基于CAN总线的智能照明控制系统软件设计方案文档格式.docx

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经过仔细思考后将从节点软件划分为六大模块,它们分别为:

系统初始化模块、CAN协议模块、照明控制信号数据处理模块、键盘扫描及处理模块、照明灯定时控制模块以及LCD液晶显示模块。

从节点软件结构如图1.2所示:

图1.2从节点软件结构

1.2系统程序模块设计

1.2.1主节点程序模块设计

由图1.1可知,主节点系统程序主要由七大模块构成,它们分别是:

然而,节点主程序是这些程序模块的调用者,是实现主节点功能的途径,所以其他程序模块的设计,目的都是为了服务于主程序,以实现主节点监控从节点灯设备的功能。

如图1.3所示是主节点的主程序流程图。

首先,初始化主节点硬件设备如:

TFT彩屏、SD卡、CAN控制器、中断系统等,接着显示监控界面1,然后进入一个无限的工作循环。

在工作循环中,处理如下工作,先判断当前模式是不是进入了灯设置模式,如果是则停止向从节点发送数据请求帧。

若不处在灯设置模式,则依次向各个从节点发送数据请求帧,请求从节点返回其灯数据。

接着,判断是否有触摸按键按下,若有则作出相应的按键处理并刷新显示,最后检测主节点的运行、通信状况和对从节点是否离线的检测。

这样主节点就处理完成所有的从设备监测、设置、离线检测、运行指示、通信指示等主要功能。

图1.3主节点主程序流程图

1.2.1.1初始化模块程序设计

在主节点软件结构中,系统初始化程序是系统能够正常工作的基础,是系统在进入工作循环时首先执行的一段代码。

通过系统初始化将主节点硬件设备设置成一个确定的状态,以等待后备的使用。

其系统初始化模块主要包括5大部分:

TFT液晶初始化、UART0初始化、CAN1初始化、SD卡初始化、触摸屏中断初始化。

(1)TFT液晶初始化:

首先,将TFT液晶接口管脚配置好,由于液晶接口的数据线和控制线都是采用LPC2119控制器的GPIO口模拟的,故要将其数据线DATA0-DATA15、数据/命令线(LCD_RS),读/写控制线(LCD_RD/LCD_RW),使能控制线(LCD_CS)管脚配置为输出口。

触摸屏SPI通信接口也采用IO口模拟操作,将与触摸屏控制器片选线T_CS、数据输出线T_MOSI、串行时钟信号线T_CLK相连的GPIO口设置为输出口。

与数据输入线MISO相连的IO口设置为输入,并初始化触摸屏中断系统。

紧接着开启彩屏内部时钟,配置彩屏电源,然后伽马校正并设置,最后开显示并清屏。

具体的TFT液晶初始化程序流程图如图1.4所示。

(2)UART0初始化:

先通过配置管脚连接寄存器,使LPC2119的P0.0、P0.1管脚连接到串口0模块。

再设置串口的帧结构,设置为8bit每帧,采用奇校验方式,接着设置串口波特率为115200bps.具体串口初始化流程图如图1.5所示。

(3)CAN控制器初始化:

首先,配置CAN1管脚功能,设置进入CAN控制器的复位模式,设置告警上限值为0x60,设置通信波特率为约400Kbps,允许CAN接收中断,并禁止验收滤波器,接着恢复到正常工作模式,最后初始化CAN接收中断。

具体CAN1控制器初始化流程图如图1.6所示。

图1.4TFT液晶初始化图1.5UART0初始化图1.6CAN1控制器初始化

(4)SD卡初始化:

首先,配置SD管脚功能,将SD卡片选信号置高,连续发送至少74个时钟,将片选拉低(CS=0),发送复位命令CM0,使SD进入SPI操作模式。

确定SD卡正确响应后,发送激活SD卡初始化程序的命令CM1,到此则初始化SD卡完毕。

具体SD卡初始化程序流程图如图1.7所示。

(5)触摸屏中断初始化:

首先,设置LPC2119的P0.3为外部中断INT0,设置外部中断0(触摸屏中断)为IRQ中断,设置IRQ中断号、激活,设置外部中断INT0为下降沿触发,清零中断标志位并使能中断。

具体触摸屏中断初始化程序流程图如图1.8所示。

图1.7SD卡初始化程序图1.8触摸屏中断程序

1.2.1.2CAN协议模块设计

CAN协议模块是本设计的主要内容,也是设计中的重要内容。

CAN协议程序模块设计的好坏对整个系统能否继续进行起着决定性作用。

是关系到整个照明控制系统生死攸关的问题,是能否使系统健壮,通信可靠的关键。

设计中,将CAN协议模块分成CAN驱动程序模块和CAN协议数据格式模块。

下面我将分别详细介绍这两个部分。

(1)CAN协议数据格式:

主要采用源/目的协议模式以一定的格式来对所要处理的数据进行填充和解释,然后发送给各个从节点。

在CAN接收环节中CAN节点通过验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器,采用双滤波方式确定该数据是否是本节点的数据或广播数据,从而对数据进行选择接收或丢弃,并将CAN接收缓冲区内的数据依照先前制定的协议规则进行解译接收。

下面首先介绍主从节点在应用层上共同的CAN协议规则。

本系统采用的是CAN2.0B协议,该协议支持11位ID同时也支持29位ID,目的在于兼容CAN2.0A协议。

而在本次运用中,由于系统规模还算比较小,我们采有11ID标识符已经能够满足设计上的要求。

故,在本设计中采用的是标准帧格式(即11ID标识符的帧格式)。

其帧结构如图1.9所示。

图1.9CAN总线帧结构

11位ID分成三个域:

源节点号、目的节点号、数据类型。

其中,源节点号是发送者节点号,目的节点号是接收者的节点号或者是广播ID=0xF,数据类型分为5种,

强制型灯设置数据,在强制开关灯模式下使用,发送的数据全是灯状态,不含有灯时间字节,一帧数据中携带有多个灯设备的开关信号。

常规型灯设置数据,在常规设置模式下,每帧灯设置数据只包含一个从设备灯的控制信息,包括开关灯时间及开关状态信息。

确认信号,确认信号帧不带灯数据段,数据长度DLC=0x0,用于同步启动整个系统的灯设备。

数据请求帧,表示本帧数据是请求数据帧,也是没有灯数据段的,用于主节点向从节点请求灯数据。

灯状态数据帧,包含着一个从设备灯的剩余时间和开关信息。

RTR位是用于区别该帧是数据帧(RTR=0)还是远程帧(RTR=1)。

DLC为数据长度码,用于表明数据域中含有的字节数。

后面的灯设备状态数据含有5个字节,分别为时间和灯设备状态。

灯设备状态有三种:

开灯、关灯和离线。

当开关状态字节为0表示节点关灯,1表示节点开灯,2表示节点离线。

数据类型与ID20-ID18值的对照表如表格4-1.

表4-1数据类型对照表

ID20-ID18

帧类型

000

强制型灯设置数据

001

常规型灯设置数据

010

确认信号帧

011

数据请求帧

101

灯状态数据帧

CAN协议数据格式实现主要由两个函数实现,分别为数据打包函数和数据解包函数。

数据打包是将用户的数据,按照上述CAN协议数据规则,组装成数据帧发送出去。

解包程序则相反,是将CAN接收缓冲区中的数据,按照CAN协议数据规则解压理解,并产生照明控制信号,控制照明设备。

CAN数据打包程序流程图如图1.10所示。

图1.10CAN协议数据格式打包函数

CAN数据解包函数主要是将发送过来的数据按照CAN协议数据格式解析并接收。

在主节点的数据解包中,由于在本设计中,从节点发送给主节点的数据只有一种即常规型灯数据,故在接收到数据后只要判断是不是该类数据即可。

所以,它与数据打包函数并不完全对称,现给出CAN数据解包函数流程图如图1.11所示。

图1.11CAN数据解包程序流程图

(2)CAN驱动程序模块:

对CAN数据的发送和接收处理。

对于主节点,发送信息有三种:

发送主节点设置信息。

发送确定启动信号。

发送数据请求帧。

在主节点发送设置信息和确定信号后,接着发送数据请求帧,以请求从节点灯数据。

从节点在接收到设置信息和确定信号后,按照CAN协议数据格式规则解译,产生灯控制信号,并启动定时器,开始控制从设备照明灯。

CAN驱动程序模块主要包括帧发送函数与帧接收函数。

在帧发送函数中,首先根据用户的入口参数(目的节点号/广播ID、数据类型等),调用数据打包函数,按照用户的要求,组装成CAN数据帧,并启动发送。

而在帧接收函数中,先调用数据解包函数,提取源节点号、目的节点号、数据类型等,再根据数据类型提取数据段数据,最后释放CAN接收缓冲区,并标识接收完毕。

CAN帧发送程序流程图和CAN帧接收程序流程图分别如图1.12和图1.13所示。

图1.12CAN帧发送程序流程图图1.13CAN帧接收程序流程图

1.2.1.3TFT液晶显示模块设计

TFT液晶设备是一个输出设备,是用户与系统进行交流沟通的桥梁。

而TFT液晶显示模块是实现人机接口界面,实现人机交流沟通功能的基础。

因此,良好的TFT液晶显示模块,是实现友好人机界面的关键。

设计中将TFT液晶显示模块划分为两层:

TFT液晶驱动程序层和TFT液晶应用程序层。

驱动层是最底层的程序,是直接与TFT硬件打交道的程序,需要对其硬件接口及操作时序有深刻的理解。

所有的应用层函数都是基于该驱动层函数实现的。

TFT驱动层函数包括:

TFT初始化函数、写字节数据函数、写字节命令函数、TFT读字节函数。

下面分别讲解驱动程序函数的实现,TFT初始化函数已经在系统初始化模块中做过论述,在此就不再重复讲解了。

写字节数据函数:

打开TFT片选(LCD_CS=0),将数据/命令端口RS置高电平,以通知液晶控制器,发送的是普通数据而不是命令数据,接着给数据总线填入要写入的数据,TFT写控制端WR先拉低再拉高,形成一个上升沿,一个上升沿后数据就写入TFT液晶了,最后再关掉片选。

写字节命令函数:

打开片选,将数据/命令端口RS置低电平,以通知液晶控制器,发送的是命令数据而不是普通数据,接着给数据总线填入要写入的数据,TFT写控制端WR先拉低再拉高,形成一个上升沿,一个上升沿后数据就写入TFT液晶了,最后再关掉片选。

TFT读字节函数:

打开片选,写入要读的RAM地址,设置数据总线为输入口,设置数据/命令选择线为高电平,以说明读的是数据,接着将读控制线RD先拉低再拉高,形成一个上升沿,一个上升沿后数据就从TFT液晶输出到总线了,然后从总线上读取数据并存于变量中,最后关闭片选。

TFT驱动程序的各函数流程图如图1.14、图1.15、图1.16所示。

图1.14TFT写数据字节图1.15TFT写命令字节图1.16TFT读字节数据

应用层是基于驱动层而设计的,其主要功能是利用驱动层函数实现各种图形对象的绘制,为实现友好的人机界面做好铺垫。

其中,TFT应用层函数包括:

画点函数、画线函数、画矩形函数、画圆函数、填充矩形函数、填充圆函数、清屏函数、图片显示函数…;

灯控件显示函数、总线对象绘制函数、按键控件绘制函数、软键盘绘制函数…;

监控界面1绘制函数、监控界面2绘制函数、设置界面3绘制函数…。

由于函数太多下面只抽取几个给予讲解并分别给出各个程序流程图。

画点函数,画点函数是所以其他应用层函数的基础,其程序流程图如图1.17所示。

画线函数,画线函数也是为更高层运用而设计的,如为绘制矩形、填充矩形、绘制控键等使用。

其程序流程图如图1.18所示。

图1.17画点函数图1.18画线函数

矩形绘制函数是绘制方形触摸屏按键的主要函数之一,设矩形绘制函数入口参数为两个对角定点(x1,y1)、(x2、y2)和矩形边框颜色color,则只需用color颜色绘制四条直线即可。

其程序流程图如图1.19所示。

触摸屏按键绘制函数,首先根据用户提供的入口参数:

控件背光部分颜色、控件躯体颜色、控件向光部分颜色、控件大小、控件位置、写入控件文字字模的指针、控件状态(按下/弹起)等,判断按键是按下还是弹起状态。

若是按下状态则绘制按下状态的控件,否则绘制弹起状态的控件。

控件绘制函数流程图如图1.20所示。

 

图1.19矩形绘制函数图1.20触摸屏按键绘制函数

1.2.1.4触摸屏模块程序设计

触摸屏模块主要包括触摸屏驱动层的A/D转换、识键等程序和应用层的触屏按键扫描程序。

触摸屏控制器采用的是具有12位A/D转换器的触摸屏芯片XPT2046,该芯片采用的是SPI串行通信总线。

我们采用SPI操作方式对该触屏控制器进行操作,以转化触摸点的电压。

在这里只介绍驱动层的读取A/D函数和应用层的按键扫描函数。

读取XPT2046的A/D转换电压的流程如下,先选中XPT2046芯片,向其发送A/D转换命令,等待1ms,然后读取A/D转换值并提取低12位,最后释放片选返回A/D值。

其流程图如图1.21所示。

应用层的键盘扫描函数,主要用于用户与系统的交流,用于设置从设备的灯状态和监测灯设备。

触摸屏按键扫描程序流程图如图1.22所示。

图1.21读XPT2046的A/D值图1.22触摸屏键盘扫描程序

1.2.1.5SD驱动模块设计

在本设计中SD卡采用SPI总线操作模式进行操作。

总线分别为SPI串行时钟线SD_CLK、SPI数据输出线SD_MISO、SPI数据输入线SD_MOSI.先使SD卡进入SPI总线操作模式,再对SD进行读写操作。

在SD卡驱动程序当中,最核心的是SD初始化化函数、SD卡读字节函数和SD卡写字节函数。

SD初始化程序在系统初始化中已经介绍过了,在这里就不再介绍了,在这里只介绍SD的另外两个最基础的函数:

SD卡读字节函数、SD卡写字节函数。

SD卡读字节函数:

串行时钟线SD_CLK先拉低再拉高,则在SD_CLK线上产生1个上升沿,则SD卡中的1位数据流出到输出线SD_MISO上,然后读取该位数据后左移1位,再在SD_CLK线上重新产生上升沿,读取下一位数据,直到读完一个字节。

其程序流程图如图1.23所示。

SD卡写字节函数:

串行时钟线SD_CLK拉低,将要写入的字节的最高位取出,放在数据线SD_MOSI上,然后串行时钟SD_CLK拉高,数据的1位则进入SD卡了,接着要写的数据左移1位,在重复写第二位,依次循环执行8次,将整个字节写入SD卡。

SD卡写字节函数程序流程图如图1.24所示。

1.23SD卡读字节程序图1.24SD卡写字节程序

1.2.1.6串口驱动模块设计

在本设计中,串口驱动模块程序主要是用于程序的调试使用。

串口驱动程序包括:

串口初始化函数、串口字节发送函数、串口字符串发送函数。

串口初始化函数在系统初始化模块中已经介绍过,在此不再重复介绍。

下面介绍串口字节发送函数和串口字符串发送函数。

UART0字节发送函数非常简单,首先将要发送的字节填充入串口发送缓冲区U0THR中,然后请求并等待发送完毕。

UART0字符串发送函数,利用字符指针变量读取1存储单元的字节,并调用串口字节发送,然后指针变量值自加1,指向下一个存储单元,再发送指针变量指向的字节,直到指针变量指向的字节为‘\0’为止。

串口字节发送函数及串口字符串发送函数程序流程图如图1.25和图1.26所示。

图1.25串口字节发送程序图1.26串口字符串发送程序

1.2.1.7蜂鸣器驱动模块设计

蜂鸣器电路由S8550三极管、蜂鸣器、电阻组成。

三极管主要是用作电子开关,用于控制蜂鸣器是否有电流流过。

S8550三极管(PNP)基极通过一个2K的限流电阻连接到LPC2119处理器的P0.2口。

当处理器P0.2输出低电平时,三极管导通,蜂鸣器有电流流过,蜂鸣器蜂鸣。

当处理器P0.2口输出高电平时,三极管截止,蜂鸣器无电流流过,停止蜂鸣。

蜂鸣驱动程序就是通过给P0.2置高低电平而控制蜂鸣器发声与停止发声的。

蜂鸣器按键发声程序流程图如图1.27所示。

图1.27蜂鸣器按键发声程序

1.2.2从节点程序模块设计

由图1.2可知,从节点系统程序主要包括六大模块:

这些模块是实现从节点照明灯控制功能的主要“砖瓦”,然而,必须利用某种行为将这些“砖瓦”砌起来,而主程序就是产生这种行为的程序。

下面将重点介绍从节点主程序,让我们更理解从节点软件的运行框架。

如图1.28所示是从节点的主程序流程图。

首先,进行系统初始化。

其主要工作是初始化中断系统、初始化SJA1000CAN控制器、初始化液晶模块。

为后面系统运行时的CAN总线通信、液晶的显示和中断的响应做好准备。

接着,主程序进入1个工作循环,在工作循环里先进行键盘扫描,然后判断CAN接收标志Re_Flag=1否,如果Re_Flag为1,则说明CAN接收到数据,并进行数据处理和显示刷新并清零CAN接收标志Re_Flag。

如果Re_Flag为0则直接重新进行下一次工作循环。

图1.28从节点主程序流程图

1.2.2.1初始化程序模块设计

初始化程序模块由中断系统初始化、SJA1000CAN控制器初始化和液晶初始化组成。

中断系统初始化程序由CAN总线接收中断初始化、外部中断0(按键中断)初始化、定时器T0中断初始化组成。

CAN接收中断和按键中断利用的是外部中断,采用的是低电平触发中断,定时器中断初始化为定时方式2,即采用的定时器是16位的,设置初值,使每50ms产生一次中断,每产生20次中断,则定时1s.通过该定时器可以实现照明设备的定时控制。

从节点系统初始化程序流程图和中断系统初始化流程图分别如图1.29和图1.30所示。

图1.29从节点系统初始化流程图图1.30从节点中断系统初始化流程图

SJA1000初始化程序操作流程如下,首先设置模式寄存器MODE进入复位模式,因为很多寄存器是必须在复位模式下才能操作。

进入复位模式后设置验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器,设置通信波特率为约400Kbps,选择双滤波验收方式,最后回到工作模式。

LCD初始化函数,选择LCD为8位位流方式,关闭显示然后清屏,设置光标移动方式为右移,不显示光标、不反白,然后开显示并显示初始界面。

从节点SAJ1000CAN控制器初始化和LCD液晶初始化程序流程图分别如图1.31和图1.32所示。

图1.31SJA1000的初始化流程图图1.32LCD初始化程序流程图

1.2.2.2CAN协议模块设计

CAN协议模块主要包括CAN应用层程序模块和CAN驱动层程序模块。

CAN应用层协议在主节点CAN协议模块设计中已经详细介绍过。

如需了解请查阅主节点软件设计中CAN模块设计部分内容,在这里不再重复讲解CAN应用层协议内容。

下面主要讲解CAN驱动层程序,CAN驱动层程序与主节点类似,包括CAN帧发送程序和CAN帧接收程序。

由于在本设计中从节点发送给主节点的数据类型只一种,即常规的灯数据。

故,CAN帧发送程序得到了简化,首先将CAN帧设置为标准数据帧,数据字节长度为5字节。

然后将照明灯的剩余时间和灯状态填入CAN发送缓冲区,最后请求发送。

从节点CAN总线帧发送程序流程图如图1.33所示。

CAN总线帧接收程序采用外部INT1中断服务程序进行接收,当CAN控制器接收到CAN数据后,产生中断,中断信号由SJA1000的中断引脚输出,通过触发单片机的外部中断,从而通知单片机向CAN控制器SJA1000提取CAN数据。

CAN接收中断服务程序如图1.34所示。

图1.33CAN帧发送程序流程图图3.34CAN帧接收程序流程图

1.2.2.3照明信号数据处理模块设计

照明信号数据处理模块主要是根据主节点发送过来的灯设置信息,决定何种情况打开还是关闭照明设备开关,并根据情况决定是否需要开启定时器,以及是否需要刷新显示等。

在从节点接收到灯设置信息和确定信息后,开始调用数据处理函数,首先关闭定时器,重新赋值初值和清零相关计数变量,接着根据开关状态变量刷新显示,然后判断是开灯还是关灯,再做相应的动作和启动定时器。

具体程序流程图如图3.35所示。

图1.35照明信号数据处理程序流程图

1.2.2.4键盘扫描及处理模块设计

键盘扫描及处理模块主要用于实现人机交互,用于设置本从节点灯设备的开关灯情况。

键盘是1个输入设备,其软件驱动方法主要是通过检查按键是否按下,当按键按下时,该管脚将与地线GND相连为低电平,否则为高电平。

处理器就是通过检测该引脚的高低电平来判断按键是否按下的。

键盘扫描及处理模块程序流程如下:

首先,判断循环选择键Key1是否按下,若按下则停止定时器,禁止CAN接收中断,循环键按下次数变量Key1num++,并在特定位置显示闪烁光标,然后等待按键Key1num松开。

接着判断加1键Key2按下否,若按下则将对应的变量加1,并刷新显示。

接着判断减1按键按下否,按下则将对应变量减1,并刷新显示。

键盘扫描及处理模块程序流程图如图1.36所示。

图1.36键盘扫描及处理程序流程图

1.2.2.5照明灯定时控制模块设计

照明灯定时控制主要是通过单片机定时器T0进行定时控制的。

由于每50ms产生一次定时中断,通过Count记录中断次数,当中断次数达到20次时,表示计时1s,Count清零,Secound变量自加1,当Scound计数值达到60时,表示计数达到1分钟,则照明灯数据中的时间将减少一分钟并刷新显示,当照明灯的时间中的分个位减少到0后,分十位则减1,分个位变为9并刷新显示。

依次进行下去……就可以实现时间上分和时的定时。

当在运行中途被重新设置了灯的时间,则将要清除各个计数器。

照明灯定时控制程序流程图如图1.37.

图1.37照明灯定时控制模块流程图

1.2.2.6液晶显示模块设计

在智能照明控制系统当中,照明设备不仅要求在监控室里能够设定其开关情况,也要求在照明灯现场能够设定本节点的照明灯情况。

这样子,当我们在现场时就无需跑到控制室里开了灯再返回现场上班工作了。

我们就可以在现场直接开灯,然后就可以上班工作了,这样工作效率得到了

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