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

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 CAN總線 單片機 控制系統(tǒng)

中央空調(diào)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(shù)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(xiàn)代智能建筑樓層較多,多個空調(diào)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(xiàn)場總線技術(shù)是目前解決工業(yè)控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信問題的最佳方案?，F(xiàn)場總線技術(shù)是在二十世紀80年代后期發(fā)展起來的一種先進的現(xiàn)場工業(yè)控制技術(shù)。它集數(shù)字通信、智能儀表、微機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)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(shù)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(shù)保證。

現(xiàn)場總線的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)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(xiàn)場總線之一,它采用ISO/OSI七層框架中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN總線標準采用多主方式,網(wǎng)絡上任何節(jié)點均可主動向其它節(jié)點發(fā)送信息,網(wǎng)絡工點可按系統(tǒng)實時性要求分成不同的優(yōu)先級。數(shù)據(jù)鏈路層采用短幀結(jié)構(gòu),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(zhì)采用雙絞線和光纖,傳輸速率可達1Mbps,節(jié)點數(shù)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(shù)據(jù)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(diào)控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成

中央空調(diào)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(chǎn)的AT89C51單片機作為微處理器,負責本單元內(nèi)空調(diào)風機機組的現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)以及通過CAN總線向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機通過插在PC總線擴展槽內(nèi)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),根據(jù)操作者的指令或系統(tǒng)軟件預選設(shè)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(diào)風機機組進行實時控制。若脫離上位機,單元控制器將根據(jù)軟件設(shè)定的控制參數(shù)直接對空調(diào)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(shù)進行現(xiàn)場修改。

2 硬件設(shè)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(shù)據(jù)交換和通信處理。82C200是PHILIPS公司的產(chǎn)品,可完成物理層和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線和控制線,并且具有兩套相互獨立的中斷邏輯來實現(xiàn)兩個CPU之間的握手控制信號。通過軟硬件設(shè)置將雙口RAM映射成PC機的物理存,使收發(fā)數(shù)據(jù)相當于直接向內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù),從而提高了數(shù)據(jù)交換速率,并保證兩個CPU同時對同一內(nèi)存單元進行讀寫操作時數(shù)據(jù)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(jīng)ISA總線發(fā)送至智能CAN總線通信適配卡,經(jīng)驅(qū)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(shù)據(jù),并以CAN總線協(xié)議標準,經(jīng)輸出驅(qū)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(shù)據(jù)交換。上位機接收數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),以中斷方式通知CPU89C51。CPU收到中斷信號后,將SJA1000 接收到的數(shù)據(jù)存入RAM中,并根據(jù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集程序,控制I/O接口電路對各個檢測點的數(shù)據(jù)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(shù)字量輸入、8路數(shù)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(shù),提高了單元控制器的抗干擾能力。

數(shù)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(shù)量等系統(tǒng)狀態(tài)信息。小鍵盤用于修改設(shè)置參數(shù)、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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在各自位置旁動態(tài)顯示,操作者經(jīng)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(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、I/O接口控制、數(shù)字顯示控制等功能。根據(jù)各個季節(jié)對室內(nèi)溫、濕度的不同要求,軟件中預選設(shè)置了不同季節(jié)的控制參數(shù),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(diào)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(xiàn)高精度的濕度、濕度控制,具有廣闊的推廣應用前景。