寝室个人用电计费系统设计--毕业设计论文.doc

本科生毕业设计（论文）
摘 要
目前大学寝室楼的电力收费依然停留在手工抄表记录的水平，效率低，错误多。为了能够公平，高效率的统计电费信息，远程、智能、快速、准确就成为了新的电量计费系统应该具有的特点。“寝室个人用电计费系统”正是为了满足以上要求而设计的。
“寝室个人用电计费系统”中使用现在流行的CAN总线做为本设计的总线系统，CAN总线使用SJAl000作为通信芯片。节点采用智能节点设计，本设计采用DDS362-G1（Ob型）单相电子式电能表，该电表是通过电压、电流采样，转化为电能计量脉冲，并通过微处理器使其具有计量、存储、显示、通讯等功能。采用ATMEL的AT89C51高效微控制器作为智能节点的微型CPU。CAN适配卡和上位机的通信采用的是RS-232串口通信，通过MAX232实现ELA-RS-232C与TTL/CMOS之间的电平转换。在CAN总线控制器与总线之间加光电耦合6N137加强抗干扰能力，拓扑方式采用目前流行并发展完善的总线型拓扑方式，系统有独立的“看门狗”设计，保证系统正常运行。
该系统工程周期短，安装费用低，可实现设备即插即拔，维护和管理容易。接入服务器的线路少，节省了布线费用和减小服务器占用的空间。无论从经济效益还是从实用方面都满足了学校的要求。

关键词：电量计费系统；CAN总线；电量数据采集；AT89C51

Abstract
University dormitory floor, the current level of electricity charges still remain in the manual meter reading record levels, low efficiency, and more mistakes. In order to be able to fair, efficient electricity statistical information, remote, intelligent, quick, accurately has become a new electricity billing system should have features. "Dormitory personal electricity billing system," is to meet the above requirements and design.
"Dormitory personal electricity billing system," that the use of the now popular as the CAN Bus system design. CAN SJAl000 use as a communications chip. Design smart node, which use DDS362-G1 (Ob-type) single-phase electronic energy meter information collection electricity. ATMEL AT89C51 using the micro-controller as the intelligent nodes micro CPU. CAN Adapter and PC communications using the RS-232 serial communications, ELA achieved through MAX232-RS-232C and TTL / CMOS between the level translators. CAN Bus Controller and Bus plus Opt coupler 6 N137 strengthen anti-jamming capabilities, Topology is used currently popular and well-developed bus topology, the system is the independent "watchdog" design, ensure the normal running.
The short-cycle project, the installation of low-cost equipment can be pulling a plug, maintenance and management easier. Access server lines less, saving cabling costs and reduce the space occupied by the server. Both from the cost-effective or practical side have met the requirements of the school.

Key words：Control Area Network Bus; intelligent nod; intelligent electricity meter; AT89C51
目 录
第1章 绪 论 1
第2章 CAN总线技术 2
2.1 CAN总线特点 2
2.2 CAN总线基本概念 3
2.3 CAN总线位数值表示与通信距离 4
2.4 CAN总线的分层结构 6
2.5 CAN总线应用系统的基本结构 6
2.6 CAN总线技术 7
2.6.1 位仲裁 7
2.6.2 CAN总线与其他通信方式的比较 7
2.6.3 CAN总线的报文格式及帧结构 8
第3章 系统的硬件设计 12
3.1 智能节点的整体设计 12
3.2 串口通信电路 13
3.3 微处理器电路 14
3.3.1 CPU 14
3.3.2 地址译码电路 15
3.3.3 参数输入电路 15
3.4 CAN总线接口电路 15
3.4.1 CAN控制器SJA1000 15
3.4.2 CAN总线收发器PCA82C250 24
3.4.3 光电隔离电路 28
3.5 数据采集电路 29
第4章 系统软件设计 31
4.1 软件设计说明 31
4.2 CPU和上位机的通讯设计 31
4.2.1 单片机查询发送子程序 31
4.2.2 单片机接受中断子程序 32
4.3 CPU与SJA1000的通讯设计 32
4.3.1 初始化子程序 32
第5章 系统经济性分析 33
第6章 结 论 34
参考文献 35
致 谢 36
附 录： 37

50

本科生毕业设计（论文）
第1章 绪 论
随着我国人均生活水平的提高，现代大学生大多拥有电脑，这使我校寝室用电量激增。学校在使用了新的供电设备的同时，更推行过量用电费用由学生自己承担的规定来限制用电量。但是由于一直没有针对个人的用电量记录系统，学生们在分摊寝室电费的时候经常产生不公平的情况。为了方便学校公平的收取电费，我产生了制作这个系统的想法，并且以此作为我毕业设计的项目。
现在学校的电量计费方法，主要靠寝室楼配电箱显示电量，然后计费人员手动记录电费信息，然后依照记录下来的数据收费。这样的方式错误多，效率低，而且容易出现多人寝室中个人用电不平均，无法合理分担电费的问题。为了解决这个问题，我参考现在工厂中流行的远程抄表系统，再考察了我校寝室实际条件之后，构思了这种基于现场总线的远程智能抄表系统。
新式的现场总线式智能电测仪表系统，特点是网络化实现数据共享，维护简单，性价比高但综合成本低。这样的技术在工业中得到广泛的应用，作为测控技术与仪器专业的学生，应用这样的技术正是我应该做到的，利用这次毕业设计的机会，我以工业现场总线的标准，设计这个寝室个人用电计费系统。
这次设计的现场总线采用CAN总线，电表因寝室楼具体情况而定，在此次设计中使用单相数字电表。在CAN总线控制器与总线之间加光电耦合6N137加强抗干扰能力，拓扑方式采用目前流行并发展完善的总线型拓扑方式。此系统是一个多任务实时操作系统。系统稳定性强，具有良好的抗干扰能力和可扩展性。
第2章 CAN总线技术
2.1 CAN总线特点
CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。
CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN总线提供高速数据传送，在短距离(40m)条件下具有高速(1Mbit/s)数据传输能力，而在最大距离10000m时具有低速(5kbits/s)传输能力，极适合在高速的工业自控应用上，CAN总线可在同一网络上连接多种不同功能的传感器（如位置，温度或压力等）。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，实现点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向总线上发送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，节省了总线冲突仲裁时间。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。
2.2 CAN总线基本概念
报文：总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限制。当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。
信息路由：在CAN系统中，一个CAN节点不使用和系统结构有关的任何信息(如站地址)，这里包含了一些重要的概念：
系统灵活性：节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下，被接于CAN网络。
报文通信：一个报文的内容由其标识符ID命名。ID并不指出报文的目的，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点借助报文滤波决定该数据是否使它们激活。
成组：由于使用了报文滤波，所有节点均可接收报文，并同时被相同的报文激活。
数据相容性：在CAN网络内，可以确保报文同时被所有节点或没有节点接受，因此，数据的相容性是借助成组和出错处理达到的。
位速率：CAN的数据传输率在不同的系统中是不同的，而在一个给定的系统中，此速度是唯一的，并且是固定的。
优先权：在总线访问期间，标识符定义了一个报文静态的优先权。
远程数据请求：通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的数据帧，该数据帧与对应的远程帧以相同标识符ID命名。
多主站：当总线开放时，任何的单元均可开始发送报文，发送具有最高优先权的报文单元，赢得总线的访问权。
仲裁：当总线开放时，任何的单元均可开始发送报文，若同时有两个或更多的单元开始发送，总线仲裁运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。这种仲裁可以使信息和时间均无损。若具有相同标识符的一个数据帧和一个远程帧同时发送，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位电平与总线上检测到的电平进行比较，若相同则该单元可继续发送，若发送一个“隐性”电平，检测到一个“显性”电平，该单元退出仲裁，并不再传送后续位。
安全性：为获得尽可能高的数据传送安全性，在每个CAN节点中均设有错误检测、标定和自检的强有力的措施。检测错误的措施包括：发送自检、循环冗余校验、位填充和报文格式检查。
出错标注和恢复时间：已损报文由检出错误的任何节点进行标注。这样的报文将失效，并自动进行重发。如果不存在新的错误，自检出的错误至下一个报文开始发送的恢复时间最多为29个位时间。
故障界定：CAN节点有能力识别永久性故障和短暂扰动，可自动关闭故障节点。
应答：所有接收器均对接收报文的相容性进行检查，回答一个相容报文，并标注一个不相容的报文。
睡眠方式及唤醒：为降低系统功耗，CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式，相当于未连接总线的驱动器。睡眠状态借助任何总线激活或者系统的内部条件被唤醒而告终。在总线驱动器再次置于在线状态之前，为唤醒内部活动重新开始，传输层将等待系统振荡器至稳定状态，并一直等待至其自身同步于总线活动(通过检查11个连续的隐位)。为唤醒系统内仍处于睡眠状态的其他节点，可使用具有最低可能标识符的专用唤醒报文：rrr rrrd rrrr，其中，r为隐位，d为显位。
2.3 CAN总线位数值表示与通信距离
CAN中的总线数值为两种互补逻辑值之一：显性或隐性。显性数值表示逻辑0，而隐性数值表示逻辑1。如图2.1所示，显性和隐性位同时发送时，最后总线数值将是显性。在隐性状态下，VCAN_L和VCAN_H被固定于平均电压电平，Vdiff近似等于零；在总线空闲或隐性位期间，发送隐性状态。在显性位期间，显性状态改写隐性状态并发送。
CAN系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关，表2.1所列，这里的最大的通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离。
平均电压电平U

时间t
VCAN-L
隐性位
Vdiff

显性位
隐性位
VCAN-H
图2.1　CAN总线位数值表示
表2.1　CAN系统任意两个节点之间的最大传输距离
位速率
最大总线长度
总线定时
BTRO
BTR1
1Mbps
40m
00H
14H
续表2.1
500kbps
130m
00H
1CH
250kbps
270m
0lH
1CH
125kbps
530m
03H
1CH
100kbps
620m
43H
2FH
50kbps
1.3km
47H
2FH
20kbps
3.3km
53H
2Fh
10kbps
6.7km
67H
2FH
5kbps
10km
7FH
7FH
位编码/解码
位定时
同步
（驱动器/接收器特性）
总线故障界定
逻辑链路子层
接收滤波
超载通知
恢复管理
逻辑链路层
媒体访问控制子层
数据封装/拆装
帧编码
媒体访问管理
错误监测
出错标定
应答
半行化/解除串行化
物理层
监控器
故障界定
图2.2 CAN总线分层结构和功能
2.4 CAN总线的分层结构
CAN遵从OSI模型，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层，如图3-2所示。物理层是将ECU连接至总线的电路实现，ECU的总数将受限于总线上的电气负载。数据链路层划分为逻辑链路控制（LLC）和媒体访问控制（MAC）两部分。逻辑链路控制子层提供的功能包括：帧接收滤波，超载通知和恢复管理。媒体访问控制子层划分为发送部分和接收部分，发送部分功能包括发送数据封装和发送媒体访问管理，接收部分功能包括接收媒体访问管理和接收数据卸装。物理层划分为物理信令（PLS）、物理媒体附属装置（PMA）和媒体相关接口（MDI）三个部分。物理信令实现与位表示、定时和同步相关的功能；物理媒体附属装置子层实现总线发送/接收的功能电路并提供总线故障监测方法；媒体相关接口实现物理媒体和媒体访问单元（MAU）之间的机械和电气接口。
2.5 CAN总线应用系统的基本结构

图2.3 CAN总线应用系统

如图2.3所示为一个CAN总线应用系统，主要有主机和各节点组成，主机和节点之间通过CAN收发器及CAN控制器相连，单个节点包括一个单片机控制器、一个CAN收发器和一个CAN控制器。其中一个典型的应用是：主机接收各节点发送的现场数据，如现场温度、电流或压力等参数，主机经过综合计算、判断作出相应的控制命令，这些命令将通过CAN总线传送至各节点。各节点由单片机作为控制器，它用于采集现场的各项参数，并执行主机发送的各项命令，这些命令将最终传送至各执行机构，如阀门、电机或泵等。
2.6 CAN总线技术
2.6.1 位仲裁
要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。一个快速变化的物理量，如汽车引擎负载，将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。
CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。当几个站同时发送报文时，站1的报文标识符为0111111；站2的报文标识符为0100110；站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6 位相同，直到第7位时站3的报文才被丢失。注意，总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中，站2的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。
CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制，所有主要通信，包括总线读取(许可)控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法
2.6.2 CAN总线与其他通信方式的比较
在实践中，有两种重要的总线分配方法：按时间表分配和按需要分配。在第一种方法中，不管每个节点是否申请总线，都对每个节点按最大期间分配。由此，总线可被分配给每个站并且是唯一的站，而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。这将保证在总线存取时有明确的总线分配。在第二种方法中，总线按传送数据的基本要求分配给一个站，总线系统按站希望的传送分配。因此，当多个站同时请求总线存取时，总线将终止所有站的请求，这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。
CAN实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ethernet网络的消息仲裁，CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足，所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在CSMA/CD这样的网络中，如Ethernet，系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在CAN中不会发生。
2.6.3 CAN总线的报文格式及帧结构
CAN协议支持两种报文格式，标准格式和扩展格式。其唯一的不同是标识符(ID)长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。
在标准格式中，报文的起始位称为帧起始(SOF)，然后是由11位标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是远程帧，在远程帧中没有数据字节。控制场包括标识符扩展位(IDE)，指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位(ro)，为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度(DLC)。数据场范围为0～8个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC)。
应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1)，这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。
报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。
报文传送由四种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器到接收器：远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前和后续的数据帧的附加延迟。数据帧和远程帧借助帧空间与当前帧分开。下面分别予以介绍。
1．数据帧
数据帧由7个不同位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。数据场长度可为0。
CAN2.OA数据帧的组成如图2.4所示。
帧间空间 数据帧 帧间空间

或超载帧
仲载场 控制场 数据场 CRC场 帧结束
帧起始 ACK场
图2.4 数据帧组成
仲裁场 控制场 数据场
S 11位标识符 R I r DLC
O T D 0
F R E
在CAN2.OB中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，如图2.5所示；而包含29位标识符的帧称为扩展帧，如图2.6所示。
仲裁场 控制场 数据场
S 11位标识符 S I 18位标识符 R r r DLC
O S D T 1 0
F R E R
图2.5 标准格式数据帧

图2.6 扩展格式数据帧
CAN2.0B对报文滤波特别加以描述，报文滤波以整个标识符为基准。屏蔽寄存器可用于选择一组标识符，以便映像于接收缓冲器中，屏蔽寄存器的每一位都是可编程的。它的长度可以是整个标识符也可是标识符的一部分。
2．远程帧
作为数据接收器的站可以通过发送一个远程帧初始化各自的源节点数据的发送。远程帧的RTR位是隐位，且不存在数据场。DLC的数据是独立的，它可以是0-8中的任何数值，这一数值为对应的数据帧的DLC。
3．出错帧
出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，后随的第二
错误标志
错误叠加标志 错误界定符
个场是出错界定符。出错帧的组成如图2.7所示。
图2.7 出错帧组成
错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志；一种是认可错误标志。活动错误标志由6个连续的显位组成，而认可错误标志由6个连续的隐位组成，除非被来自其他节点的显位冲掉重写。
出错界定符包括8个隐位，出错标志发送后，每个站都发送一个隐位，并监视总线，直到检测到隐位，此后开始发送剩余的7个隐位。
4．超载帧
超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符，如图2.8所示。
帧结束或 超载帧 帧间空间

错误界定符 超载标志 或超载帧
超载界定符 超载标志叠加 超载界定符

图2.8 超载帧组成
存在两种导致发送超载标志的超载条件：一是要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的内部条件；另一个是在间歇场内检测到显位。由前一个超载条件引起的超载帧起点，仅允许在期望间歇场的第一位时间开始，而由后一个条件引起的超载帧在检测到显位的后一位开始。在大多数情况下，为延迟下一个数据帧或远程帧，两种超载条件均可产生。
超载标志由6个显位组成。全部形式对应于活动错误标志形式。超载标志形式破坏了间隙场的固定格式，因而，所有其他站都将检测到一个超载条件，并且由它们开始发送超载标志(在间歇场第三位期间检测到显位的情况下，节点将不能正确理解超载标志，而将6个显位的第一位理解为帧起始)，第6个显位违背了引起出错条件的位填充规则。
超载界定符由8个隐位组成，与错误界定符具有相同的形式。发送超载标志后，站监视总线直到检测到由显位到隐位的发送。在此站点上，总线上的每一个站均完成送出其超载标志，并且所有站一致地开始发送剩余的7个隐位。
5．帧间空间
帧 帧间空间 帧

间歇场 总线空间
数据帧和远程帧同前述的任何帧(数据帧、远程帧、出错帧、超载帧)以称之为帧间空间的位场隔开。与此相反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，且多个超载帧也不用帧间空间分隔。帧间空间包括间歇场和总线空闲场，对于前面己发送报文的“错误认可”站还有暂停发送场。如图2.9所示。

帧 帧间空间 帧

间歇场 暂停发送场 总线空间
图2.9.(a) 非“错误认可”帧间空间
图2.9.(b) “错误认可”帧间空间
间歇场由3个隐位组成。间歇期间不允许发送数据帧或远程帧，它仅起标注超载帧条件的作用。总线空闲周期可以是任意长度。此时总线是开放的，任意发送节点可以访问总线。在其他报文发送期间被挂起的待发送的报文紧随间歇场从第一位开始发送，此时，总线上的显位被理解为帧起始。
暂停发送场是指：错误认可站发送完一个报文后，开始在下一次报文发送或认可总线空闲之前，它紧随间歇场后发送出8个隐位。如果其间开始一次发送(由其它站引起)，本站将变为报文接收器。
第3章 系统的硬件设计
3.1 智能节点的整体设计
CAN是一种串行通信协议，因其具有高度的可靠性和数据完整性。无论是高速网络还是低成本多节点系统，CAN都有用武之地。特别适合于分布式实时控制系统，其波特率可高达1 Mb/s。为达到设计透明性和实现灵活性，CAN分为3层：目标层、传输层和物理层。其中目标层和传输层的功能包含了所有ISO/ OSI模型中数据链路层的功能；物理层的功能实际上是依据电气特性在所有不同节点间传输数据。通常此3层是用CAN控制器和CAN收发器实现的，这样网络的应用层就可以用主控制器(如微处理器)来实现。
系统的网络拓扑采用总线式结构，可以分为两层：现场控制层和过程监控层。现场控制层为系统的底层，由带有CAN接口的DDS362-G1（Ob型）单相电子式电能表，应用CAN收发器采集电能数据，把采集到的电能数据送到总线上，供其他节点接收。过程监控层是现场控制层的上一层，接收由控制层传输上来的所需的生产过程的数据，以及向该层发送操作命令，以便运行人员对整个生产过程进行监控。过程监控层主要由两部分构成：CAN适配器和上位机。其中CAN适配器一端和总线相连，完成和CAN总线的通信；另一段和上位机连接，完成和上位机的通信。它的主要功能是将上位机的操作信号和控制参数传送给指定的CAN网络节点，同时，将节点的数据传输给上位机做进一步处理。它和上位机之间的通信是通过RS232串行口和上位机进行数据交换。这种方法虽然传输速度低，但结构简单、易于实现、价格低廉，因此，本系统采用这种方法设计。
总线使用双绞线和终端电阻构成，标定值如表3.1所列。
表3.1 双绞线(屏蔽或不屏蔽)电器参数
参数
符号
单位
数值
最小值
典型值
最大值
特征阻抗
Z
Ω
108
120
132
单位长度电阻
r
mΩ/m

70

传输时延

ns/m

5

终端电阻
RL
Ω
118
120
130
智能节点软硬件的整体设计框图如图3.1所示。传输指令的过程为：上位机的命令经PC机COM口的RS232、电平经MAX232转换为TTL电平后接到89C51的串行口（数字电表的电度数通过其内置的RS485接口经75LBC184转换接到89C51的串行口），89C51接收的串行数据，通过地址/数据总线转为并行数据发给CAN控制器SJA1000，再通过CAN总线驱动器82C250发送到CAN总线上。 数据通过CAN总线传到其它的CAN总线驱动器，进而传到其它的CAN控制器，其它CAN控制器将接收的数据中的标识码位和自身的验收滤波器中预设值比较，若相一致，继续接收后面的报文，否则不予以接收。
图3.1 智能节点的整体设计框图
智能节点的硬件电路主要有下列几部分构成：串口通信电路、微处理器电路、CAN接口电路、信号采集电路，下面逐一介绍。原理电路图见附录。
3.2 串口通信电路
CAN适配卡和上位机的通信采用的是RS-232串口通信。由于适配卡上的微控制器AT89C51具有全双工的串行通信口，可以方便的实现和PC机的串口通信。要想实现它们之间的数据通信，在硬件部分所要做的就是实现ELA-RS-232C与TTL/CMOS之间的电平转换，可以通过MAX232实现的。MAX232是MAXIM公司生产的低功耗，但电源双RS-232发送/接收器。它的内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换为成RS-232所需要的士10V电压。所以，用该芯片接口的串行通信只需单一的+5V电源就可以了。MAX232接口电路如图3.2所示，其中电容、、、及，是电源变换部分。实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此，对地需要加去耦电容，其值为1.0uF/25V。电容、、、取同样数值的电解电容，以提高抗干扰能力。MAX232的引脚T1IN接AT89C51的TXD脚，R10UT接AT89C51的RXD脚，T2IN和R20UT悬空。T10UT、RIIN连接PC机的接收端RXD和发送端TXD。这样就完成了电平转换工作，同时MAX232本身就有驱动能力，不需要外加驱动电路。

图3.2 MAX232引脚图和电容典型参数
3.3 微处理器电路
微处理器电路是指CAN节点的微控制器及其外围电路，它完成节点的控制和运算功能，由CPU、译码电路和复位电路组成。
3.3.1 CPU
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
在设计中管脚分配：PO口作为数据、地址复用总线使用，P2口的口线作为片选信号，参与地址译码电路。P1口作为一般I/O接口使用，Pl.0用于复位电路， Pl. 1用来控制LED指示灯。
振荡电路采用外接晶振，工作频率是12MHZ。
3.3.2 地址译码电路
节点中有多个芯片需要使用数据总线，故需要设计地址译码电路。译码电路采用线选法，具体对应关系为：P2.7为74HC245片选信号，P2.6为SJA10OO片选信号。P2.5接75LBC184的DE和RE引脚，当P2.5为1时75LBC184为发送器，当P2.5为0时75LBC184为接收器。
3.3.3 参数输入电路
为了简化系统，本次设计采用DIP设定开关输入数据。DIP拨码回路开关的正式名称是DUAL IN LINE PACKAGE SWITCH。 操作用开关中，与其他的开关不同，极少有将其装在机身表面，多数用于直接安装在线路板上的开关。目的是用于电气信号的控制程序的设定、电子回路的切换和查验等用途。采用8位DIP设定开关，高两位用于设置通信波特率，底六位用于设置智能节点号。DIP设定开关通过74HC245三态双向总线驱动器向单片机传送并口数据，74HC245片选信号经过或门与单片机的P27和读信号引脚相连，也就是只有P27和读信号引脚全都为0时才选通74HC245，方向控制位DIR接地，数据从B端口向A端口传送，此时单片机可以通过读取74HC245数据端口即可得到并口数据，完成数据的输入。其电路图如图3.4所示。
3.4 CAN总线接口电路
CAN接口电路可分为三部分：CAN控制器，CAN收发器和光电隔离电路。
3.4.1 CAN控制器SJA1000
1．SJA1000主要特性
CAN控制器是CAN通信的核心芯片，CAN的通信协议主要是由它完成的。CAN控制器主要实现CAN总线协议部分和与微处理器的接口。设计选用的是SJAlOO。
SJA1000是一种独立控制器，用于汽车和一般工业环境中的局域网络控制。它是PHILIPS公司的PCA82C200独立CAN控制器的替代品。与其在引脚及电气上完全兼奔。SJA1000 有一系列先进的功能，适合于多种应用，特别在系统优化、诊断和维护方面非常重要。
SJA1000独立的CAN控制器有2个不同的操作模式：BasicCAN模式（和PCA82C200兼容）和PeliCAN模式。
BasicCAN模式是上电后默认的操作模式。因此，用PCA82C200开发的已有硬件和软件可以直接在SJA1000上使用，而不用作任何修改。
PeliCAN模式是新的操作模式，它能够处理所有CAN2.0B规范的帧类型。而且它还提供一些增强功能使SJA1000能应用于更宽的领域。
（1）BasicCAN模式功能：
多主结构；
1）可连接各种类型微处理器接口；
2）总线访问优先权(取决于报文标识符)；
3）2032种报文标识符；
4）对于高优先权报文确保等待时间；
5）成组和广播报文功能；
6）无损结构的逐位仲裁；
7）带有位填充功能的非归零编码/解码；
24MHZ时钟频率。
（2）PeliCAN模式扩展功能：
1）可读/写访问的错误计数器；
2）可编程的错误报警限制；
3）最近一次错误代码寄存器；
4）对每一个CAN总线错误