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温度

（2011届）

湖南工业大学专科毕业设计（论文）

基于CAN总线的楼宇温度控制系统设计

学院（部）：

电气与信息工程学院

学生姓名：

姚远

班级：

电气0822

学号43号

指导教师姓名：

廖镇勋

职称

最终评定成绩

2011年5月

摘要

随着经济建设的发展，人们对现代智能楼宇的环境要求越来越高，如适宜的温度、新鲜的空气等。

高层建筑网络监控面广，通信距离长，对楼字控制系统提出了更高的要求．

文章提出了一种基于CAN总线的楼字温度控制系统，并给出了系统硬件和软件的设计方案，分析了控制台和分布在楼宇中的控制节点之间的通信问题，从而实现对楼宇温度实时检测，并对异常情况进行报警和控制，试验表明该系统可靠，能实现节能目的．

关键词：

楼宇温度控制；CAN总线；DB18B20

目录

摘要1

目录2

第1章绪论2

第二章CAN总线概述3

2.1CAN总线3

2.2现场总线及CAN总线的发展4

第三章系统结构原理与硬件设计5

3.1主控台和硬件设计6

3.2CAN总线接口设计7

3.3节点硬件设计7

3.4关键硬件的选择9

3.4.1SJA1000芯片特性9

3.4.26N137光电耦合器11

3.4.3DS18B2012

第四章通信过程和系统软件设计13

4．1通信过程设计13

4．2控制台软件设计14

4．3控制节点软件设计15

结论16

参考文献16

致谢17

第一章绪论

近年来，现场总线以其全开放、全分散、全数字化，集计算机、通信、控制技术于一体而已成为当今自动化领域技术发展的热点，在各种工业生产过程中得到了越来越广泛的应用。

本文综述了CAN总线产生和发过程，概括了CAN总线优于其它现场总线的特点，结合生产中温度监控的实际需求，提出了将CAN总线应用于生产实践的设想。

给出了基于CAN总线的温度监控系统的设计方案，设计了一种基于CAN总线的智能楼宇温度测控系统。

以AT89C52单片机为核心，利用CAN总线技术和数字温度传感器DS18B20，组建了智能楼宇温度测控系统的节点及网络构架，给出了系统总体结构和关键的软件流程。

第二章CAN总线概述

2.1CAN总线

CAN总线是德国Bosch公司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问题而开发的一种串行数据通信协议。

它是一种多主总线，通信速率可达1Mbps，直接传输距离最远可达l0km。

可挂接设备数最多可达10个。

它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

CAN总线属于总线式通信网络，数据通信具有较高的可靠性、实时性和灵活性。

CAN总线的应用范围遍及高速网络和低成本的多线路网络。

由于CAN总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而可用于高干扰环境，并且由于具有较远的传输距离，CAN协议对于许多领域的分布式测控是很有吸引力的。

它作为智能设备的联系纽带，直接挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本的控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。

这是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术。

现场总线也可以说是工业控制与计算机网络两者的边缘产物。

从纯理论的角度看，它是属于网络范围的。

但是，现有的网络技术不能完全适应工业现场控制系统的要求。

无论从网络的结构、协议、实时性，还是适应性、灵活性、可靠性乃至成本等，工业控制的底层都有他的特殊性。

因此现场总线其规模应属于局域网、总线型结构，它简单但是能满足现场的需要。

它要传输的信息帧短小，要求实时性很强、可靠性很高（网络结构层次少），信息帧短小有利于提高实时性和降低受干扰的概率）。

然而现场的环境干扰因素很多，有些很强烈而且带有突发性，这些都决定了现场总线必须是有自己特点的一个新型领域。

2.2现场总线及CAN总线的发展

20世纪80年代现场总线技术才开始形成和发展，这与微型计算机，尤其是嵌入式系统的高速发展密不可分。

在这二十几年的时间中，已经有多种现场总线技术走向成熟并且逐步的得到推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力。

其中基金会现场总线FF（FoundationFieldbus），Lonworks技术,PROFIBUS技术，HART技术和CAN总线技术应用最为广泛。

本章着重就CAN总线技术进行介绍。

现场总线（Fieldbus）能同时满足过程控制和制造业自动化的需求，因而现场控制总线已经成为工业数据总线领域中最为活跃的。

尽管目前对现场总线的研究尚未提出一个完善的目标，但现场总线的高性价比已经被众多工业控制系统采用。

同时，正是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。

控制局部网CAN（ControllerAreaNetwork）也正是在这种背景下应运而生的。

（1）CAN总线介绍控制器局域网CAN为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。

CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用。

在汽车电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速度可达1Mpbs。

同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等，可用以代替接线配线装置。

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，它的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

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、循环冗余检测、优先级判别等项工作。

CAN协议的一个最大的特点是废除了传统的站点地址编码，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1l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，还可以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，可满足通常工业控制领域中控制命令、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协议采用了CRC检验并可以提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

（2）CAN总线所具有的特点

由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、机器人及数控机床等领域。

CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

CAN总线的特点可以概括如下：

①CAN是到目前为止唯一的有国际标准的现场总线。

②CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络其他节点发送信息，而不分主从。

③在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输。

④CAN采用非破坏总线仲裁技术。

当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

尤其是在网络负载很重的情况

下，也不会出现网络瘫痪的情况（以太网则可能）。

⑤CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。

除此之外，CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

CAN总线具有较高的性价比。

它结构简单，器件容易。

第三章系统结构原理与硬件设计

系统的设计目的是为了测量和控制分布在一栋建筑物内各个房间的温度，而测温和控制节点是分散的，所以要通过CAN总线实现控制台和分布在建筑物的各个部分的控制节点相连，每个控制节点可以控制多个房间的温度．系统结构如图1

图1.系统硬件结构图

3.1主控台和硬件设计

控制台是单片机，为主控制器，连接报警模块、存储模块、时钟／日历电路和人机接口电路，其结构如图2所示．系统采用的STC89C51单片机是新一代的超强抗干扰、低功耗、高速工业级单片机翻，指令代码完全兼容传统的8051单片机，工作电压可以在3．4-5．5V之间；用户应用程序空间最大可以达到64KB；支持在系统可编程和在应用可编程，使得系统现场程序调试和系统功能修改变得很方便；内部集成了“看门狗”；芯片工作温度在-40℃～85℃之间；同时该芯片系统硬件结构圈内部集成了数据FLASH，控制节点的硬件设计中就无需再外接用于控制温度设定值的存储芯片在系统正常工作时，控制台接收从键盘输入的房间号和温度报警设定值并保存到存储AT24C128中；控制台根据房间号确定控制节点地址，并将房间号和温度报警设定值发送给该控制节点．在异常时，控制台通过CAN总线在接收到控制节点发来的数据后，通过I2C总线读取实时时钟／日历芯片PCF8563的时间，连同接收到的数据写入存储器AT24C128，并作相应处理，区分出是房间的温度超过设定值还是温度传感器DBS18B20接触不良，发出报警信号，同时将房间号、时问、报警原因等信息传送至LCD进行显示．

图2.控制台硬件结构图

3.2CAN总线接口设计

CAN总线通信的波特率高达1Mb／s，最远通信距离可达10km；CAN总线通信采用短帧结构，使得数据传输的时间短，受干扰的概率低，并且CAN总线协议有良好的检错措施，因此CAN总线通信的可靠性较高，可以应用于有较强干扰的环境．CAN总线定义网络中的每一节点对应一地址，在实际应用中，CAN总线最多可挂110个节点．基于CAN总线通信对于传送的信息帧可以设定不同的优先级，并通过总线仲裁机制使高优先级的信息能够被优先、及时地传送，保证了更重要的信息能及时地被传送，从而增加了CAN总线通信的实时性．CAN总线接口采用PHIUPS公司生产的CAN控制器SJA1000和CAN驱动器PCA82C250．SJA10o0是集成的独立CAN控制器（与PHIUPs早期的CAN控制器PCA82C2o0完全兼容），负责完成CAN总线通信协议的物理层和数据链路层的功能嘲．SJA1000内置控制寄存器、命令寄存器、状态寄存器、中断寄存器和收、发寄存器等，单片机就是通过读写这些寄存器来实现对SJA1000的控制；芯片的TX0、RX0引脚用于与CAN总线收发驱动芯相连．PCA82C250是专门用于CAN总线收发驱动的8脚芯片，TXD、RXD引脚分别接收和发送CAN总线控制器的信号；双绞线（同轴电缆）传输介质分别接至CANH、CANL引脚．考虑到使用现场可能有各种各样的干扰，在CAN控制器和驱动器之间增加高速光耦隔离器件（6N137）.

3.3节点硬件设计

控制节点的主要功能是和控制台通信并接受控制台的温度控制设定值，检测分布在每个房间的温度控制点，如果有异常，则向控制台报警并控制该房间的空调风门．控制节点主要包括CAN总线接口、控制模块和温度传感器DS18B20，系统结构如图3所示．分散在建筑物内的控制节点通过CAN总线接受控制台发送来的房间号和温度控制设定值，并保存在STC89C51单片机的数据FLASH中；通过1-Wire总线读取分布在每个房间中的温度探测器DS18B20的温度值，和保存在FLASH中数据进行比较，若超过设定值，则通过控制模块控制该房间的空调风门，同时向控制台发送报警信息．Dallas半导体公司最新单线数字温度传感器DS18B20是一款体积更小、适用电压更宽、更经济的数字化温度传感器婀．现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，并且支持3-5．5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便．DS18B20内部ROM中的64位序列号是出厂前用激光光刻写好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码．64位光刻ROM的排列是：

开始8位是产品类型标号，DS18B20的产品系列码固定为28H；接着的48位是该DS18B20自身的序列号，而这48位序列号为全球唯一的，最后8位是前面56位的循环冗余校验码．利用DS18B20ROM中的序列号作为l—Wire网络中的地址，唯一标识一个传感器，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的．根据Dallas公司提供的DS18B20资料，每根单线总线上最多可以挂248个1一Wire器件．但在试验中发现并非如此．当一根单线总线上所挂的DS18B20超过8个时，就需要解决控制节点的单片机对单线总线的驱动问题，否则单片机就不能正确实现对DS18B20的读写．同时，连接DS18B20的总线电缆也是有长度限制的，当采用普通信号电缆作为总线传输测温数据时，长度超过50m时，读取的测温数据就会发生错误．当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达150m．因此该系统每个控制节点一根单线总线最多接8个DS18B20，这样设计的目的既能保证单片机对总线的驱动，同时也能满足通信距离不超过150m，从而实现系统的稳定运行.

图3.控制节点的硬件结构设计图

3.4关键硬件的选择

根据系统的功能要求和实现系统的可行性要求，我们在关键器件CANN总线控制器和驱动器上，分别选择了菲利普半导体生产的SJAl000。

它们不仅使用方便、性能可靠，而且价格便宜易于购买。

同时SJAl000也适合于工业产品的量产。

温度测量采用使用方便，性价比高的单线数字温度传感器DSl820。

SJA1000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。

它是Philips半导体公司PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代品，而且它增加了一种新的操作模式——PeliCAN，这种模式支持具有很多新特征的CAN2.0B协议。

3.4.1SJA1000芯片特性

（1）和PCA82C200独立CAN控制器引脚兼容

（2）和PCA82C200独立CAN控制器电气兼容

（3）扩展接收缓冲器（64字节、先进先出FIFO）

（4）和CAN2.0B协议兼容

（5）同时支持11位和29位识别码

（6）位速率可以达到1Mbits/s

（7）PeliCAN模式扩展功能：

——可读/写访问错误的计数器

——可编程的错误报警限制

——最近一次错误代码寄存

——对每个CAN总线错误的中断

——具体控制位控制的仲裁中断

——单次发送

——只听模式（无确认、活动的出错标志）

——支持热插拔（软件速率检测）

——验收滤波器扩展（4字节代码，4字节屏蔽）

——自身信息接收（自接收请求）

（8）24MHZ时钟频率

（9）对不同微处理器的接口

（10）可编程的CAN输出驱动器配置

（11）增强的温度适应（-40到1250C）

SJA1000的内部结构图如图4所示

图4.SJA1000内部结构图

从上面的图可以看出，SJA1000主要游接口管理逻辑IML、信息缓冲器（含发送缓冲器TXB和接收缓冲器TXFIFO）、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部器及复位路等构成。

IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向主控器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总线。

BTL始终监视CAN总线，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BPS处理，由ASP过滤。

只有当接收的信息识别码与ASP检测相符时，接收信息才最终被写入RXB或RXFIFO中。

RXFIFO最多可以缓存64字节的数据，该数据可以被CPU读取。

EML负责传输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。

SJA1000与CPU的接口有INTEL模式和MOTOROLA模式（简要说明两种模式的区别）。

通过SJAl000的MODE引脚可选择接口模式，当MODE引脚接高电平时，SJAl000工作在INTEL模式，MODE引脚接低电平时，SJAl000T作在MOTOROLA模式。

在设计中我们使用了INTEL总线读写时序，因此选择了INTEL模式。

在这种模式下SJAl000的读写时序与使用外部数据存储器一样。

不论采用哪种接口模式，为了确保在上电平期间不产生写脉冲，在上电的时候使片选输入是高电平，禁止CAN控制器工作。

SJA1000时钟有四种构成方式,我们选择了SJAl000的时钟取自微控制器时钟输出的方式。

为了使SJAl000正确复位，CAN控制器的XTALI管脚必须连接一个稳定的振荡器时钟，引脚17的外部复位信号要同步并被内部延长到15个t的XTAL，这保证了SJAl000所有寄存器能够正确复位，要注意的是上电后的振荡器起振时间必须要考虑。

因此，我们采用集成复位芯片MAX809实现CPU复位和SJAl000复位，确保CPU和SJAl000的有效复位。

3.4.26N137光电耦合器

6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850nm波长AlGaAsLED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。

具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速（典型为10MBd），5mA的极小输入电流。

6N137光耦合器的特性：

（1）转换速率高达10MBit/s

（2）摆率高达10kV/us

（3）扇出系数为8

（4）逻辑电平输出

（5）集电极开路输出

6N137光耦合器的内部结构、管脚图如图5所示。

图5.6N137内部结构及管脚图

6N137光电耦合器的电源管脚旁应有一个0.1uF的去耦电容。

在选择电容类型的时候，应尽量选择高频特性好的电容，如陶瓷电容，并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚。

3.4.3DS18B20

单线制接口方式，仅需要一根信号线与CPU连接，传送串行数据，不需要外部元件。

每个芯片有惟一的地址编码．多个DS18B20可以挂接在一根总线上，实现多点测温。

测温范围为一55～125oC，分辨率为9～12位，可通过编程选择，对应的可分辨温度分别为0．5℃、0．25℃、0．125℃和0．0625℃的默认值l2位。

可实现高精度测温。

既可用数据线供电，也可用外部的电源（3．0-5．5V）供电。

DS18B20使用注意事项

根据DS18B20的通信协议,主机控制DSI8B20完成温度转换必须经过3个步骤：

每一次读写之前都要对DSI8B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM（只读存储器）指令，最后发送RAM（随机存储器）指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否则，将无法正确读取测温结果。

在DS18B20的单总线上所挂DS18B20数量超过8个时，需要解决微处理器的总线驱动问题，因此．在进行多点测温系统设计时要加以注意。

连接DSI8B20的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误；当将总线电缆改为屏蔽双绞线时，正常通信距离可达150m；当采用带屏蔽层且每米绞合次数更多的双绞线电缆时，正常通信距离进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的，因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时。

要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DSI8B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。

在进行DSI8B20硬件连接和软件设计时应予以重视。

第四章通信过程和系统软件设计

4．1通信过程设计

系统控制台和控制节点使用CAN的远程帧或数据帧进行通信，其通信的波特率设置为100k／s．控制台采用每隔500ms发送一个远程帧查询一个节点，对应的节点在收到远程帧后，如果该节点所连接检测控制的房间温度传感器DB18B20正常工作，则向控制台返回一个远程帧，表示该节点一切正常；如果有节点不能正确读取DB18B20，则向控制台返回一个带有该房问号的帧，控制台收到后报警．这一通信过程所需时间受控制台和控制节点之间的距离影响，实践表明，在通信的波特率设置为100k／s、通信距离2公里的情况下，在500ms内完全可以实现一次正常通信．如果500ms内收不到该控制节点的返回信息，则表示该节点脱离了总线或不在工作状态，控制台报警．其它时间控制台在“监听”总线，等待控制节点在异常情况下向控制台报告的数据帧．在异常情况下，也就是控制节点检测到有房间的温度超过设定值，就立即检测CAN总线是否空闲，如果空闲就向控制台发送一帧数据帧．

综上，在正常情况下，控制台使用总线的时间极短，大部分时间在“监听”总线，这样就尽可能地避免总线通信信的冲突．而且控制台可以在2分钟内查询llO个节点，而一个节点可以检测和控制8个房间，系统基本上可以实现在2分钟内对一个有近1000个房间的楼宇巡检一次，实现实时检测．

4．2控制台软件设计

系统构成包括控制台和控制节点两部分，因此软件设计主要包括控制台程序设计和节点程序设计两个部分，控制台程序从大模块上划分为初始化和主调度两块．初始化部分仅在上电启动或复位时运行一次；主调度主要包括CAN信息帧处理、键盘按键处理、显示处理和报警、数据和时间处理、中断控制等部分，控制台程序结构如图6所示

图6.控制台程序结构图

主调度主要负责协调和管理各个子任务的运行，主调度巡查各个子任务激活条件，当激活子任务的事件发生时，将激活该子任务运行，否则跳过这一子任务；如果有多个激活条件出现，主调度负责仲裁．系统初始化的功能是建立系统使用环境，包括CAN总线接口初始化、时钟芯片初始化等．CAN信息帧处理模块主要实现利用CAN总线实现控制台和各控制节点之间的通信．键盘按键处理模块主要用来实现键盘的输入按键的识别及相关处理．显示处理和报警模块则实现根据数据时间处理模处理的结果传送至LCD显示，并控制报警系统．数据和时间处理模块主要是实现对从CAN总线接口接受来的数据进行处理并保存到AT24C128中，并根据系统时间和温度报警设定值做相应的处理．最后的中断控制模块用以实现CAN总线接口实时通信和键盘按键实时响应．

4．3控制节点软件设计

控制节点的主要功能是和控制台通信，检测分布在每个房间中的DS18B20的温度值，如果有异常，则向控制台报警并控制该房间的空调风门．控制节点程序结构如图7所示．控制节点通过CAN总线接受来自控制台数据帧，处理后得到该控制节点所控制的每个房间的温度设定值并保存在STC89C51单片机的数据FLASH中．控制节点每隔1分钟通过读取每个房间的温度传感器DS18B20的温度值，和该房的温度设定值进行比较，如果超过，则通过控制模块向该房间的空调系统的风门系统发出控制信号，控制风门作相应调整，同时通过CAN总线向控制台报告房间号和温度值．如果在巡检中连续三次读取某个传感器DS18B20不成功，则向控制台报告

图7.控制节点程序结构图

在控制节点软件设计中，要读取每个房间的温度值．根据DS18B20的通信协议，节点单片机控制DS1