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第1章本文内容1
第2章CAN总线技术研究2
2.1CAN总线特点3
22CAN总线技术介绍3
2.2.2CAN与其他通信方案的比较4
2.2.3CAN的报文格式4
2.3数据错误检测5
第3章中央空调控制系统设计6
3.1系统的主要功能6
3.2中央空调控制整体结构7
3.3硬件设计8
3.3.1信号采集电路设计10
3.3.2CAN通信电路设计13
3.3.3电路硬件抗干扰15
3.4软件设计16
3.4.1主程序设计16
3.4.2A/D转换程序设计17
结论19
参考文献20
1．本文内容
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。
2CAN总线技术研究
2.1CAN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PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统[5]。
2.2CAN总线技术介绍
2.2.1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。
2.2.2CAN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:
EthernetCSMA/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。
2.2.3CAN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[6]。
2.3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。
3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RAMIDT7230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DATEINPUT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3-5A/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2—3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600Ω。
，控制电压为12V，则12/600=15/（600+R114），可得到Rll4的阻值为150Ω。
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。
3.3.2CAN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SJA1000
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。
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CANBUS。
BTL始终监视CANBUS，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3-7CAN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BASICCAN寄存器来实现的。
时钟分频寄存器OCR用于设定SJA1
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