摘要：介紹了基于CAN總線的中央空調控制系統(tǒng),并對系統(tǒng)的總體設計方案及軟、硬件設計進行了分析及討論。該系統(tǒng)能實現高精度溫度、濕度的自動控制。

關鍵詞：現場總線 CAN總線 單片機 控制系統(tǒng)

中央空調控制系統(tǒng)是智能建筑中不可缺少的組成部分。傳統(tǒng)的控制方法是采用DDC(直接數字控制器)方式,將各個溫度、濕度檢測點和控制點連接到一臺或多臺 DDC上,實行多點實時監(jiān)控。由于現代智能建筑樓層較多,多個空調風機位于不同樓層,溫、濕度檢測點分布于各個房間,采用DDC方式進行控制具有引線過長、施工不便、系統(tǒng)通信的實時性和可靠性不高等缺點。

在各種通信方式中,

面向工業(yè)控制的現場總線技術是目前解決工業(yè)控制現場數據通信問題的最佳方案?，F場總線技術是在二十世紀80年代后期發(fā)展起來的一種先進的現場工業(yè)控制技術。它集數字通信、智能儀表、微機技術、網絡技術于一身,從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數字-模擬信號控制的局限性,為真正的“分散式控制, 集中式管理”提供了技術保證。

現場總線的通信協(xié)議結構是根據國際標準化組織提供的開放系統(tǒng)互連模型(ISO/OSI)來制定的。本系統(tǒng)所采用的CAN總線是最早在我國得到應用的現場總線之一,它采用ISO/OSI七層框架中的物理層和數據鏈路層。CAN總線標準采用多主方式,網絡上任何節(jié)點均可主動向其它節(jié)點發(fā)送信息,網絡工點可按系統(tǒng)實時性要求分成不同的優(yōu)先級。數據鏈路層采用短幀結構,每一幀為8個字節(jié),易于糾錯。發(fā)送期間丟失仲裁或出錯的幀可自動重新發(fā)送,故障節(jié)點可自動脫離總線。CAN總線標準支持全雙工通信,傳輸介質采用雙絞線和光纖,傳輸速率可達1Mbps,節(jié)點數可達110個。其最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對通信數據塊進行編碼。其容錯能力和抗干擾能力強,傳輸安全性高。

1 中央空調控制系統(tǒng)的整體構成

中央空調控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。圖中,上位機采用IBM-PC兼容機,負責系統(tǒng)控制的接收與管理、控制命令的發(fā)送、系統(tǒng)工作過程的實時顯示等。各單元控制器作為下位機,采用ATMEL公司生產的AT89C51單片機作為微處理器,負責本單元內空調風機機組的現場數據檢測以及工作狀態(tài)的控制等。單元控制器仙的CAN總線控制器SJA1000負責接收來自CAN總線的數據以及通過CAN總線向上位機發(fā)送數據。上位機通過插在PC總線擴展槽內的智能CAN總線通信適配卡連接CAN總線,并通過CAN總線與各單元控制器相連接。單元控制器也可以脫離上位機,直接進行現場手動控制。

系統(tǒng)的工作原理為：各單元控制器對單元的各檢測點進行巡回檢測,將檢測數據按照CAN總線協(xié)議標準發(fā)送給上位機;上位機通過智能CAN總線通信適配卡接收各單元控制器上傳的數據,根據操作者的指令或系統(tǒng)軟件預選設定控制程序向各單元控制器發(fā)送控制命令,由單元控制器對各空調風機機組進行實時控制。若脫離上位機,單元控制器將根據軟件設定的控制參數直接對空調風機機組進行自動控制。操作者可通過單元控制器上的小鍵盤對控制參數進行現場修改。

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括智能CAN總線通信適配卡和單元控制器。圖2為智能CAN總線通信適配卡的原理框圖。它提供了上位微機和CAN總線的接口,采用高性能的嵌入式微處理器80C188、CAN總線控制器82C200和CA線收發(fā)器82C250負責數據交換和通信處理。82C200是PHILIPS公司的產品,可完成物理層和數據鏈路層的所有功能。電子控制單元(ECU)的應用層由微處理器提供,82C200為其提供一個多用途的接口。雙口RAM IDT7230作為PC機與CAN總線控制器的數據共享區(qū),可提供兩種相互獨立的端口,每個端口均有各自的地址線、數據線和控制線,并且具有兩套相互獨立的中斷邏輯來實現兩個CPU之間的握手控制信號。通過軟硬件設置將雙口RAM映射成PC機的物理存,使收發(fā)數據相當于直接向內存讀寫數據,從而提高了數據交換速率,并保證兩個CPU同時對同一內存單元進行讀寫操作時數據的正確性。

此外,智能CAN總線通信適配卡還具有中斷選擇、主存基地址選擇、LED指示系統(tǒng)狀態(tài)及CAN收發(fā)狀態(tài)等功能。

系統(tǒng)工作時,上位機將控制命令經ISA總線發(fā)送至智能CAN總線通信適配卡,經驅動電路寫入雙口RAM,然后發(fā)出中斷信號。CAN通信控制器82C200收到中斷信號后,從雙口RAM中取出數據,并以CAN總線協(xié)議標準,經輸出驅動電路、光電隔離電路以及CAN總線收發(fā)器82C250發(fā)送至CAN總線,完成從上位機到單元控制器的數據交換。上位機接收數據的過程與發(fā)送命令的過程相似,但方向相反。

圖 3為單元控制器電路的原理框圖。圖中,微處理器彩 ATMEL公司生產的AT89C51單片機,CAN總線控制器選用SJA1000,CAN總線收發(fā)器仍選用82C250,控制CAN總線的數據交換。工作時,CAN總線控制器SJA1000從CAN總線接收上位機發(fā)出的命令和數據,以中斷方式通知CPU89C51。CPU收到中斷信號后,將SJA1000 接收到的數據存入RAM中,并根據數據對I/O接口電路發(fā)出相應的命令,控制風機機組、加濕器等執(zhí)行部件進行相應的操作。

若上位機需要各單元狀態(tài)信息,則CPU啟動數據采集程序,控制I/O接口電路對各個檢測點的數據進行巡回檢測,并由CAN總線控制器發(fā)至CAN總線,由上位機接收。I/O接口電路可提供8路數字量輸入、8路數字量輸出、16路模擬量輸入及4路模擬量輸出接口,用于連接單元各個檢測點和控制點。

硬件看門狗電路X25045用于系統(tǒng)監(jiān)控,防止程序跑飛,并提供512字節(jié)EEPROM來保護重要的系統(tǒng)控制參數,提高了單元控制器的抗干擾能力。

數字顯示器可以顯示風機的互回風濕度、送風溫度、回風濕度、變頻器頻率、風門開度、水閥開度、報警信號的類型及數量等系統(tǒng)狀態(tài)信息。小鍵盤用于修改設置參數、改變顯示類型,從而使單元控制器在脫離上位機的情況下仍然可以完成控制功能。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件由上位機管理軟件和單元控制器控制軟件組成。上位機管理軟件是在Windows98操作平臺上,利用Visual Basic6.0開發(fā)的,包括系統(tǒng)監(jiān)控、通信管理、數據處理、控制命令、動態(tài)顯示等模塊,具有界面友好、顯示直觀、操作方便等優(yōu)點。系統(tǒng)運行時,各檢測點和控制點的位置以圖形方式形象地顯示在上位機顯示器,檢測和控制數據在各自位置旁動態(tài)顯示,操作者經簡單培訓即可對整個系統(tǒng)進行控制。單元控制器控制軟件采用8051匯編語言編程,固化圩89C51的EEPROM中,主要完成數據采集、數據通信、I/O接口控制、數字顯示控制等功能。根據各個季節(jié)對室內溫、濕度的不同要求,軟件中預選設置了不同季節(jié)的控制參數,并可通過小鍵盤隨時進行修改。實際運行時,濕度控制精度達到±0.5℃,濕度控制精度達到±2%RH。

在中央空調控制系統(tǒng)上、下位機之間采用CAN總線進行通信,可大大提高系統(tǒng)工作的可靠性、實時性及擴展性,實現高精度的濕度、濕度控制,具有廣闊的推廣應用前景。