CAN总线在中央空调监控系统中的应用

学士学位论文CAN总线在中央空调监控系统中的应用摘 要中央空调控制系统是智能建筑中不可缺少的组成部分。传统的控制方法是采用DDC(直接数字控制器)方式，将各个温度、湿度检测点和控制点连接到一台或多台DDC上，实行多点实时监控。由于现代智能建筑楼层较多，多个空调风机位于不同楼层，温、湿度检测点分布于各个房间，采用DDC方式进行控制具有引线过长、施工不便、系统通信的实时性和可靠性不高等缺点，而面向工业控制的现场总线技术是目前解决工业控制现场数据实时通信问题的最佳方案。本文在研究国内中央空调监控系统的发展现状与特点的基础上，设计了基于CAN总线的中央空调监控系统。整个中央空调监控系统以基于PCI总线的CAN通信卡作为总线数据采集器，采用接口芯片PCI9052实现CAN通信卡同PC机之间的通信，外置CAN芯片SJA1000实现CAN总线的物理层和数据链路层功能。通过对CAN通信卡的驱动程序设计，实现对CAN总线上节点的监视和控制。本文详细分析了CAN总线和PCI总线的技术特点及通信机理，研究了独立CAN控制SJA1000和CAN总线驱动器的工作原理，完成了通信卡的硬件设计及驱动程序设计。关键词中央空调监控系统；CAN总线；PCI总线；PCI9052Design of Control System of Central air-condition based on CAN busAbstractCentral Air Conditioning System is an intelligent building an integral part. Traditional control method is used DDC (Direct Digital Controller) approach of the various temperature and humidity measure points and control points connected to one or more DDC, the implementation of multi-real-time monitoring. As more modern intelligent building floor, a number of different floors in the air conditioning fan, temperature, humidity detection point located in each room, using DDC control has lead way too long, construction inconvenience, the system real-time communication and reliability of the disadvantages of not and field bus for industrial control industrial control technology is to solve the problem on site traffic data in real time the best option.This paper studies the domestic central air-conditioning control system development and characteristics based on the CAN bus is designed based on the central air conditioning system monitoring. Central air-conditioning control system to the PCI bus based on CAN bus communication cards for data acquisition, achieved using CAN communication interface chip PCI9052 PC-Card with the communication between the external chip SJA1000 CAN bus to achieve the physical layer and data link layer functions. CAN communication card on the driver design, implementation of the CAN bus monitor and control nodes.This paper analyzes the CAN bus and PCI bus technology characteristics and communication mechanism to study the independent control of SJA1000 CAN and CAN bus driver works, completed the hardware design and communications card driver design.Keywords central air-conditioning control system, CAN bus, PCI bus, PCI9052不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 空调系统研究背景及意义11.2 国内外研究现状及发展21.3 本文研究内容2第2章 CAN总线技术研究32.1 CAN总线的产生和发展32.2 CAN总线特点42.3 CAN总线技术介绍42.3.1 位仲裁42.3.2 CAN与其他通信方案的比较52.3.3 CAN的报文格式62.4 数据错误检测6第3章 中央空调控制系统设计93.1 系统的主要功能93.2 中央空调控制整体结构93.3 硬件设计113.3.1 信号采集电路设计133.3.2 CAN通信电路设计163.3.3 电路硬件抗干扰183.4 软件设计193.4.1 主程序设计193.4.2 AD转换程序设计20结 论22致 谢23参考文献24附 录A25附 录B35千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- III -第1章 绪 论1.1 空调系统研究背景及意义随着经济的发展，对建筑大厦智能化的要求越来越高，智能大厦监控系统的应用也越来越广，需要监控的对象越趋多样化，必须使用具有统一规范、可靠性高、组建灵活、扩展性好、维护方便、性能价格比高的方式来组建系统。因此，作为智能大厦的一个重要组成部分楼宇自动化系统的研制具有极其重要的意义，而其中的空调监控系统为主要的研究对象。中央空调控制系统是智能建筑中不可缺少的组成部分。传统的控制方法是采用DDC(直接数字控制器)方式，将各个温度、湿度检测点和控制点连接到一台或多台DDC上，实行多点实时监控。由于现代智能建筑楼层较多，多个空调风机位于不同楼层，温、湿度检测点分布于各个房间，采用DDC方式进行控制具有引线过长、施工不便、系统通信的实时性和可靠性不高等缺点。在各种通信方式中，面向工业控制的现场总线技术是目前解决工业控制现场数据通信问题的最佳方案1。现场总线技术是在二十世纪80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术。它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字-模拟信号控制的局限性，为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了技术保证。现场总线是一种基于智能化仪表和执行机构的，全数字化的实时通信传输系统，应用于与工业现场或其他生产作业现场的现场数字设备与控制系统的通信2。它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。现场总线的通信协议结构是根据国际标准化组织提供的开放系统互连模型（ISO/OSI）来制定的。本系统所采用的CAN总线是最早在我国得到应用的现场总线之一，它采用 ISO/OSI七层框架中的物理层和数据链路层。CAN总线标准采用多主方式，网络上任何节点均可主动向其它节点发送信息，网络工点可按系统实时性要求分成不同的优先级。数据链路层采用短帧结构，每一帧为8个字节，易于纠错。发送期间丢失仲裁或出错的帧可自动重新发送，故障节点可自动脱离总线。CAN总线标准支持全双工通信，传输介质采用双绞线和光纤，传输速率可达1Mbps，节点数可达110个。其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。其容错能力和抗干扰能力强，传输安全性高。1.2 国内外研究现状及发展伴随着计算机控制技术的发展，世界上高层建筑BAS产品HVAC（空调系统，包括冷热源系统、通风系统）的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统，直到1984年，美国哈特福德市第一栋采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。集散式（集中管理、分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（Direct Digital Control)。我国在HVAC系统中使用集散控制系统是从20世纪80年代开始随着智能建筑的建设才开始使用，90年代逐渐广泛应用。在我国的智能建筑中，由于发展极为迅速。而市场管理和技术管理等方面又存在着一定程度的混乱，因此所暴露出来的问题就更广、更深、更严重一些。随着计算机控制技术的发展，对建筑物各系统进行全面计算机管理的智能大厦等也开始增多。妥善地把计算机技术运用于空调系统的控制管理中，已取得良好的经济效益和社会效益。这在许多工程中都得到证实。现在，空调产品及空调系统中都或多或少地应用了信息技术和自动控制技术。空调设备如果能加上计算机控制，那么它的可靠性和运行经济性就很明显，它的用户也就越多。现在，几乎所有的制冷机组都安装了计算机控制装置，以便根据负荷的变化调整冷量和水量，从而保证节能和最优化运行3。1.3 本文研究内容本文对现在中央空调控制系统的总体结构做出分析，对CAN总线技术进行了详细介绍，其中包括CAN总线的产生和发展、CAN总线特点、CAN总线技术介绍以及数据错误检测等。而且还对系统的软硬件进行设计，硬件包括对信号采集电路设计、CAN通信电路设计、电路抗干扰设计，软件包括对主程序设计和AD转换程序设计。第2章 CAN总线技术研究2.1 CAN总线的产生和发展控制器局部网（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将 5C技术-COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和 CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性 4。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了 CAN技术规范（VERSION 2.0）。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。2.2 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，因此可在各节点之间实现自由通信。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5。2.3 CAN总线技术介绍2.3.1 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011111；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。2.3.2 CAN与其他通信方案的比较实践中，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 ，总线系统按站所希望的传送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。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。2.3.3 CAN的报文格式在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，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请求帧,在请求帧中没有数据字节。 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08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6。2.4 数据错误检测不同于其它总线，CAN协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。 1. 循环冗余检查(CRC)在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否有错。2. 帧检查这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误。 3. 应答错误如前所述，被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。 4. 总线检测有时，CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。 5. 位填充一帧数据中的每一位都由不归零表示,可保证位编码的最大效率。然而，如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。为保证同步，同步沿用位填充产生。在五个连续相等位后，发送站自动插入一个与之互补的补码位；接收时，这个填充位会被自动丢掉。例如，五个连续的低电平后，CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。 如果至少有一个站通过以上方法探测到一个或多个错误，它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文，并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。作为规则，在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合，系统的恢复时间为31个位周期。 但这种方法存在一个问题，即一个发生错误的站将导致所有数据被终止，其中也包括正确的数据。因此，如果不采取自监测措施，总线系统应采用模块化设计。为此，CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部失败中区别出来的办法。这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站本身的错误并进入一种不会对其它站，产生不良影响的运行方法来实现，即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。6 CAN可靠性为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险，汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高，或者残留下来的数据错误足够低的话，这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为对传输过程产生的数据错误的识别能力。 残余数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小，使其在系统整个寿命周期内，按平均统计时几乎检测不到。计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类 ，并且数据传输路径可由一模型描述。如果要确定CAN的残余错误概率，我们可将残留错误的概率作为具有8090位的报文传送时位错误概率的函数，并假定这个系统中有510个站，并且错误率为1/1000，那么最大位错误概率为1013数量级。例如，CAN网络的数据传输率最大为1Mbps，如果数据传输能力仅使用50%，那么对于一个工作寿命4000小时、平均报文长度为 80位的系统，所传送的数据总量为91010。在系统运行寿命期内，不可检测的传输错误的统计平均小于10-2量级。换句话说，一个系统按每年365天，每天工作8小时，每秒错误率为0. 7计算，那么按统计平均，每1000年才会发生一个不可检测的错误7。第3章 中央空调控制系统设计3.1 系统的主要功能在现代化的大型建筑中，一般都采用中央空调系统。众所周知，空调系统的作用就是对室内空气进行处理，使空气的温度、流动速度及新鲜度、洁净度等指标符合场所的使用要求。为此必须对空气进行冷却或加热、降温或加湿，以及过滤等处理措施。其相应设备有制冷机组、热水炉、风机盘管系统、风管系统、水管系统等。例如，空调系统中，冷水机组是由设备生产厂成套供应的，它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制的。冷水机组由压缩机、冷凝器与蒸发器组成，压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸收，使冷冻水降温，然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量，如此循环不已，把房间的热量带出。因此，中央空调系统的监控设计，可从以下三个方面考虑：1 机组基本参数的测量、设备的启停控制；2 基本的能量调节；3 冷热源及水管系统的全面调节与控制。所以设计中央空调监控系统以具备CAN总线通信功能的PC机为主站，以具备独立故障诊断和控制功能的冷冻机、冷冻水控制系统，冷却水控制系统，补水控制系统等子控制系统为从站的中央空调监控系统结构。用CAN总线作为主从站之间的通信媒介。3.2 中央空调控制整体结构中央空调控制系统的总体框图如图3-1所示。图中，上位机采用IBM-PC兼容机，负责系统数据的接收与管理、控制命令的发送、系统工作过程的实时显示等。各单元控制器作为下位机，采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为微处理器，负责本单元内空调风机机组的现场数据检测以及工作状态的控制等。单元控制器内的CAN总线控制器SJA1000负责接收来自CAN总线的数据以及通过CAN总线向上位机发送数据。上位机通过插在PC总线扩展槽内的智能CAN总线通信适配卡连接CAN总线，并通过CAN总线与各单元控制器相连接。单元控制器也可以脱离上位机，直接进行现场手动控制8。图3-1中央空调系统的总体框图系统的工作原理为：各单元控制器对本单元的各检测点进行巡回检测，将检测数据按照CAN总线协议标准发送给上位机；上位机通过智能CAN总线通信适配卡接收各单元控制器上传的数据，根据操作者的指令或系统软件预先设定的控制程序向各单元控制器发送控制命令，由单元控制器对各空调风机机组进行实时控制。若脱离上位机，单元控制器将根据软件设定的控制参数直接对空调风机机组进行自动控制。操作者可通过单元控制器上的小键盘对控制参数进行现场修改9。中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成。各部分的作用及工作原理如下：制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中，由风机吹送达到降温的目的。经蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量成气态，冷却泵将冷却水送到冷却塔上由水塔风机对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。中央空调系统部分组成：冷冻水循环系统该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成。从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道（出水），进入室内进行热交换，带走房间内的热量，最后回到主机蒸发器（回水）。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。冷却水循环部分该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。主机主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒（制冷剂）等组成，其工作循环过程如下：首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。3.3 硬件设计系统硬件主要包括智能CAN总线通信适配卡和单元控制器。图3-2为智能CAN总线通信适配卡的原理框图。它提供了上位微机和CAN总线的接口，采用高性能的嵌入式微处理器80C188、CAN总线控制器82C200和CAN总线收发器82C250负责数据交换和通信处理。82C200是PHILIPS公司的产品，可完成物理层和数据链路层的所有功能。电子控制单元（ECU）的应用层由微处理器提供，82C200为其提供一个多用途的接口。双口RAM IDT7230作为PC机与CAN总线控制器的数据共享区，可提供两种相互独立的端口，每个端口均有各自的地址线、数据线和控制线，并且具有两套相互独立的中断逻辑来实现两个CPU之间的握手控制信号。通过软硬件设置将双口RAM映射成PC机的物理内存，使收发数据相当于直接向内存读写数据，从而提高了数据交换速率，并保证两个CPU同时对同一内存单元进行读写操作时数据的正确性。此外，智能CAN总线通信适配卡还具有中断选择、主存基地址选择、LED指示系统状态及CAN收发状态等功能。系统工作时，上位机将控制命令经ISA总线发送至智能CAN总线通信适配卡，经驱动电路写入双口RAM，然后发出中断信号。CAN通信控制器82C200收到中断信号后，从双口RAM中取出数据，并以CAN总线协议标准，经输出驱动电路、光电隔离电路以及CAN总线收发器82C250发送至CAN总线，完成从上位机到单元控制器的数据交换。上位机接收数据的过程与发送命令的过程相似，但方向相反。图3-3为单元控制器电路的原理框图。图中，微处理器由 ATMEL公司生产的AT89C51单片机，CAN总线控制器选用SJA1000，CAN总线收发器仍选用82C250，控制CAN总线的数据交换。工作时，CAN总线控制器SJA1000从CAN总线接收上位机发出的命令和数据，以中断方式通知CPU89C51。CPU收到中断信号后，将SJA1000接收到的数据存入RAM中，并根据数据对I/O接口电路发出相应的命令，控制风机机组、加湿器等执行部件进行相应操作。若上位机需要各单元状态信息，则CPU启动数据采集程序，控制I/O接口电路对各个检测点的数据进行巡回检。 图3-2智能CAN总线通信适配卡原理框图图3-3单元控制器电路原理框图硬件看门狗电路X25045用于系统监控，防止程序跑飞，并提供512字节EEPROM来保护重要的系统控制参数，提高了单元控制器的抗干扰能力。数字显示器可以显示风机的互回风湿度、送风温度、回风湿度、变频器频率、风门开度、水阀开度、报警信号的类型及数量等系统状态信息。小键盘用于修改设置参数、改变显示类型，从而使单元控制器在脱离上位机的情况下仍然可以完成控制功能10。3.3.1 信号采集电路设计信号采集节点主要负责采集循环水系统的信息，包括温度、压力值，通过总线上传给控制计算机，同时接收控制计算机的信息控制工频机的启停并将工频机启停状态上传给控制计算机。 节点的主控制芯片采用美国Atmel公司的AT89C51单片机，AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造。它主要有如下特性: 面向控制的8位CPU; 128B的片内数据存储器; 可以寻址64KB的片外程序存储器; 可以寻址64KB的片外数据存储器; 32根双向和可单独寻址的I/O线; 一个全双工的异步串口; 两个16位定时/计数器; 5个中断源，两个中断优先级; 有片内时钟振荡器; 采用高性能的HMOS生产工艺生产;. 有布尔处理(位操作)能力 含全有基本指令111条，其中单机器周期指令64种 11。1 信号调理电路一个中央空调机组需要采集的信号如下: 1.冷冻/热水进出水温度，2路。 2.冷却出水温度，1路。 3.冷冻/热水进水压力，1路。 4.冷却进水压力，1路。共有5路。但在实际工程中，中央空调用户一般安装两个机组，一用一备。一台机组出现故障，开启另一台机组，然后维修故障机组，避免了因为机组故障而影响空调的使用。同时实际应用中，一般是两台机组轮流使用，防止一台机组长期使用导致使用寿命减小。因此，在设计信号采集电路时，采集信号的路数应按两个中央空调机组设计。两个机组使用的是同一套水管道，但是温度传感器必须安装在水管离机组最近的地方，以防止水管各处温度不一样而导致温度测量误差过大。因此需要增加2路冷冻/热水进出水温度，1路冷却进出水温度。水管道各处压力一致，所以压力采集不需要增加。因此共需要采集8路信号。考虑到余量，本文设计了15路信号采集电路。传感器有压力传感器和温度传感器，均为两线制，供电电压24V，输出4-20mA。其中温度传感器需要定做，不同的安装管道管径需要不同长度的传感器。同时不同的管道壁厚需要传感器的安装螺纹长度也不同。一般温度传感器的量程为0-100摄氏度。压力传感器的量程为0-1MPa。温度和压力信号调理电路如图，T0为信号的输入端，R60为采样电阻，C60为滤波电容，规格是220UF/25V。第一个运放构成射随，降低输出阻抗，起到隔离的作用，避免负载对前级的影响。接着信号经过一个RC滤波。第二个运放构成反向比例，主要是调节信号的放大倍数，最后信号经过一个反向。这样采集到的信号就可以进行A/D转换。图3-4 信号调理电路2 A/D转换电路 A/D转换考虑到系统可能需要不同的模数转换精度，所以采用了两个转换芯片，一个采用12位串行模数转换器TLC2543，11路模拟输入。另一个为TLC0834。 TLC0834为8位逐次逼近的4通道A/D转换芯片，该芯片工作电压为5V，串行控制，具有输入可配置的多通道多路器和串行输入输出方式。其多路器可由软件配置为单端或差分输入，输入基准电压可以调整，转换时间为 32ps。TLC0834与单片机的硬件接口电路中，单片机的Pl.6接TLC0834的片选信号，Pl.4用于产生A/D转换的时钟，Pl.5为一个双向I/O口位，可用于对模拟输入进行配置及接收输出转换所得的数据。TLC2543是12位串行11通道A/D转换芯片，使用开关电容逐次逼近技术完成转换过程。工作电压为5V。在工作温度范围内转换时间为 10ps。在与单片机的硬件接口电路中，单片机的P1.0接TL2543的片选信号，P1.1用于产生A/D转换的时钟，Pl.2输出控制字到TLC2543芯片的 DATE INPUT端用于控制芯片要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度以及输出数据的格式，P1.3接转换芯片的数据输出端。具体电路如图3-5所示。其中R93和稳压管V3组成的电路给两个转换芯片提供SV的基准电压。图3-5 A/D转换电路图3-6 工频机控制图为了实现整体系统的网络控制，达到水泵房无人职守的目的，信号采集节点应该控制工频机的启停。实际应用中，一般异步机的启动电流为额定电流的23倍，为了避免这种情况的出现，大部分在异步机的三相进线中串接软启动器，实现电机的软启动，防止启动过电流出现，当启动过程结束后，启动器自动将接通旁路接触器，将软启动器短接。所以我们可以通过控制软启动器从而控制工频机的启停。具体的实现方式是控制接入软启动器控制端的交流220V的通断。具体电路如图3-6：电路中，P21为单片机的P2.1口，用于控制软启动器的启停。I/O1和I/O11接交流220V，同时接继电器的常开触点。当P21为高时，MC1413的输出即OUT端接地，继电器得电，常开触点闭合，交流220V接通，软启动器控制端得电，工频电机启动。同理可得到工频电机的停止过程。选用12V的继电器。查得继电器的线圈阻抗为600。，控制电压为12V，则12/600=15/(600+R114)，可得到Rll4的阻值为150。当网络系统正常工作时，工频机的启停受计算机的控制，但是考虑到可靠性的原因，如果网络系统发生故障，则工频机将不受控制计算机控制，影响到整个水系统的运行，可能导致中央空调机组停机，为了防止这种情况发生，在设计工频机控制电路时，加上了自动/手动选路开关，当开关位于自动时，工频机受控制计算机控制，当开关位于手动时，工频机由值班员直接操作。3.3.2 CAN通信电路设计CAN通讯部分主要是由四部分组成:微控制器89C51、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线驱动器82C250和高速光电藕合器6N137。具体电路见图3-7。下面对所选用的芯片做简单介绍。1. CAN总线控制器SJA1000SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。支持CAN2.0A以和CAN2.0B协议。主要由接口管理逻辑(IML)、信息缓冲器(含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIF0)、位流处理器(BSP)、验收滤波器(ACF)、位时序处理逻辑(BTL)、错误管理逻辑(EML)、内部振荡器及复位电路等构成。IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向控制提供中断信息及状态信息。CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB，TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到 CAN BUS。BTL始终监视CAN BUS，当检测到有效的信息头“隐性电平控制电平的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器BSP处理，并由ACF过滤，只有当接收的信息的识别码与ACF检验相符时，接收信息才最终被写入RXB或RXFIF0中。RXFIF0最多可以缓存64字节的数据，该数据可被CPU读取。EML负责传递层中调制器的错误管制，它接收BSP的出错报告，促使BSP和IML进行错误统计。图3-7 CAN通信原理图CAN控制器工作模式的设定、数据的发送和接收等都是通过BASIC CAN寄存器来实现的。时钟分频寄存器OCR用于设定SJA1000工作于 BASIC CAN还是PeliCAN，还用于CLKOUT引脚输出时钟频率的设定，在上电初始化控制器时必须首先设定：在工作模式下，控制寄存器CR用于控制CAN控制器的行为，可读可写；命令寄存器CMR只读写；状态寄存器SR只能读；而IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR在工作模式下读写无意义。通常，在系统初始化时，先使CR.0=1，SJA1000进入复位模式。在此模式下IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1及OCR均可读可写，此时设置相应的初值。当退出复位模式时，SJA1000即按复位时设定的相应情况工作于工作模式，除非再次使芯片复位，否则上次设定的值不变。当需要发送信息时，若发送缓冲器空闲，由CPU控制信息写入TXB，再由CMR控制发送；当接收缓冲器RXFIF0未满且接收信息通过ACF，则接收到的信息被写入RXFIF0。可通过两种方法读取接收到的信息。一种方法是，在中断被使能的情况下，由SJA1000向CPU发中断信号，CPU通过SR及IR可以识别该中断，并读取数据释放接收缓冲器；另一种方法是直接读取SR，查询RXFIF0的状态，当有信息接收时，读取该信号并释放接收缓冲器。当接收缓冲器中多条信息时，当前的信息被读取后，接收缓冲器有效信号会再次有效，通过中断方式或查询方式可以再次读取信息，查到RXFIF0的信息被全部读出为止。当RXFIF0已满，如还有信息被接收，此接收信息不被保存，且发出相应的缓冲器溢出信号供CPU读取处理12。2. CAN总线收发器82C25082C250是CAN协议控制器和物理总线的接口，它可以提供总线的差动发送能力和接收能力，通过引脚8 (Rs) 选择不同的工作方式：高速，斜率控制和待机。在高速工作方式下，发送器输出晶体管简单地以尽可能快的速度导通和截止。在这种方式下，不采取措施限制上升和下降斜率。对于降低速度或较短总线长度，可用非屏蔽双绞线或平行线作总线。为降低射频干扰，应限制上升和下降斜率。上升和下降斜率可由引脚8的接地电阻进行控制。本系统中采用的是斜率工作方式。在82C250组成的网络系统中，当82C250的TXD端输入为高电平时，其输出端CANH和CANL均呈高阻状态，在此状态下，82C250不会对整个网络产生影响，我们称此节点处于退让状态；当TXD端输入为低电平时，CANH和CANL分别输出高电平和低电平，这时整个网络传输数据的性质有此节点决定。82C250的RXD输出电平和网络中起支配作用的TXD端的电平是一致的13。在原理图中，AT89C51作为 CAN通讯模块的微控制器，负责对CAN控制器进行初始化，通过控制CAN控制器实现对采集数据的发送。CAN控制接口电路由CAN通信控制器SJA1000、光电耦合器6N137和CAN总线驱动器82C250组成，其中SJA1000是通过高速光电耦合器6N137后与82C250相连。 SJA1000的AD0-AD7连接到89C51的P0口，CS连接到89C51的P2.0。P2.0为0时CPU片外存储器地址可选中SJA1000，CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读/写操作。SJA1000的RD、WR、ALE分别与89C51对应引脚相连，INT接89C51的INT0，89C51也可以通过中断方式访问SJA1000。 为了增强CAN节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光电耦合器6N137后与82C250相连，同时，采用隔离的DC/DC模块B0505T给光耦输出端和CAN总线驱动器供电，这样就很好的实现了总线上各CAN节点的电气隔离，提高了节点的稳定性和安全性。 82C250的CANH和CANL引脚各自通过了一个5的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个小电容，可以起到滤出总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，在两个CAN总线输入端与地之间分别接了一个防雷击管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可起到一定的保护作用。瞬变干扰是电磁兼容领域中主要的一种干扰方式，特别是雷击浪涌波，由于持续时间短，脉冲幅值高，能量大，给电子电气设备的正常运行带来极大的威胁。82C250的RS脚上接有一个斜率电阻，使其工作在斜率方式。在CAN总线上，接有一个跳线和120电阻(通信介质为双绞线)，其中电阻为总线两端的终端电阻，即终端匹配电阻，节点作为总线终端的节点时，将跳线挑接，电阻接入总线。反之电阻不用接入。总线中接有匹配电阻可以增强抗干扰能力、提高通信可靠性和延长通信距离14。3.3.3 电路硬件抗干扰 和其它控制现场相比，中央空调水泵房内部环境温度变化大，电磁干扰和其它电子噪声强，网络的运行可靠性尤为重要，在节点设计中，要保证节点的安全可靠性，就必须采取更多的硬件抗干扰措施。1 在布局过程中，为了尽量减小数字电路和模拟电路之间的相互影响，尽量将PCB分区成独立的模拟部分和数字部分。2 时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源，所以时钟信号环路面积应尽量小；高速线路和时钟信号线的连接要短且直接连接;避免在晶振和其它固有噪声下面有其它线路。在实际布线中，考虑到电磁兼容及走线方便，将晶振置于51的正在下方，晶振外壳与地可靠连接，减少高频噪声的发射。3 布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。电源线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。4 采用高速光电耦合器来实现收发器与控制器之间的电气隔离，保护控制系统电路。光电耦合选择高速器件，推荐型号：6N137或TLPL13，以满足在最高电气响应；5 为增强CAN总线通信的可靠性，CAN总线网络里的两个端点通常要加入终端匹配电阻，电阻的大小由传输电缆的特性阻抗所决定。6 为保障通信的可靠性，对节点间的通信可以采用屏蔽双绞线。3.4 软件设计系统软件由上位机管理软件和单元控制器控制软件组成。上位机管理软件是在Windows98操作平台上，利用Visual Basic6.0开发的，包括系统监控、通信管理、数据处理、控制命令、动态显示等模块，具有界面友好、显示直观、操作方便等优点。系统运行时，各检测点和控制点的位置以图形方式形象地显示在上位机显示器，检测和控制数据在各自位置旁动态显示，操作者经简单培训即可对整个系统进行控制。单元控制器控制软件采用8051汇编语言编程，固化于89C51的EEPROM中，主要完成数据采集、数据通信、I/O接口控制、数字显示控制等功能。根据各个季节对室内温、湿度的不同要求，软件中预选设置了不同季节的控制参数，并可通过小键盘随时进行修改。实际运行时，湿度控制精度达到0.5,湿度控制精度达到2%RH。在中央空调控制系统上、下位机之间采用CAN总线进行通信，可大大提高系统工作的可靠性、实时性及扩展性，实现高精度的温度、湿度控制，具有广阔的推广应用前景。3.4.1 主程序设计信号采集节点的软件主要功能是将温度和压力值转换成模拟量传给控制计算机。同时将工频机的状态传给控制计算机，并根据命令控制工频机的启停。图3-8为主程序流程图，主程序主要完成微处理器的初始化，SJA1000的初始化、循环调用AD程序、CAN发送和CAN接收程序。其中，读取工频机的状态即读取工频机的启停状态，读取系统控制信息即读取控制计算机的信息，来控制工频机的启停。图3-8主程序流程图3.4.2 AD转换程序设计A/D转换主要是将冷冻进出水温度、冷却出水温度、冷冻水进水压力和冷却水进水压力转换成数字量。选用了AD转换芯片TLC0834和TLC2543，此处主要介绍TLC2543。TLC2543是有11个输入端的 12bit串行A/D转换器。控制字位从 DATE INPUT端串行输入的 8bit数据，它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度以及输出数据的格式。其中高 4bit(D7D4)决定通道号，对于0通道至10通道，该 4bit为00001010H。低 4bit决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，01表示输出数据长度为 8bit，11表示输出数据长度为 16bit，其他为12bit。D1决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，为0表示高位先送出。D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码)，若为单极性，该位为0，反之为1，本系统采用12bit单极性，高位先送出。下面以0通道转换为例给出转换的流程图，流程图如图所示其中，在送1通道方式/通道数据时，读出的是0通道的转换数据。其它通道以此类推。在读高8位和送出8位控制字时，可以先将控制字放入累加器A中，然后读出一位转换数据到CY位，将累加器A左移一位，这样便将CY位即一位转换数据放到累加器A的最低位，同时将控制字的最高位放到CY位，以此类推，可以读出8位数据并送出8位控制字13。图3-9 单通道AD转换流程图千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。- 37 -结 论本课题主要借助于PCI技术，根据中央空调的实际应用要求，设计开发了一个基于CAN总线的中央空调控制系统。在Proteus软件平台上面设计了一个CAN总线通信原理图。经过验证，系统的功能特性符合CAN总线的通信要求，同时具有以下几个优点： 1. 系统应用灵活：设计人员可以增加CAN总线通信适配卡的单元控制器来满足实际应用的需求。系统功能的添加、改进都可随时方便地进行，能充分地满足各方面的需求。2. 系统的功能强大：方便地实现CAN总线通信适配卡和PC机的硬件和软件资源的配合。比如完成大量数据存储备份、事后分析、与其它系统之间的数据共享等传统方法极难做到甚至不可能做到的功能。3. 系统的集成度高：与传统的数字逻辑搭配形成的控制系统相互比较，本系统运用Microprocessor和CAN总线控制器的强大功能、高稳定度设计出了一个集成度