1、 I 智能楼宇的计算机网络设I 摘 要 楼宇自动化控制系统是采用现代化的传感技术、计算机通信技术对建筑物内所有机电设施进行信号采集、控制，提供有效安全的物业管理，使其设备应用在最良好的状态。 本设计介绍了控制系统的发展，分析了各种控制系统的特点，提出了现场总线技术在控制领域的应用前景，特别是 CAN 总线的先进性。基于CAN 总线的楼宇控制系统主要由模拟、开关量前端模块，和上位管理机构成，前端模块是一个小的智能单元，核心部分是 8051 单片机，通信部分采用 SJA1000CAN 协议芯片，完成信号的采集和控制工作。上位机由 PC 机加入 PCI 插卡，插卡由 PCI 接口芯片 CH365 完
2、成 PCI 总线和 SJA10OO 通信，结构简单，通信可靠。 CAN 总线提供了标准网络协议的数据链路层，没有相应的高层通信协议，为此设计了简单的通信协议，完成设备的识别，数据的可靠传输，网络的控制。由于网络是一个多主的网络，可以方便的实现单主机的查询工作方式，和设备之间的点对点通信。 CAN 总线在楼宇控制中的应用，提高了楼宇的智能化水平并降低了设备和管理成本，具有广泛应用前景。 关键词 ： 智能楼宇 ； CAN 现场总线 ； 8051 单片机 ； 通讯协议 II Abstract Building automation control system consists of modern
3、sensor technology, computer communication technology on buildings of all electrical and mechanical facilities for signal acquisition, control and provide effective security for property management, to equipment used in the best condition. The designed CAN based building automation system is composed
4、 of front-end modules and a PC with communication card as the system supervisor. The front-end module is an intelligent unit designed around 8051 micro-controller, with I/O interfaces to perform data acquisition and control action, the CAN interface is designed by using SJA1000 CAN controller chip t
5、o fulfill the network communication tasks. The communication card mount in PC uses CH365 to link PCs PCI bus and perform data exchange to/from CAN bus via SJA1000.A simple communication protocol is designed based on the CANs physical and data link layer protocols. The protocol fulfills the tasks of
6、equipment identification, reliable data transfer, network control. The application of CAN based building automation system will raise the intelligent level, degrease the cost of management and improve the reliability and safety of the building. Obviously, such a system is of broad application prospe
7、cts. Keywords :intelligent buildings,CAN field bus,805lmeu,communication protocol III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 .1 1.1 背景及意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 主要研究内容 .3 第 2 章 CAN 总线技术综述 .4 2.1 CAN 总线简述 .4 2.2 几种 常用 的现场总线技术 .5 2.3 现场总线的技术特点与优点 .7 2.4 CAN 协议的物理层 .9 2.4.1 媒体相关接口 (MDI) .9 2.4.2 物理媒体附属装置 (P
8、MA) .9 2.4.3 物理信令 (PLS) .9 2.5 CAN 总线数据链路层 .10 2.5.1 逻辑链路控制 (LLC)和媒体访问控制 (MAC).10 2.5.2 CAN 的帧格式 . 11 2.6 CAN 的通信过程 .13 2.7 本章小结 .15 第 3 章 基于 CAN 的楼宇自动化系统总 体设计 .16 3.1 基于 CAN 的楼宇自动化网络拓扑 .16 3.2 CAN 的网络通信协议 .17 3.2.1 帧格式 .17 3.2.2 总线的通信方式 : .18 3.3 本章小结 .19 第 4 章 测控终端的设计 .20 4.1 单片机 AT89C52 .20 4.2 A
9、/D 转换器 ADC0809 .20 4.2.1 接口方法 及工作方式 .23 4.2.2 在系统中的应用 .23 4.3 RAM/IO 扩展芯片 8155 .24 4.3.1 引脚功能说明 .25 4.3.2 地址编码及工作 方式 .25 4.3.3 8155 的定时 /计数器 .27 IV 4.3.4 在系统中的应用 .28 4.4 测控终端的组成 .28 4.5 微控制器 80C52 .29 4.6 基于 SJA1000 的 CAN 通讯接口电路 .30 4.6.1 硬件设计 .30 4.6.2 接口软件设计 .31 4.7 输入与输出通道的设计 .31 4.7.1 模拟量输入模块式设计
10、 .31 4.7.2 模拟量输出模块设计 : .32 4.7.3 模拟通道的隔离 .33 4.7.4 开关量输入模块 .34 4.7.5 开关量输出模块 .34 4.8 测控终端的软件设计 .34 4.9 软件设计系统流程 .34 4.10 本章小结 .35 结 论 .36 致 谢 .37 参考文献 .38 附 录 .40 附录 A：总原理图 .40 附 录 B：元器件清单表 .41 附录 C： 系统总程序 .42 1 第 1章 绪论 1.1 背景及意义 目前日益流行的智能建筑 (Intelligent Buildings)是建筑技术与计算机信息技术相结合的产物，是信息社会的需要，也是未来建筑
11、发展的方向。智能建筑主要由楼宇自动化系统 (Building Automation system，缩写为 BAS)、通信自动化系统 (CAS)和办公自动化系统 (OAS)三大系统组成。其中，楼宇自动化系统是智能建筑中最基本和最重要的组成部分。楼宇自动化系统是利用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术构建的高度自动化的综合管理和控制系统，将大楼内部各种设备连接到一个控制网络上，通过网络对其进行综合的控制，这些设备包括空调、照明设备、电梯、消防设备、安防设备等等。它确保建筑物内的舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能的要求 3。 计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合
12、式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散 控制系统 (DCS)后，随着微处理器技术和集成电路技术的飞速发展，到了现在的现场总线控制系统。现场总线也被称为自动化领域的计算机网络，是当今自动化领域技术发展的热点之一，它标志着控制技术进入了一个新的时代。 随着我国现代化建设的飞速发展，经济实力的增长，我国建筑智能化的需求不断增长，一座座高水平、高要求的智能楼宇应运而生。对楼宇的智能化技术提出了新的要求。目前智能建筑中建筑设备自动化系统包容的设备和子系统既多又复杂。由于不同厂商提供的不同的产品和系统，其通讯协议不同，造成通讯速率、编码格式、同步方式、通讯规程 各不相同，因而使这些产品实现互操作和
13、系统的互连很困难。如果系统中各种设备及子系统不进行互连而独立运作，则不能进行一体化协调运作，导致管理效率抵、维修困难、扩展维护费用高。 近 30 年来，世界上根据楼宇的智能化需求，相继开发出一批楼宇控制系统，如美国霍尼维尔公司的 Exce15O00 控制系统、西门子的 5600 控制系统、江森公司的 DXg100 控制系统等。长期控制着我国和世界的楼宇控制市场。获得了丰厚的利润。 这些控制系统使有其独立的、封闭的控制协议，使得其它任何控制设备均无法与其兼容，严重的影响了行业的发展。 智能建筑的业主和管理者迫切需要降低投入和提高效率。他们要求智2 能建筑的 各子系统集成在一起，为实现系统和设备集
14、成和互操作，必须有一种有效的方法实现系统和设备之间的通讯。因此就需要系统具有真正的开放性。所谓开放系统即建筑设备自动化系统的所有部件均以公认的工业标准技术制造。系统符合公认的工业结构，因而不同厂商的产品，可以组合从而实现互操作。它具有两个要求 4： (1)系统的技术标准和规范所有厂商必须共同遵守 ； (2)同样功能的部件虽由不同厂家生产，但可以互相替换，可以互操作 。 开发具有我国独立知识产权、国有品牌的 控制系统不仅非常必要而且是可能的。基于总线技术的智能楼宇控制系统就是根据智能建筑市场的要求以及先进的总线技术的支持，而产生的一种极具生命力的控制系统。 1.2 国内外研究现状 为了加速楼宇智
15、能化技术的发展，加强各楼宇智能化控制系统厂商的合作。世界各国一直在致力于研究一种平台，这平台能够使世界各国楼宇智能化控制系统厂商产品得到最佳兼容。目前基本采用二种方式。一种是编写一种专用的协议，用来规范楼宇能量管理与控制系统。另一种则采用现有的、国际上通用的网络协议来规范楼宇能量管理与控制系统。后一种则是本文要介绍的基于总线技术 的智能楼宇控制系统 5。 现场总线技术进入我国已经有好几年了，在前面了解学习和宣传的基础上，已进入了开发和应用阶段。由于我国市场潜力巨大且正处于经济快速发展的阶段，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议
16、的争论，而争论的焦点则是哪种现场总线更好。 国内现场总线的发展趋势是 :(l)多种现场总线在国内展开激烈竞争，重点是在应用工程 ； (2)国内自己开发的现场总线产品开始投入市场 ;(3)国内各行业对现场总线的工程应用迅速发展。 从 “ 九五 ” 起，我国政府 开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对 HARI，、 FF 等现场总线展开研究和开发。到现在已经取得了阶段性成果， HARI，仪表己经开始批量试用，FF 仪表也在投入试用。此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。但是总的来说还不能满足广大用户的要求 6。 国内企业要推广现场总线产品，目前的主要困难是 :(
17、l)产品尚不成熟 ；(2)扩充和配齐品种规格所需的开发力量 (资金和人才 )不足 ； (3)市场开发的投入不足。外国企业如果能在我国开发市场和推广应用，那么，现场总线的市场打开后，国内企业销售 产品则会轻松得多。 现在要使用现场总线，客观地说，绝大部分使用的是国外的产品。要3 推动我国现场总线的发展，则应借助外国公司的力量，大力推动现场总线的应用。如果停留在关于总线的争论上反而使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线，这样则会阻碍现场总线在我国的发展。 1.3 主要研究内容 本 文首先 介绍了控制系统的发展，分析了各种控制系统的特点，提出了现场总线技术在控制领域的应用前景，特别是 CAN 总线的
18、先进性。 接着分析了 基于 CAN 总线的楼宇控制系统 的组成，开发设计了 模拟、开关量前端模块，和上位管理机 模块。 前端模块是一个小的智能 单元，核心部分是 8051 单片机，通信部分采用 SJA1000CAN 协议芯片，完成信号的采集和控制工作。上位机由 PC 机加入 PCI 插卡，插卡由 PCI 接口芯片 CH365完成 PCI 总线和 SJA10OO 通信，结构简单，通信可靠。 CAN 总线提供了标准网络协议的数据链路层，没有相应的高层通信协议，为此设计了简单的通信协议，完成设备的识别，数据的可靠传输，网络的控制。由于网络是一个多主的网络，可以方便的实现单主机的查询工作方式，和设备之
19、间的点对点通信。 4 第 2章 CAN 总线技术综述 2.1 CAN总线简述 现场总线是 20 世纪 80 年代中期 在国际上发展起来的。所谓现场总线，就是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、控制、交通、楼宇等方面都具有广泛的应用前景 7。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线的传输界质，把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络与
20、控制系统。现场总线使自控系统 与设备具有了数字通信的能力，把它们连接成网络系统，向我们展示了一种全新的系统集成理念。 上个世纪七八十年代，伴随着计算机可靠性提高，价格大幅下降，出现了由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的分布式控制系统(Distributed Control System，简称 DCS)。 DCS 是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种综合控制系统。它的测量变送仪表一般是模拟仪表，因此它属于一种模拟数字混合控制系统，这种系统较以前的各种控制系统有了较大的进步。 DCS 在工业自动化控制领域获得了广泛的 应用，也开始应用到楼宇自动化控制领域 8。但是
21、 DCS 存在如下一些缺点： (1)安装费用高。采用一台仪表、一对传输线的接线方式，导致接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难； (2)可靠性差。模拟信号传输精度低，而且抗干扰性差； (3)系统封闭。各厂家的产品自成系统，系统封闭、不开放，难以实现产品的互换与互操作以及组成更大范围的网络系统。 上个世纪 90 年代以来，随着控制技术、计算机技术、通信技术的发展，出现了基于现场总线的控制系统 (FCS)， FCS 克服了 DCS 的缺点，它是一种全数字化的、全分散的、全开放、 可互操作和开放式互连的新一代控制系统。目前，现场总线技术已经成为自动化技术中的一个热点，备受国内外自动化设备制造商与
22、用户的关注。 FCS 极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。与传统的 DCS(分布式控制系统 )相比， FCS 具有可靠性高、可维护性好、5 成本低、实时性好、实现了控制管理一体化的结构体系等优点。现场总线的出现，为工业自动化带来了一场深层次的革命，从而开创了工业自动控制的新纪元，被誉为自动化领域的计算机局域网 9。鉴于 FCS 的许多优点，控制专家们纷纷 预言 “ FCS 将取代 DCS 成为 2l 世纪控制系统的主流。 ”现在， FCS 已经被应用到楼宇自动化控制领域。 2.2 几种 常用 的现场总线技术 (1)基金会现场总 线 基金
23、会现场总线 10(FF， Foundation Fieldbus)是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国 FIShe、 Rosemount公司为首，联合 Foxboro、横河、 ABB、西门子等 80 家公司制订的 ISP 协议和以 Honeywell 公司为首，联合欧洲等地的 150 家公司制订的 W6rldFIP协议。屈于用户的压力，这两在集团于 1994 年 9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 FF 的体系结构参照 150/051 模型的第 1、 2、 7 层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。 FF
24、 现场总线最初包括低速总线Hl(速率为 31.25kbPs)和高速总线 HZ(速率为 1Mbps 和 2.0Mbps)两部分。但随着多媒体技术的发展和工业自动化水平的提高，控制网络的实时信息传输量越来越大， HZ 的设计能力已不能满足实时信息传输的带宽要求。因此，现场总线基金会放弃了原有 HZ 总线计划，取而代之的是将现场总线技术与成熟的高速 商用以太网技术相结合的新型高速现场总线一基金会HSE(High Speed Ethernet)现场总线，并于 2000 年 3 月发布了 HSE 的最终规范 (HSE1.0 版 )。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。 (2)Lonworks Lo
25、nworks11是由美国 Echefon 公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 150/051 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从 3O0bPs 至 l.0Mbps 不等，直接 通信距离可在2700m(78Kbps，双绞线 );支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。 Lonworks 技术核心是具备通信和控制功能的 Neuron 神经元芯片，它能完整地实现 Lonworks 的 LonTalk 通信协议。集成芯片中有 3 个 8位 CPU，一个用于完成开放互连模型中的第 1 和第 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理 ;第二个用于完成 3 一 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件 计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等 ;第三个是
