADC模块有以下注意事项：（1）参考基准电压VREF对于采样时间没有任何影响；（2）在每次转换完毕之后，电荷保持电容并没有放电；（3）信号源的最大阻抗建议不超过10K，以便满足由引脚上的漏电流引起的最大

45、误差不会超过所允许的范围；（4）在转换完成之后，下一次采样重新开始之前，必须加入2TAD的等待时间。2.2.6 CAN控制器模块PICl8F458的CAN模块是本设计使用的最重要的模块，它用来存储和转发CAN总线之间的数据，完成点对多CAN模块之间的高速通信。PIC18系列单片机中，有些型号包括有CAN总线功能模块，如PIC18F248、258、448等。这些型号的CAN控制模块具有如下特点：（1）支持CAN1.2、CAN2.0A和CAN2.0B协议；（2）标准和扩展的数据帧；（3）数据长度从08字节；（4）可编程位速率达每秒1兆位；（5）支持远程帧；（6）带有2个优先级的接收信息存储接收缓冲

46、器；（7）6个接收过滤器，其中2个与高优先级接收缓冲器相关，另外4个与低优先级接收缓冲器相关；（8）2个接收屏蔽器，分别与高、低优先级接收缓冲器相关；（9）3个可以指定优先级，并具有中等能力的发送缓冲器；（10）具有可编程唤醒功能的集成低通过滤器；（11）支持自测试操作的可编程自检方式；（12）当所有CAN接收器及发送器出现错误状态时，可以发出信号以产生中断；（13）具有可编程的时钟源；（14）按时间发送和网络同步的可编程定时器模块；（15）低功耗的休眠工作方式。为了支持CAN总线操作，PIC18系列单片机中专门为CAN总线增添了多个寄存器：（1）控制与状态寄存器；（2）发送缓冲寄存器；（3）

47、接收缓冲寄存器；（4）波特率控制寄存器；（5）I/O控制寄存器；（6）中断状态与控制寄存器。PIC18系列单片机中，CAN模块工作方式有初始化方式、正常方式、关闭方式、监听方式、自检方式和错误识别方式6种。除了错误识别方式用配置接收缓冲器的RXM位来实现外，其余各种方式都是通过设置CANCON寄存器的第5第7位REQOP2：OPMODE0对所选的工作方式作出应答。初始化方式：使用CAN模块之前必须初始化。在初始化方式下，模块不能进行发送和接收，同时，错误计数器被清0，中断标志保持不变。此时可以访问在其他方式下受限制的配置寄存器。关闭方式：CANCON寄存器的REQOP2：REQOP0位配置为0

48、01，模拟将进入关闭方式，此时会使模块的内部时钟停止，除非模块被激活，如果模块被激活，模块经等待CAN总线上的11个隐性位，检测总线空闲的条件，然后接受模块关闭命令。在关闭方式下，模块同悬挂的中断将保留，出错计数器也将保留原来的值，WAKIE位被置为1，则无论何时当CAN总线检测到帧开始（SOF）时，处理器都会接收一个中断。另外，当模块处于关闭方式时，模块被禁止，输入/输出引脚将被用作一般的输入/输出功能。正常方式：CANCON寄存器的REQOP2：REQOP0=000，模块进入正常工作方式。此时，模块被激活，I/O应缴用作CAN总线功能，模块将发送和接收CAN总线上的信息。监听方式：监听方式

49、和自检方式是正常方式的一种特殊情况，它提供了所有接收信息，包括错误信息的方法，往往用在系统卡法测试过程中。监听方式也可以用来测试CAN总线的波特率。为此，必须至少有两个相互联系的节点存在，以便能相互通信。自检方式：如果激活自检方式，模块将不发送信息到CAN总线，而使把内部的发送信息界面联接到接收信号界面，信息在内部进行发送和接收。这种方式也可以用在系统的开发和调试中。错误识别方式：CAN模块能够被配置为忽略所有错误、接收任何信息的方式。错误识别方式是通过把RXBnCON寄存器的RXM1:RXM0位设置成11来激活的。在这种方式下，包括有效息和无效息的所有信息都被接收并复制到接收缓冲器中。2.3

50、 数据采集数据采集是数字系统中不可缺少的部分，同时也是单片机系统的重要功能之一。数字系统只能处理数字信号，而且输出的也是数字信号。在工业领域中的许多物理量都是连续变化的模拟量，这些物理量必须通过传感器将其变换成与之对应的连续变化的电压或电流等，再经过模数转换才能被数字系统处理。2.3.1 温度数据的采集本课题所做的数据信息采集系统中的加速加载设备采集试验路段路面温度和设备工作环境温度的设计思路基本相同，都是应用目前市场上常用的一种传感器LM35，选取不同的封装形式。这种传感器使用简单、价格低廉而且性能稳定，它直接将温度值转换为电压值输出。用户可以根据需要选择不同的LM35的封装形式。本课题选用

51、RO-46金属封装和塑料封装形式，LM35直接将温度转换为电压输出。硬件电路原理图如图2.5所示：图2.5温度采集硬件电路Fig.2.5 Temperature acquisition hardwareLM35的主要技术指标如下：比例因子：10Mv/；精 度：0.5；测量范围：-55150；工作电压：430V；非线性度：0.25。在温度数据采集过程中，采集一路PIC18F458单片机上的片上ADC模块采集LM35输出的电压值。这里选用AN0即RA0引脚对输入模拟信号进行信号采集。由于温度信号属于缓变信号，信号的变化慢，因此，PIC单片机的A/D可以满足采样率的要求。单片机复位后，每隔一段时间对

52、LM35的电压输出端采样一次, 上电复位电路和时钟电路如图2.6所示：图2.6上电复位电路和时钟电路Fig.2.6 Power-on reset circuit and clock circuit2.3.2 压力数据的采集本小节为路面加速加载设备对试验路段路面所加压力数据的采集系统，采用NS-W型无腔压力传感器如图2.7所示： 图2.7 NS-W型无腔压力传感器Fig. 2.6 NS-W-type without cavity pressure sensorNS-W型无腔压力传感器技术参数如下：压力范围：00.5kPa 10kPa 100kPa 10Mpa 30Mpa 60Mpa；过载能力：2

53、倍；测量介质：对不锈钢不腐蚀的气、液体；工作方式：绝压、表压、差压；工作电压：10VDC(24V)；输 出：100mV或05V、420mA。2.4 数据的显示输出本系统数据显示输出对PIC18F458单片机功能引脚除复位引脚、时钟引脚外都进行了合理地配置。把RB3、RB2设置为CAN总线接口，将RC、RD各8位的引脚作为数据输出接口与74LS373连接，RA1RA3引脚作为路面加速加载设备对试验路段路面所加压力数据显示输出端RC引脚的片选与74LS373片选引脚相连，RB4RB7引脚作为路面加速加载设备工作环境温度和试验路面温度数据显示输出端RD引脚的片选与74LS373片选引脚相连。PIC1

54、8F458单片机引脚配置如表2.1所示：表2.1引脚配置Tab.2.1 Pin Configuration符号引脚说明Vdd Vss11 32 12 31电源 接地OSC1/CLKIN OSC1/CLKOUT13 14时钟电路引脚CANRX CANTX36 35CAN总线引脚RC RD15-18和23-26 19-22和27-30并行数据输出RA1-3 RB4-73-4 37-40片选信号在主节点中，PIC18F458单片机和有8个D锁存器组成的集成芯片74LS373实现数码管动态显示测量加速加载设备所需的温度、压力数据。本课题采用共阴极接法的接口电路如图2.8所示：图2.8主节点显示电路Fi

55、g.2.8 shows the main circuit node2.5 CAN通讯硬件电路设计2.5.l 硬件系统组成原理及通信过程所谓对等式通信，就是单片机多机系统中任一节点均可主动地与其它节点直接交换数据，而无须经过第三方。由于CAN为多主方式工作，因此网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从。从此角度出发，我们设计的基于内嵌CAN控制器的单片机多机系统的组成如图2.9所示。系统中的每个节点由内嵌CAN控制器的单片机和CAN控制器组成。单片机主要用于系统的计算及信息处理等功能：内嵌CAN控制器主要用于系统的通信，CAN控制器主要用于增强系统的驱动能力。

56、系统的发送过程是：单片机将外围设备或其它节点传送来的信息处理后，按CAN规范规定的格式将其写入CAN控制器的发送缓冲区，并启动发送命令，把数据发送到CAN总线上。接收过程是：CAN控制器从CAN总线上自动接收数据，并经过滤后存入CAN接收缓冲区，且向单片机发出中断请求，此时单片机可从CAN接收缓冲区读取要接收的数据。CAN控制器CAN控制器PIC18F458PIC18F458CAN BUS 节点 图2.9系统组成原理图Fig. 2.9 Schematic system components2.5.2 CAN总线通信接口电路(1)本设计所使用的PICl8F458功能框图PIC18F458是整个数

57、据信息采集系统的核心，所有模拟量采集、运算、控制、CAN总线通讯、并行输出功能均由它来完成，其功能框图如图2.10所示：A/D转换标准I/OPIC18F458CAN总线同步发送/接收定时器CAN接口并口复位电路模拟量通道数字量通道图 2.10所使用的PICl8F458功能框图Fig.2.10 Functional Block Diagram used PICl8F458(2)CAN总线通讯硬件电路原理图如图2.11所示为主节点与从节点进行的CAN总线通讯硬件电路原理图：从图中可以看出电路主要由四部分构成，主节点(带CAN控制器的PICl8F458单片机)，四个CAN控制器PCA82C250，三

58、个从节点，节点一(采集试验路段路面的温度)、带CAN控制器的PICl8F458节点二(采集路面加速加载设备显示系统的工作环境温度)、带CAN控制器的PICl8F458节点三（采集路面加速加载设备对试验路段所加的压力）组成。控制器PCA82C250的引脚RXD、TXD分别连接到单片机PIC18F58的引脚RB3/CANRX、RB2/CANRTX上，控制器PCA82C250之间的引脚CANH、CANL相连接，为了提高他们的抗干扰能力，控制器PCA82C250引脚CANH、CANL之间加入了一个120电阻，控制器PCA82C250采用斜率控制模式，RS引脚相连的电阻为300，微处理器PICl8F45

59、8通过中断方式接收或发送总线数据。图2.11从节点进行的CAN总线通讯电路Fig.2.11 from the nodes of the CAN bus communication circuitPCA82C250与CAN总线的接口部分，采取了一定的安全和抗干扰措施， PCA82C250的CANH和CANL引脚各自可通过1个60的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护PCA82C250免受过流的冲击，CANH和CANL与地之间可并联2个30pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的作用。PCA82C250的RS脚上与地之间的电阻RS称为斜率电阻，它的取值决定了系

60、统处于高速工作方式还是斜率控制方式，把该引脚直接与地相连，系统将处于高速工作方式。本设计采用斜率控制模式模式，RS电阻为300。总线两端应接有两个120的电阻，对于匹配总线阻抗起着相当重要的作用，忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰及可靠性大大降低，甚至无法通信。 2.6 硬件抗干扰措施干扰是一种无处不在，随时可能产生的客观物理现象，是妨碍某一事件(事物)正常运行(发展)的各种因素的总称。干扰可能来自于空间(如电磁辐射)，也可能是其它信号的藕合(如静电祸合、电磁祸合、公共阻抗藕合等)，或是设备之间产生了“互感”。对于有用信号，也存在着彼此干扰的现象，特别是“强电”信号对“弱电”信号的影响。由于操作环境等各方面的干扰，自然环境或人为因素所产生的影响或来自单片机系统内部所产生的干扰。这些干扰通过一定的途径进入系统，影响了正常运行，轻则使测量和控制产生偏差，重则使系统遭到致命的破坏。过程通道干扰造成通过各节点系统相连的输入通道、输出通道以及与其它系统相连的通信通道信息紊乱。因此在设计中针对这些可能出现的干扰，为保证系统可靠得运行，采取了一系列抗干扰措施，下面就从干扰源和对干扰的处理两个方面加以讨论：(1)系统中存在的干扰接地干扰：由于导线电阻可能使电路中的两个接地点之间存在电压差，严重时可导致系统逻辑错误。串模干扰：串模干扰来自于与信号线平行布设的电源线和大电流控制所产生的空间电磁