基于ARM的CAN总线智能照明控制系统设计毕业论文.docx
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基于ARM的CAN总线智能照明控制系统设计毕业论文
基于ARM的CAN总线智能照明控制系统设计毕业论文
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题背景1
1.2现场总线的技术特点和现状1
1.3课题的提出及意义2
2系统设计3
2.1设计要求3
2.2总体设计方案3
2.2.1设计思路3
2.2.2方案论证与比较4
2.2.2.1主控制器4
2.2.2.2CAN控制器选择4
2.2.2.3CAN收发器5
2.2.2.4CAN通信电缆5
2.2.3系统结构框图5
3硬件设计7
3.1系统硬件结构7
3.2系统单元电路设计8
3.2.1主节点单元电路设计8
3.2.1.1ARM7最小系统设计8
3.2.1.2TFT彩屏电路设计9
3.2.1.3SD卡接口电路设计10
3.2.1.4CAN总线电路设计10
3.2.1.5蜂鸣器及ISP下载选择电路设计12
3.2.1.6键盘电路设计13
3.2.1.7电源电路设计13
3.2.1.8串口通信电路设计14
3.2.2从节点单元电路设计14
3.2.2.1单片机最小系统设计14
3.2.2.2液晶接口电路设计16
3.2.2.3CAN总线电路设计18
3.2.2.4键盘电路设计21
3.2.2.5串口通信电路设计22
4软件设计23
4.1系统软件结构23
4.1.1主节点软件结构23
4.1.2从节点软件结构23
4.2系统程序模块设计24
4.2.1主节点程序模块设计24
4.2.1.1初始化模块程序设计25
4.2.1.2CAN协议模块设计27
4.2.1.3TFT液晶显示模块设计31
4.2.1.4触摸屏模块程序设计34
4.2.1.5SD驱动模块设计35
4.2.1.6串口驱动模块设计36
4.2.1.7蜂鸣器驱动模块设计37
4.2.2从节点程序模块设计38
4.2.2.1初始化程序模块设计39
4.2.2.2CAN协议模块设计40
4.2.2.3照明信号数据处理模块设计41
4.2.2.4键盘扫描及处理模块设计42
4.2.2.5照明灯定时控制模块设计43
4.2.2.6液晶显示模块设计44
5系统测试46
5.1测试准备46
5.1.1测试条件46
5.1.2硬件环境46
5.1.3软件环境46
5.2测试系统46
5.2.1测试项目46
5.5.2测试步骤47
5.2.3测试结果48
6结束语52
致谢53
参考文献54
附录1基于CAN总线的智能照明控制系统原理图55
附录2基于CAN总线的智能照明控制系统PCB板图56
附录3基于CAN总线的智能照明控制系统程序清单58
1绪论
1.1课题背景
现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络，它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其更高控制管理层之间的联系。
由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展趋势，它一经产生便成为全球自动化技术的热点。
它的出现，导致了目前生产的自动化系统结构和设备的深刻变革。
照明是利用各种光源，照亮工作和生活场所或个别物体的措施，利用太阳能和天空光的称“天然采光”，利用人工光源的称“人工照明”。
照明控制是对照明使用的质和量的驾驭，对包括人工光源和自然光源在的各种光源的使用状态进行调整，以实现更舒适、更优美、更节能的照明环境的具体手段。
随着科技的发展和人们物质、精神生活水平的提高，照明不仅仅是满足人们视觉上明亮的要求，还要满足艺术性的要求，要创造出丰富多彩的意境，给人们以享受。
自1973年世界上发生了第一次能源危机以来，国际上对照明节能的逐渐重视起来，并提出了“绿色照明”理念，在发展绿色照明工程的过程中照明控制起了非常重要的作用，这也在很大程度上促进了照明控制技术的发展。
因此，本课题就是利用高性价比、安全可靠运用广泛的CAN总线控制网络与照明设备构成CAN网络智能照明控制系统。
因涉及到相关总线技术，所以先介绍一下其容。
1.2现场总线的技术特点和现状
（1）系统开放性好
（2）具有互可操作性与互用性
（3）使现场设备具有智能化和功能自治性
（4）系统结构的高度分散性
（5）对现场环境的强适应性
（6）系统成本低、性能高
在20世纪80年代中期，德、法等欧洲国家的一些大公司相继推出了自己的现场总线产品，同时制定了自己相应的标准。
自20世纪90年代后，现场总线技术得到了迅猛的发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面，全世界发展起来的现场总线已达数十种。
但通过实际应用后，这些现场总线产品的优缺点也日渐明显。
这几种现场总线技术已逐渐具有影响力，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。
CAN局域控制网是目前运用最广泛的现场总线之一，它是一种多主总线，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式灵活；CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等几种方式传送和接收数据；CAN采用非破坏性位仲裁技术，优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好的性能。
最早运用于汽车工业，随着CAN总线技术的不断发展，其运用领域也得到不断的扩展，如今，在机器人、数控技术、自动化仪表、航空工业等领域，都能看见CAN的影子。
1.3课题的提出及意义
自1973年世界上发生了第一次能源危机以来，国际上对照明节能的逐渐重视起来，并提出了“绿色照明”理念，在发展绿色照明工程的过程中照明控制起了非常重要的作用，这也在很大程度上促进了照明控制技术的发展。
传统的照明控制技术在照明的控制方式上以手动为主，仅能实现简单的开关控制与调光控制。
利用设置在灯具回路的电气参数（电压、电流、频率等），实现调光控制。
这种传统的的照明控制方式，功能简单，布线复杂远不能满足当今社会发展的要求。
随着计算机技术、网络通讯技术、微电子技术、现场总线技术等的发展，利用现场总线智能节点将照明设备构成局域控制网络，形成网络化控制必将成为智能照明控制的发展趋势。
正因为这样研究现场总线与照明控制相结合的技术，必将是未来发展的需要，因此，有必要研究照明控制在现场总线上的应用。
然而，CAN总线又是现场总线的杰出代表之一，因此研究CAN总线对照明的控制有其重大的意义。
这不仅促进了智能照明控制技术的发展，也拓宽了现场总线的应用领域。
还能实现“绿色照明”，节约能源。
考虑到照明控制技术和现场总线技术的结合构成智能网络照明控制系统是未来的发展趋势，因此我们有必要研究基于现场总线局域网络的智能照明控制技术，本课题正是基于此而提出的基于CAN总线的智能照明控制系统设计。
本课题主要任务是研究CAN总线在智能照明设备控制系统中的应用，并且开发出三个智能CAN总线节点，并利用这三个节点，搭建CAN总线局域网络，实现了远距离多节点的照明控制方案，设计中采用一个主控节点，两个从节点，通过主控节点，控制两从节点上的两盏照明灯，照明灯通过AC220V供电，并制作了继电器控制模块，实现强电弱电的隔离。
并通过长距离（20米左右）、多节点联网控制测试，几乎满足实际照明控制系统的所有要求，具有重大的实际应用意义。
2系统设计
2.1设计要求
本题目要求设计一个基于CAN总线的智能照明控制系统。
设计中采用主从节点的网络设计方案，通过主节点对各个从节点的照明灯进行实时监控。
系统要求设计一个主节点，多个从节点，并模拟应用现场，进行试验研究。
主节点具有实时监控各个从节点照明灯开关时间、状态等的功能。
在主节点上，主节点可以随时设置所有从节点开关灯时间及状态，从节点也可以随时设置本节点灯设备的开关情况。
并且，无论是在哪里改变了照明灯设备的开关状态或剩余时间，都能实时的更新主从节点上的显示。
此外，本系统还具有离线检测，通讯指示，运行指示等功能。
当某从节点设备人为的从总线上卸下或由于总线局部断开而造成的节点离线，都能在主节点监控界面上实时显示。
另外，系统具有通信故障指示，当与主节点相连的总线断开时，主节点将作出相应的通信异常指示。
2.2总体设计方案
2.2.1设计思路
本设计是一个基于CAN总线的现场测控网络。
设计中采用主从式总线型网络结构，实现主从节点的信息交流。
并且采用CAN总线的双验收滤波技术，以保证同时支持CAN总线的点对点通信和广播通信方式，为节点间的正确通信打下良好基础。
系统工作流程如下：
首先，在主节点利用触摸屏输入各从节点灯控制信息，点击确定后，先依次将各个从节点的设置信息，以点对点的方式发送给各个从节点，紧接着用广播方式将一个启动灯信号发送给所有的从节点，以保证同时启动所有从节点灯设备。
当从节点设备接收到灯设置信息和确定信号后，从节点将接收到的信息进行解包翻译，并产生照明灯开关控制信号和定时器控制信号以控制灯设备。
在正常运行模式（非设置模式）下，主节点通过不断向各个从节点发送数据请求帧，从节点只有接收到目标地址为自己节点号的数据请求帧，才会将本节点灯设备的开关状态和剩余时间发送给主节点进行更新显示，从而实现主节点对从节点的实时监控。
当从节点将自身的灯控制信息更改后，由于主节点不断的向从节点请求数据，故，各从节点的灯信息也能在主节点上动态更新。
对于离线检测功能的实现，主节点在规定的时间，检查各个从节点是否发送过数据给主节点，如果没有发送过数据，则认为该从节点已经断开了总线的连接即节点离线。
否则，从节点在线。
在运行指示功能中，当主节点主程序停止运行则指示运行不正常。
具体实现如下，首先定义一个全局变量WorkCount，在主节点主程序的while工作循环中自加，当while循环执行一次，则该变量增加1，当该变量能达到某设定阈值则取反运行指示灯状态并清零WorkCount后重新自加计数，这样当主程序还在运行，则运行指示灯就一直在闪烁。
2.2.2方案论证与比较
考虑到实际因素的制约，所以不可能考虑高成本以及在实验室难以制作的设备，由于照明设备所处的环境差异较大，有些环境较为恶劣，在降低成本的同时还要保证数据通信的可靠性，所以在选择器件时就应优先考虑上述因素。
2.2.2.1主控制器
对于从节点单片机的选择，我们采用比较常用的STC89系列单片机，如STC89C52。
选用该型单片机的原因：
（1）从节点的功能比较单一，程序量不大，采用该型单片机无须扩展程序存储器。
（2）起数据采集和输出控制作用的智能从节点的数据都会及时发送出去，需要的本地存储器容量也不大，采用该型单片机无须扩展数据存储器；
（3）选用该类型单片机，可以采用由德国的Keil公司生产的，在代码生成方面处于世界领先地位Keil软件开发工具，该开发工具比较容易获得，具有友好的界面，我们也比较熟悉。
它部具有兼容于MCS-51的头文件，编程方便，开发周期短，开发效率高。
故，我们选用STC89C52单片机作为从节点主控制器。
（4）STC89系列单片机具有较丰富的中断和计数器资源；指令与MCS51兼容，在软件编写上比较方便。
比较后选择STC89C52单片机作为智能从节点主控制器芯片。
对于主节点，由于要保存和处理多个节点灯设备的数据，需要较大的RAM容量，而为了建立友好的人机界面，还需要彩屏、触摸屏、SD卡、串口、蜂鸣器、CAN接口电路等外设，程序较为庞大，需要的ROM较大，另外，主节点需要处理大量的数据，需要较快的运算速度，数据处理中常常要用到乘法运算，为了提高数据运算能力，需要硬件乘法器的支持。
然而通常的STC89C52单片机运算速度较慢，RAM和ROM都较小，部无集成硬件乘法器和CAN控制器等。
因此，不选用STC89C52单片机作为主节点的主控制器。
由于LPC2119ARM系列微处理器运行速度较快，部有16KRAM和128K的Flash存储器能满足主节点的存储器要求，并且LPC2119部集成有硬件乘法器和CAN控制器，选用该处理器作为主节点的住控制器，可以提高可靠性并降低制作成本，此外，LPC2119处理器功耗较低，采用3.3V和1.8V供电就可以了，耗电较少。
故，主节点采用NXP公司生产的LPC2119微处理器作为主控制器。
2.2.2.2CAN控制器选择
选择哪种CAN控制器将对整个系统的成本产生较大的影响。
目前市场上CAN控制器分为单片机（或DSP）嵌式和独立式二大类。
（1）主节点CAN控制器选择
由于主节点选用LPC2119处理器，其部集成有CAN控制器，故主节点无需再选有独立CAN控制器。
（2）从节点CAN控制器选择
考虑到从节点控制任务简单，为降低成本选用常用的STC89C52作为主控制器，其部无集成的CAN控制器，故选用独立的CAN控制器芯片。
在这里我们采用Philips公司的独立式CAN控制器SJA1000，目前在国市场上最热门，它与单片机的接口简单，访问SJA1000就像访问单片机的外部RAM一样，操作简单，方便。
而且SJA1000还是一款支持CAN2.0B协议的CAN控制器芯片，并且其价格也不高，其可采用直列式封装，制作简单。
因此，我们选择SJA1000作为从节点的CAN控制器。
2.2.2.3CAN收发器
对于CAN收发器，只有PCA82C250最为适合了，尽管有TJA1050，PCA82C252,CF15,
Si9200但是PCA82C250在市场应用多，相关的设计较多，因此选择PCA82C250作为CAN收发器。
2.2.2.4CAN通信电缆
为了提高CAN总线通信可靠性和抗干扰能力，我们采用双绞线作为CAN总线通信电缆，双绞线通过双绞，减少自身对外界的电磁波辐射，同时也提高了外部电磁波辐射的抗干扰能力，另外，当平行对线传输高频信号时由于两线之间存在的电容作用，引起信号相位相对滞后，当平行线对双绞时，就会在线对形成电容的同时形成一个串联的电感，以抵消电容的影响，从而提高通信可靠性。
2.2.3系统结构框图
本系统主要采用主从式总线型网络结构。
该网络结构具有结构简单、布线容易、成本低、编程容易等优点。
系统中由CAN主节点、多个CAN从节点、执行机构和灯设备等构成。
在主节点上可以设置或监视所有从节点的灯设备的开关灯状态及剩余时间。
从节点也可以自行设置本节点灯的状态情况。
网络中可以实现点对点的通信方式以及广播发送方式，以确保帧信息的正确达到。
具体系统总体结构框图，如图2.1所示：
图2.1系统总体结构框图
智能通信节点主要由单片机处理器、CAN总线控制器和相应的输入输出设备三部分组成。
首先主节点将带有照明控制信号的控制信息通过CAN总线网络发送到特定的从节点，从节点接收到控制信息后，经过适当的处理，按主节点控制要求产生特定的照明控制信号，以控制相应的照明设备。
从而实现对照明设备的定时开、关控制。
以此同时，从节点不断的对相应照明灯的开关状态、当前剩余时间等数据进行采集，并通过CAN网络发送给主节点显示，以实现对各照明设备的实时监控。
另外，照明灯的控制信号可以在照明设备现场的从节点上设置，也可以在控制室里的主节点上设置。
无论是在哪里改变了照明设备的控制信号，都能实时的刷新主、从节点上的显示状态。
从而使系统控制灵活、方便。
3硬件设计
3.1系统硬件结构
系统硬件结构主要包括主节点硬件电路结构和从节点硬件电路结构以及继电器模块等。
主节点由LPC2119ARM7处理器、TFT彩色触摸屏、串口、SD卡、CAN总线驱动电路、蜂鸣器、JTAG接口、独立式键盘、电源电路等模块组成。
主节点硬件结构图如图3.1所示。
图3.1主节点硬件结构
从节点由STC89C52单片机、LCM1602液晶模块、串口、独立式键盘、SJA1000
CAN控制器电路、CAN总线驱动电路、继电器控制电路等模块组成。
从节点硬件结构图如图3.1所示。
图3.2从节点硬件结构
3.2系统单元电路设计
3.2.1主节点单元电路设计
3.2.1.1ARM7最小系统设计
LPC2119最小系统电路主要由LPC2119ARM7处理器、时钟振荡电路、复位电路组成。
时钟振荡电路采用给定方式，外接11.0592MHZ晶振与两个22pF的起振电容，外接晶振与处理器部的反相器构成振荡电路产生振荡时钟，经PLL锁相环锁相倍频（或旁路PLL）后为CPU提供工作时钟。
复位电路采用阻容式复位电路，由于LPC2119微处理器的有效复位信号为低电平，故电容与地连接，电容另一端与复位端口相连，以保证复位端口为高电平，以处在正常工作模式。
LPC2119最小系统电路原理图如图3.3所示。
图3.3LPC2119最小系统电路原理图
3.2.1.2TFT彩屏电路设计
TFT彩屏电路包括彩屏模块电路（可移动部分）和控制器与彩屏模块之间的接口电路。
其中，彩屏模块电路主要由TFT液晶电路、触摸屏电路、背光灯电路组成。
触摸屏采用4线电阻式触摸屏，触摸屏控制器采用的是具有12位A/D转换精度的XPT2046芯片。
TFT液晶模块电路原理图如图3.4所示
图3.4TFT液晶模块电路原理图
TFT液晶模块接口电路原理图是处理器与TFT液晶模块接口之间的部分电路。
其主要由34Pin双列直插插座和少量电阻电容组成，用于为TFT液晶模块提供一个插接接口，以使TFT液晶模块与处理器相连。
TFT液晶模块接口电路原理图如图3.5所示。
图3.5TFT液晶模块接口电路原理图
3.2.1.3SD卡接口电路设计
SD卡（SecureDigitalMemoryCard）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理（PDA）和多媒体播放器等。
SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。
大小犹如一邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。
SD卡具有两种操作模式，分别为SD模式和SPI模式。
在这里由于LPC2119处理器没有SD卡接口且SD模式较为复杂，故采用SPI接口模式操作SD卡。
当SD卡刚刚连接时，默认工作方式是SD模式，可以先通过SD指令切换至SPI模式。
然后再利用SPI总线的操作方法读写SD卡。
SD卡的管脚CD（CS）、CMD（MOSI）、DATA0（MISO）、CLK（SCLK）分别于处理器LPC2119的P0.4、P1.17、P1.19、P1.17相连。
利用IO口模拟SPI总线操作，读写SD卡数据。
SD卡接口电路原理图如图3.6所示。
图3.6SD卡接口电路原理图
3.2.1.4CAN总线电路设计
CAN总线电路主要包括CAN控制器部分和CAN总线驱动部分。
其中CAN控制器部分主要集成在LPC2119ARM处理器部，在这里不做它的硬件介绍。
在这里主要详细介绍CAN总线驱动电路。
在本设计中采用由NXP公司生产的应用最为广泛的CAN总线收发器PCA82C250，它主要应用于汽车中高速领域，支持ISO-11898标准。
PCA82C250是CAN控制器和物理总线间的接口，它提供对总线的差动发送与接收能力，增大通信距离，提高系统瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰等。
其部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。
虽然短路出现时的功耗增加，但不至使输出级损坏。
若结温超过大约160℃，则两个发送器输出端极限电流将减少，由于发送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的温升。
器件的所有其他部分将继续工作。
PCA82C250采用双线差分驱动，有助于抑制在恶劣电气环境下的瞬变干扰。
PCA82C250具有以下特性：
符合ISO-11898标准。
高速率（最高可达1Mbps）；
保护总线能力，具有抗汽车环境下的瞬间干扰；
采用斜率控制（SlopeControl），降低射频干扰（RFI）；
差分接收器，抗宽围的共模干扰，抗电磁干扰（EMI）；
过热保护；
总线与电源及地之间的短路保护；
低电流待机模式。
未上电节点对总线无影响；
总线至少可以连接110个节点。
PCA82C250管脚图如图3.7所示，管脚功能描述如表3.1所示。
表3.1PCA82C250管脚
符号
管脚
功能描述
TXD
1
发送数据输入
GND
2
地
VCC
3
电源电压
RXD
4
接收数据输出
Vref
5
参考电压输出
CANH
6
低电平CAN电压输入/输出
CANL
7
高电平CAN电压输入/输出
Rs
8
斜率电阻输入
图3.7PCA82C250管脚图
CAN总线驱动电路主要由CAN总线收发器PCA82C250、收发指示电路、终端电阻等部分组成。
P3跳线短接时在CAN_H与CAN_L之间接入了120欧终端电阻，可以由用户选择是否接入终端电阻。
P4为CAN总线接口，连接外部总线。
发光二极管D7、D8用于指示CAN总线收发，R15为斜率电阻，可以通过改变R15的阻值来改变发送器晶体管的上升和下降斜率，以降低射频RFI干扰。
CAN总线驱动电路如图3.8所示
图3.8CAN总线驱动电路
3.2.1.5蜂鸣器及ISP下载选择电路设计
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，电流从蜂鸣器1管脚流过蜂鸣器，再从三极管发射极流到集电极（地），因此蜂鸣器蜂鸣。
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。
蜂鸣驱动电路如图3.9所示。
另外，LPC2119有三种编程方式：
①使用JATG仿真/调试器，通过JATG接口下载程序。
②使用系统编程技术（即ISP）,通过UART0接口下载程序。
③使用在应用编程技术（即IAP），使用这种方式，可以实现用户程序运行时对Flash进行擦除或编程。
在本设计中采用系统编程技术（即ISP）。
在系统刚上电时，系统会首先检查处理器P0.14管脚是否为低电平，若是则进入ISP编程模式，开始下载程序。
若不是则程序开始从0000H地址开始执行。
因此设计一个跳线帽JP1供用户下载程序使用。
ISP下载模式选择电路如图3.10所示。
图3.9蜂鸣器驱动电路图3.10ISP下载模式选择电路
3.2.1.6键盘电路设计
在本设计中采用独立键盘，独立式键盘无论是在硬件还是软件的设计上都是相对简单的。
由于本设计要求的按键数量不多，采用独立式键盘较为合理。
该键盘电路较为简单，主要由按键和上拉电阻组成。
在按键尚未按下的情况下，处理器检测到其输入的是高电平，当按键按下后，输入为低电平，处理器就是通过检测其输入的是高电平还是低电平来判断按键是否按下的。
当然，在程序中还要进行消抖、识键、译键等操作。
键盘电路原理图如图3.11所示。
图3.11键盘电路原理图
3.2.1.7电源电路设计
在本系统中由于需要使用到+5V、+3.3V、+1.8V电源，故在此设计中包括三个电源模块，另外再增加一个电源指示部分。
首先，将外部电源适配器输出的直流9V电压经过开关S1和二极管D1输入系统，通过稳压器LM7805稳压成+5V直流电。
再将+5V直流源分别输入到稳压器AMS1117-3.3和AMS1117-1.8分别稳压输出+3.3V和+1.8V电源为处理器等供电。
其中，二
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