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东北大学硕士学位论文摘要 n h b 总线技术的研究 摘要 智能小区技术是当前热门的话题，而智能小区的控制网络是实现智能小区楼字自动 化系统的基础。因此本文主要研究了对智能小区控制网络非常重要的n h b 总线技术， 针对n h b 总线存在的潜在缺陷，提出了改进措施，并根据小区的实际要求，搭建了硬 件平台，在此平台上，编写了改进后的底层网络通信协议。 本文所阐述的n h b 总线系统分为以下几部分：上位机为p c 机，通过r s - 2 3 2 接口 总线或者通过u s b 接口与系统的智能总线控制器相连；智能总线控制器通过i 级c a n 总线收发器与多个节点相连，每个节点配备一个接口模块，接口模块的作用主要是进行 电平转换和数据处理。本课题在硬件方面主要完成了智能总线控制器和接口模块的设计 及调试。 良好的通信协议和软件设计是实现网络通信系统高效、可靠通信的保证。本通信协 议分为物理层、数据链路层和应用层三层设计。考虑到控制网络中安防信息的紧急性， 提出了一种自适应带优先级的c s m a ，c d 协议作为网络介质访问的控制方法。软件设计 主要是对通信协议的实现，文中给出了通信节点的主程序和子程序的流程图。 本文就通信节点的通信性能作了测试和分析，实验结果表明本文中所阐述的通信 系统是可行的。 关键词：智能建筑；通信协议；n h b 总线：c s m 刖c d ；c a n 总线 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e a r c ho nn h bb u s a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb u i l d i n gt e c h n o l o g yi st h ep o pt o p i ct o d a y ，a n d c o n t r o ln e t w o r ko fi n t e l l i g e n t b u i l d i n gi st h eb a s i so fa u t o m a t i o ns y s t e mi ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ot h et h e s i ss t u d i e sn h b b u st e c h n o l o g y , w h i c hi s v e r yi m p o r t a n tt o c o n t r o ln e t w o r ko fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g c o n s i d e r i n gl i m i t a t i o no f n h b b u s ，ip u tf o r w a r dt oi m p r o v i n gm e a s u r e ，a n dip u tu pt h e f l a ti nw h i c hi c o m p i l ec o m m u n i c a t i n gp r o t o c o lo fb o t t o mn e t w o r ki nn e ws y s t e m o f h a r d w a r e n h bb u ss y s t e mi nt h et h e s i si ss e p a r a t ei n t os e v e r a lp a r t s ：t h em a s t e ri sp c ，w h i c hi s c o n n e c t e dw i t hi n t e l l i g e n tb u sc o n t r o l l e rb yr s - 2 3 2b u so ru s bi n t e r f a c e ；i n t e l l i g e n tb u s c o n t r o l l e ri sc o m m u n i c a t e dw i t hs e v e r a ln o d e st h r o u g hc a nb u st r a n s c e i v e r ， e v e r yn o d ei s c o n n e c t e dv 6 t hac o n j o i n tm o d u l ew h o s em a i nf u n c t i o n 眦v o t t a g ec o b v e r s i o na n dd a t a d i s p o s i n g i nt h et h e s i s ，is u c c e e di nd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n g t ot h ei n t e l l i g e n tb u sc o n t r o l l e r a n dc o n j o i n tm o d u l ei nt h eh a r d w a r e e x c e l l e n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n ds o r w a r ed e s i g ni sa l s oag n a r a n t e et oa ne f f e c t i v e a n dc r e d i b l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e di nt e r mo f t h r e e l a y e r s ：p h y s i c a ll a y e r , l o g i cl i n kc o n t r o ll a y e ra n da p p l i c a t i o n l a y e r c o n s i d e r i n gt h e e x i g e n c yo f t h es e c u r i t yi n f o r m a t i o ni nt h en e t w o r k ，t h ec s m a c dp r o t o c o lw i t l lp r i o r ya n d a d a p t a b i l i t yi sp r o p o s e d m e d i aa c c e s sc o n t r o lm e t h o d 1 1 1 em a i nt a s ko f t h es o f t w a r ed e s i g n i st or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h ef l o w so fs u b p r o g r a ma n dt h em a i np r o g r a m o f t h ec o m m u n i c a t i o nn o d e sr r eg i v e ni nt h ep a p e r n et h e s i si st e s t i n ga n dr e s e a r c h i n gp e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i n gn o d e s ，t h er e s u l t i n d i c a t et h a tt h es y s t e mw h i c hi ss p e c i f i e di nt h et h e s i si sc r e d i b l e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ；c o m m u n i c a t i n gp r o t o c o l ；n h bb u s ；c s m a c dp r o t o c o l ； c a nb u st r a n s c e i v e r i 一 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：西佥霞 签字日期：p 彳- 3 阳 一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 随着我国国民经济的发展和国家住房制度的改革，人们对住房环境的舒适性、便利 性、安全性有了较高要求，加之电子信息产业正快速发展并向人们生活的各个领域渗透， 同时，国家也明确提出了发展小康住宅建设的追切性及高层次的要求，使得智能住宅愈 来愈具有更为广泛的技术支持与需求基础，尤其对房地产开发商形成更强烈的刺激，不 同档次的公寓、生活小区纷纷提出了自己不同豹智能需求i l 】。智能小区将在一定地域范 围内对多个具有相同或不同功能的建筑物( 主要是指住宅小区) ，按照统筹的方法分别 对其功能进行智能化，资源充分共享，统一管理，在提供安全、舒适、方便、节能、可 持续发展的生活环境的同时，便于统一管理和控制，并尽可能的提高性价比指标。住宅 小区与综合性智能建筑有着很大的区别，如何根据小区的特点，赋予小区各种功能以适 应不同层次的居民的需求，对小区实现统一、有序、智能化、网络化管理，这是智能建 筑行业急需解决的问题。首先来看一下智能小区所要完成的功能，如下图1 1 所示： 图1 1 智能小区实现的主要功能 f i 9 1 1t h em a i nf u n c t i o n so f i n t e l l e c t i v eb u i l d i n g 智能小区系统包括小区信息的采集、传送、交换、处理、控制等多个方面，是实现 住宅小区智能化、信息化的全面解决方案。它包括家庭信息服务、住宅自动化、小区公 共服务、物业管理4 个子系统。那么如何很好的实现以上的功能，并且协调好他们之间 的关系，成为智能小区的自动化水平的重要标志。对智能化小区来说，其通讯网络架构 一】一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 及其实现是智能化住宅小区建设的重要组成部分之一。它可以把小区的智能化控制系统 和i n t c r n e t 服务有机的联系起来；把小区的公共服务系统联系起来；把小区与外界以适当 的接入方式联系起来。智能化住宅小区通讯网络由小区主干网和小区底层网络组成。选 择适合智能建筑网络需求特点的主流网络技术，不但能保证网络的高性能，还能保证网 络的先进性和扩展性( 包括设备端口、网络结构和网络协议的扩展) ：同时选择智能小 区网络构建，必须适应当前经济发展水平，按“普及目标”要求来选择性能价格比优的 方案，转化为老百姓用的起的产品，才能形成较好的产业规模；另外，网络系统还应具 有良好的安全性，由于智能小区网络连接园区内部所有用户，安全管理十分重要 2 1 。 根据以上的先进性、性价比、安全性和住宅小区智能化程度等方面的考虑，小区的 网络结构和布线系统也有所不同，目前小区智能化系统普遍采用分布式总线型拓扑结 构。其总体结构如图1 2 所示： 图1 2 智能小区通讯网络总体结构 f i 9 1 2t h ei n t e g e rs 劬c t u r eo f i n t e l l e e t i v eb u i l d i n g 一般智能化小区的网络结构分三层：i u t e m e t 的接入网、智能化住宅小区主干局域 网和小区底层通讯网络【3j 。由于本课题主要针对小区底层通讯网络进行研究，所以简单 介绍其他2 种网络。智能社区接入的i n t e m e t 的方式主要有以下几种：局域网专线接入、 a d s l 接入、c a b l em o d e m 接入等，为了实现用户接入网的数字化、宽带化，提高上网 速度，光纤到户是用户网今后发展的必然方向。智能小区的骨干网络目前采用快速以太 网和于兆以太网的比较多，原因是这两种网络的技术相对来说比较成熟。 1 2 课题提出的现状和发展概况 以上对本课题的背景进行了比较详细的阐述，下面就本课题要研究智能小区通讯网 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 络的现状进行重点介绍。 在西方发达国家，由于其住宅产业的特点，智能住宅和智能住宅网络为其主要研究 方向。8 0 年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现称之为住宅电子化 ( h e ，h o m ee l e c t r o n i c s ) 的概念；8 0 年代中期，将家用电器，通讯设备与安保防灾设 各各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化( h a ，h o m ea u t o m a t i o n ) 的概念； 8 0 年代末，由于通讯技术与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通讯、家电、安保设 备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，产生了住宅网络化( i - i n ，h o m e n e t w o r k ) 的概念。这在美国称之为智慧屋( w h ，w i s eh o u s e ) ，在欧洲称之为时髦屋 ( s h ，s m a r t h o m e ) 。与此同时，美国电子工业协会于1 9 8 8 年编制了第一个适用于家庭 住宅的电气设计标准，即家庭自动化系统与通讯标准，也有人称之为家庭总线系统 标准( i - i b ，h o m eb u ss y s t e m ) 。而日本建设省在推进智能建筑概念时，以住宅的总线 技术为契机，提出了家庭总线系统概念。邮政省与通产省也于1 9 8 6 年组织日本电子机械 工业协会与电子技术协会共同组建h b s 标准委员会，并在1 9 8 8 年9 月制定了h b s 标准。 1 9 8 9 年初又在通产省、邮政省和建设省三个部的支持下，成立了日本住宅信息化推进协 会，并提出对所有住宅的信息管理采用超级家庭总线技术( s _ m s ，s u p e r - - h o m eb u s s y s t e m ) 。 在我国，智能住宅和智能住宅小区虽然起步比较晚，但发展速度却很快。同时将智 能小区和小区智能化网络作为主要的研究方向。8 0 年代末以前，我国基本居住条件非常 困难，电力极为紧张，住宅根本谈不上智能化的问题。8 0 年代出所建成的住宅，其电气 设计内容仅局限于普通楼房的户内外照明，高层住宅增加高层供水的生活水泵控制系统 及消防泵控制系统。对于各用户电量的计量和收费，则采用由房管部门或住宅轮流抄表 收费的方式；生活用水的计量主要是按户或按人口数收费，对于弱电系统，也是从8 0 年 代开始才陆续设置电话配线和功用电视天线系统。随着时间的推移，到了8 0 年代末和9 0 年代初，我国家庭基本实现了电气化，住宅的弱电系统也有所增加，如对讲系统等等。 9 0 年代末，电脑、有线电视、机顶盒、移动通讯等数字化通讯产品开始走入了我国的许 多家庭，人们对住宅的功能、安全、舒适、方便等性能提出了新的要求。为适应新的住 宅需求，国家在2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能 化小康示范小区列入国家重点发展方向。 进几年来，我国出现了不少与智能小区相关的系统和产品。例如，1 9 9 8 年厦门市建 坤实业公司开发了w d j 6 住宅智能管理系统；1 9 9 9 年深圳市住宅局对总建筑面积为8 0 万 平方米的梅林一村，按照智能住宅和智能住宅小区的概念进行规划建设：到了2 0 0 1 年， 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 上海邮电二村、上实花苑万里小区等初步建成了住宅小区智能化网络。另外哈尔滨盛世 电子公司开发了多表抄录与家庭报警系统，北京保安电器厂也正式投产了c b b 三表户外 计量保护箱，上海邮电智能化系统集成公司开发了家用智能控制器，温州市江南电器有 限公司推出了耗能微机抄收系统，北京奇艺新技术公司推出电脑家庭自控系统，上海惠 源科技发展有限公司开发并大量投产家庭智能化系统等等。 以上所研究的是有关智能小区底层网络的设备和系统，从目前发展的现状看，这些 系统和产品的技术应用可归纳为以下三类。第一类，完全借鉴国外成熟的家庭总线技术， 开发家庭住宅智能化产品，如家庭智能控制器等。这类产品适合于单个用户使用，而对 于在住宅掀起智能化网络中的应用不合适。第二类，利用r s 一4 8 5 的总线技术，构建自己 独立的智能小区网络，这能初步满足智能小区的智能化要求。第三类，利用现场总线技 术构建智能小区网络，这一类能满足小区的要求，但是也存在自己的问题。下面介绍和 比较这几种方案的优缺点。第一类产品由于不适用于我们的系统，在这里就不具体的讨 论了。 1 2 1 现场总线 现场总线是应用在生产现场、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、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。现场总线技术是连接智 能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。控制系统的分 布式网络化是未来控制系统的发展趋势。控制网络有多种，例如：基金会总线网络( f f ) 、 l o n w o r k s 网络、p r o f i b u s 总线、h a r t 总线及c a n 网络等。先对这几种总线的基本性能简 单介绍一下： ( 1 ) c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线即控制器局域网络，是德国b o s c h 公司在8 0 年 代初研制成功的，最初主要是为汽车监测、控制系统而设计的 4 】。c a n 采用t i s 0 0 s i 模型全部七层中的两层，物理层和数据链路层。物理层又分为物理信令( p l sp h y s i c a l s i g n a l i n g ) 、物理媒体附件( p m ap h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 与媒体接口( m d im e d i u m d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 三部分，完成电气连接、实现驱动器接受器特性、定时、同步、位 编码解码。数据链路层分为逻辑链路控制( l l c ) 与媒体访问控制( m a c ) 两部分，分 别完成接收滤波、超载通知、恢复管理，以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问 管理、出错检测等。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传 输距离最近可达1 0 k m 5 k b p s 。可挂接设备数最多可达1 1 0 个。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时间短，受 干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系， 使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 ( 2 ) 基金会现场总线( f f ) 这种现场总线标准是由现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 组织开发的【“。基金 会现场总线的参考模型只具备i s o o s l 参考模型七层中的三层，即物理层、数据链路层 和应用层。不过它又在原有i s o o s i 参考模型第七层应用层之上增加了新的一层即用户 层。这样可以将通信模型视为四层。 基金会现场总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通 信距离可达1 9 0 0 米( 可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本质安全防暴环境。h 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 米和5 0 0 米。物理传输介质可 支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l1 5 8 2 标准。其物理媒质的传输信号采用曼 彻斯特编码。 ( 3 ) l o n w o r k s l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s - - 局部操作网络) 是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 2 年推出 的一种智能型分布式现场总线控制网络。l o n w o r k s 是e c h e l o n 公司为支持l o n 总线而开发 的一种现场总线技术，其通信协议称为l o n t a l k ，它是现场总线技术中唯一全部遵循 i s o o s i 网络参考模型的七层协议，是直接面向对象的协议。 l o n w o r k s 节点的核心是神经元芯片，它是种具有多处理器结构的超大规模集成电 路器件。该芯片的固件实现t l o n t a l k 协议和所有的任务调度协议，内含3 个微处理器 ( m a c 处理器、网络处理器与应用处理器) ，具有1 1 个可编程的i ，o 引脚，2 个1 6 位定时 器计数器，一个4 8 位字长的识别码n e u r o ni d 。以n e u r o n 芯片为c p u 的智能节点能完成 现场的计算处理工作，不需将信号完全传送给主机，直接完成现场控制过程，并利用多 种传输介质构成现场总线控制网络，相互之间用标准通信协议l o n t a l k 进行联系，极大的 简化了计算机控制网络的硬件结构。整个系统的节点多达几千、几万个，并且各节点是 互相独立的，任何一个节点发生故障不会影响整个网络，从而提高了系统的可靠性和可 维修性。 e c h e l o n 公司也为系统设计者和应用提供了完备的开发平台。目前，常用的开发工具 是l o n b 试l d e r 或n o d e b u 订d e r ，它们使用专门的编程语言_ n u e r o n c 。 ( 4 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 年i 欧洲标准p r e n 5 0 1 7 0 的现场总线。i s o o s i 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 模型是它的参考模型。由p r o f i b u sd p 、p r o f i b u sf m s 、p r o f i b u sp a 组成了p r o f i b u s 系列。 d p 型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用；f m s 型意为现场信息 规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化；而p a 型则是 用于过程自动化的总线类型，它遵从l e c l l 5 8 2 标准。 p r o f i b u s 采用了i s o o s i 模型的物理层、数据链路层和应用层( 1 、2 、7 ) ，p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离在9 6 k b p s 时为1 0 0 0 m ，1 2 m b p s 时为 4 0 0 m ，可用中继器延长至1 0 k m 。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂 接1 2 7 个站点。 ( 5 ) h a r t h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t ct r a n s d u c e r 的缩写。最早由r o s e m o u n t 公司 开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。这种被 称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，参照i s o 的o s i 模型的1 、2 、7 层( 物 理、数据链路和应用层) 。其特点是现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系 统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强 的市场竞争能力，得到了较好的发展。 队上所述的现场总线网络产品各有特色，但它们都存在一些不足： ( 1 ) 各种现场总线控制网络具有各自不同的网络协议及相应的软、硬件要求，彼 此互不兼容； ( 2 ) 各个网络协议具有不同的开发平台，系统开发和维护人员要耗费大量的时 间、精力来熟悉相应的开发平台工具； ( 3 )由于各种现场总线网络系统的构件不是常用的通用软、硬件，整个系统不仅 造价高，而且可维护性不好。因此，如何采用当前市场j 二通用的软硬件产品， 以广大开发者所熟悉的方式来构造自己低成本的分布式控制网络系统，对控 制系统的分布式嘲络化具有重要的现实意义。 1 ，2 2r s 4 8 5 总线 目前采用比较多的是基于r s _ 4 2 2 a 和基于r s 一4 8 5 总线通讯，尤其是基于r s 4 8 5 的总 线通讯。该总线网络技术成熟、结构简单、町靠性较高，抗干扰能力强。传输速度比r s 一2 3 2 总线通讯快的多。这也是本课题要研究的对象，是课题建立的基础。这类总线初步满足 了小区智能化的要求。其主要功能包括： ( 1 ) 实现了多至3 2 个驱动器和3 2 个接收器( 3 2 个单位负荷) 构成的真正多点总线， 现在驱动节点的能力已经扩充到1 2 8 和2 5 6 。 现在驱动节点的能力己经扩充到1 2 8 和2 5 6 。 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 扩展处于三态驱动器和接收器的共模范围，荠可关掉( - 7 v - + 1 2 v ) ( 3 ) 驱动器可经受总线争用和总线故障。 下面以住宅自动化系统这部分为例，从图中可以看到目前比较普遍采用的基于 r s 一4 8 5 总线的结构框 t 6 j 如下图1 3 所示： 图1 3 住宅监控系统框图 f i 9 1 3t h ef r a m eo f h o u s es u p e r v i s i n gs y s t e m 但是r s 一4 8 5 总线毕竟只存在一个简单的没有硬件支持的通讯协议的物理层，其通讯 协议完全仰赖软件的支持，这就增加了系统通讯软件的负荷：并且，在几乎没有可靠的 总线竞争仲裁与重发机制的情况下，数据的丢失率正比于总线数据的流通量。r s - 4 8 5 总 线一般以单主的工作方式设计，这就使得整个系统的通信效率很低。若令它工作在多主 方式，则其通讯的可靠性反比于通讯网络的负荷量。特别是系统节点工作在多种通讯模 式下时，通讯的失误率与重发率将随着网络负荷量的增长而成倍增长，最终可能导致整 个通讯网络的瘫痪。r s - 4 8 5 通讯器件较小的收发缓冲区也不利于由它构成的网络长期处 于连续或大量数据的收发状态，这在接收和发送数据量不平衡的情况下尤其明显。尽管 如此，由于其在长线传输的抗干扰能力以及传输速率的优势，r s 一4 8 5 总线在小系统网络 中还是有着广泛而成熟的应用。 综合考虑以上方案，r s 4 8 5 总线因为它的优越性能得到了广泛的应用，但是它也 有它自身的不可逾越的缺点，正是在这种情况下，提出了本课题n h b 总线技术的研 究。 1 3 课题提出的意义 本课题是n h b ( n e th o u s eb u s ) 总线技术的研究，n h b 总线主要用于智能小区的智 能化系统，它包括基于r s - 4 8 5 的网络房屋控制总线和基于计算机局域网的网络平台两部 一7 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 分，这两部分通过网关相连接。本课题研究的n h b 总线是基于r s 一4 8 5 的网络房屋控制总 线部分的通信协议。 本课题的提出具有一定的现实意义。一个大型的分布式控制系统是由多个子系统分 别组成的，在各个子系统中，迫切需要一种总线能适合远距离传输的数字通信。因为 r s 4 8 5 以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一 个发送器驱动多个负载设备以及传输线成本低的特性。所以传统的方法是采用r s - 4 8 5 总线来构成子系统，其控制结构如图1 4 所示。 图i 4 控制结构图 f i g1 4t h ef r a m eo f c o n l r o ls t r u c t u r e 目前r s 4 8 5 总线在多机通信中得到了广泛的应用，r s 4 8 5 是一种抗干扰能力强， 能有效延伸数据的传输距离，允许双导线上最多可驱动1 2 8 个负载，通信距离可达1 2 0 0 m ( 此时的传输速率是1 0 0 k b s ) 吲。但是r s 4 8 5 总线自身存在着很多的缺陷： ( 1 ) 速度慢；一般其速率为9 6 0 0 b a u d 、4 8 0 0 b a u d 、2 4 0 0 b a u d 一= 个级别。对应小区 宽带网络1 0 m 1 0 0 m 而言，相差至少1 0 0 倍以上，当楼层集中器向上发送大量( 可达几m b ) 信息时需要数十分钟。 ( 2 ) 实时性差：由于整个网络采用两级r s - 4 8 5 组成，r s 4 8 5 的通信方式为“一问 一答”的形式，由楼层集中器一个一个点名，家庭智能终端回答，有情况的家庭智能终 端只能等待到被点名为止，以每个每次最快查询0 0 2 s 为基础，6 4 个站至少需要1 2 s 才能 循环一次。如果要上报到管理中心需要再通过一级r s - 4 8 5 网络，等到发现警情，时问早 已过去。 ( 3 ) r s - 4 8 5 进行通信时，一般的程序设计是中断一次接收一个字节的数据，这样 传输1 0 0 个字节的数据就要中断分机1 0 0 次，不适用于大量数据的传输；另外，在系统 中，如果总线上的2 个设备同时发送数据，那么总线会产生冲突，目前r s - 4 8 5 总线也 解决不了这个问题。 正是在这种背景下提出了对本课题的研究，我们试图开发一个装置，它作为主机和 分机之间的接口设备，通过对这个装置进行软硬件设计，使它能够解决r s 4 8 5 总线在 实际应用中遇到的问题，同时这个接口设备又具有通用性，只要现场设备和我所开发的 装置具有相同的通信标准，他们之间就能够通信，这使得目前正在使用的基于r s - 4 8 5 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 总线的系统的效率得到了很大的提高。接口模块在整个系统中的位置如图1 5 所示： 图1 5 改进后的系统结构 f i g1 5t h es 圩u c h i r eo f i m p r o v e m e n t 这类产品适用于电视、空调、微波炉、d v d 、水电、气暖等用户使用的表类、火 警、盗警、煤气报警等安全监测类报警设各，实现设备的信息化和网络统一。 1 4 论文的主要研究工作 从我们查阅的各种相关资料上可以看出，目前用于智能小区的总线有很多种。而本 课题所要研究的总线系统，既不同于一般的现场总线，与r s 4 8 5 总线系统也有一定的区 别。和目前普遍采用的智能小区通信网络相比，本系统通信总线具有突出的实时性、可 靠性和灵活性。下面就本课题所要研究的内容进行详细的介绍： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 查阅文献资料，总结本文的研究背景。 研究原n h b 总线，找出它存在的缺陷，并提出新的方案，改进原来系统。 根据新的方案，设计硬件电路。 提出新的n h b 总线通信协议。 研究协议中主要的c s m a j c d 协议算法和c r c 校验算法。 系统通信实验，并对实验结果进行分析。 9 东北大学硕士学位论丈第二章n h b 网络通信系统的硬件实现 第二章n h b 网络通信系统的硬件实现 2 1n 邶网络通信系统的总体设计 2 1 1 网络通信系统的方案选择 由于本课题主要针对智能建筑的网络，所以首先要先了解一下智能建筑的总体网 络。智能建筑网络一般分为信息网络和控制网络。信息网络通常指在建筑物内办公和通 信等领域广泛采用的计算机局域网络及综合布线，可以采用成熟的网络技术( 快速以太 网、f d d i 、a t m 等) 进行构建。控制网络实际上是一个以中央计算机为核心与多种多 样楼宇设备控制予系统( 如供电、空调、照明、电梯、消防、报警等等) 的综合体系， 通过网络的底层信息的传输，组成分散控制与集中监视和管理的功能模式，系统可随需 要增减扩充，各子系统之间也可信息相互连动，实现最优化控制管理，提高安全性与舒 适性，节省能源和降低费用。控制网络是在计算技术、数模转换技术和传感技术基础上 的系统集成，已经发展成为过程控制与信息管理紧密结合的控管一体化的新一代系统。 在本课题中主要对控制网络进行研究，控制网络是实现智能建筑底层设备和信息自 动化和智能化的基础。实际上，控制网络的选择关键是控制网络通信系统传输方案的选 择。在选择控制网络通信系统传输方案时应遵循以下原则： ( 1 ) 可靠性原则 在控制网络中，传输的内容主要是控制指令和设备数据，这些信息是不允许出现传 输差错的。因此，控制网络各环节都要保证高可靠性，它包括满足环境要求的接口标准 选择、芯片性能可靠性保证和介质抗干扰性等。因此，要从控制网络总线标准、设备设 计、传输介质，乃至通信软件几方面综合考虑。 ( 2 ) 与通信速率和距离匹配原则 在控制网络中，不同的应用要求传输的速率和距离各不相同，而且差异很大。因此， 应从实际要求出发，选择能满足通信速率和距离要求的控制网络通信系统传输方案。 ( 3 ) 先进性、开放性和可持续发展性 在控制网络中，系统应尽量采用先进技术产品设备，只有采用先进技术产品和设备， 才能与技术发展潮流相吻合，才能保证系统与后继先进技术产品衔接，保证系统功能的 完善和可持续发展。 根据以上提出的控制网络通信系统传输方案应遵循的原则来选择比较实用的传输 方案。目前，控制网络通信系统传输方案很多，主要有两大类：与信息网结合或者构建 单独的控制网络。 一1 1 东北大学硕士学位论文第二章n h b 网络通信系统的硬件实现 与信息结合的传输方案是以计算机以太网为平台，这是一种非常时髦的技术方案， 应该说从技术层面讲没有问题，做出一个供展览演示目的的样板房也没有问题。但是这 一方案的最大问题是如果用它在社区实现真正的系统集成时，必须解决许多的网关问 题，必须面对网络终端大大超过极限的问题，必须面对网络安全问题，等等。大家都知 道，病毒和黑客的攻击都是主要针对微软的漏洞的。因此，国内外的一些机要部门有的 已经做出规定，在组建内部网络上做出限制。所以别管它被炒作的多么好，目前在全国 还没有一家大型园区采用以太网实现全面的智能化系统集成。 目前，比较实际的是采用控制总线建立社区控制管理平台的技术方案，即构建单独 的控制网络。n h b 家庭控制总线技术，它是集数字通信、智能仪表、微机技术、网络 技术于一身的专用于网络住宅控制的总线技术，从根本上突破了传统的”点对点”式的模 拟信号或数字模拟信号控制的局限性，为真正的“分散式控制、集中式管理”提供了 技术保证。n h b 总线是根据国际标准化组织提出的i s o o s i 模型制定的，是专为建立 小区智能化系统集成的控制管理平台而设计。 2 1 2n h b 网络通信系统的总体设计 首先来了解一下原来的系统结构。“数字社区d c s 系统”主要包括：控制中心管理 计算机、n h b 总线控制设备及大量用于园区安全防范、家居安防、智能化服务、智能 化管理等现场控制智能设备。n h b 总线控制设备主要有总线控制器、基站以及与以太 网连接的网关设备。n h b 总线控制器通过网关与以太网连接，同服务器交换信息，每 台总线控制器最多可挂接2 5 4 台基站和用户设备。基站是总线的扩展设备，每台基站最 多可挂接2 5 4 台用户设备。 从总线控制器到所连接的用户设备或基站的通讯距离为1 2 0 0 米，每台基站与挂接 到它下面的用户设备的通讯距离也为1 2 0 0 米，总线可以像人的神经网络一样延伸到园 区的各个角落，任何满足n h b 总线协议要求的用户设备只要挂接在总线的任一点上， 就可以与以太网上的服务器和任一台工作站交换信息，完成数据采集、控制等功能。它 们一方面通过网关与现场总线上的用户设备交换数据，完成各种实时控制功能，另一方 面又通过系统数据库共享园区基本信息等数据，使物业管理信息一致性好，便于维护。 在原来的控制系统中，上位机和基站通信通过2 3 2 r s - 4 8 5 的协议转换器( 总线控制 器) ，基站和现场设备通信也采用r s 一4 8 5 总线。而在本系统的设计中，考虑到原来系统 所存在的弊端，所以本系统并没有采用r s 一4 8 5 总线，也并不遵循r s 4 8 5 总线协议，这样 就需要重新设计上位机和基站，基站和现场设备之间通信所依赖的硬件平台。本课题在 硬件方面设计了和上位机进行通讯的智能总线控制器，另外还设计了和现场设备进行接 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章n h b 网络通信系统的硬件实现 口的接口模块。现在整个系统的结构框图2 1 如下所示 图2 1 通信系统总体框图 f i g2 1t h ef r a m eo f c o m m u n i c a t i n gs y s t e m 2 2 智能总线控制器的设计 2 2 1 设计的总体方案 在本系统中，智能总线控制器采用的是双c p u 结构，具有两个串行口，一个串行 口通过r s 一2 3 2 或者u s b 接口与上位机通信，另一个串行口通过c a n 总线收发器 8 2 c 2 5 0 与多个接口模块通信，两c p u 之间进行并行通信。由于c p u 的串行口采用的 是t t l 电平，因此智能总线控制器中c p u l 与r s 2 3 2 的连接需要进行电平转换，而 从c p u 2 到8 2 c 2 5 0 同样需要进行电平转换，r s 2 3 2 和8 2 c 2 5 0 的电平标准在下面的 章节中我们会详细的介绍。 另外，设计电路时，考虑到总线控制器既要接收下位机来的数据，同时也接收上 位机发送的数据，而且下位机的节点数目比较多，造成给总线控制器发送过来的数据 量有可能很大。当总线控制器正在处理从下位机接收来的数据时，如果此时上位机也 有数据发送给总线控制器需要处理，此时，总线控制器不能正确处理上位机和下位机 的数据，造成总线控制器接收出错，因此本系统设计的智能总线控制器采用双c p u 结 构。采用双c p u 的好处就是每个c p u 可以作为独立的处理器，其中一个用来处理上 位机数据，另外一个处理下位机数据，这样在系统忙时，就不会出现错误。 同时为了以后的二次开发，节点会增加，数据流量也会增加的特点，本系统采用 了大容量的数据存储器。 智能总线控制器的硬件结构框图如图2 2 所示： 一13 东北大学硕士学位论丈第二章n h b 网络通信系统的硬件实现 图2 2 智能总线控制器的硬件结构框图 f i g2 2h a r ds t r u c t u r eo f a p t i t u d eb u s c o n t r o l l e r 2 2 2 主要芯片介绍及电路设计 2 2 2 1 微处理器8 9 s 5 2 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗，高性能的c m o s8 - b i t 的微处理器，内带8 k 的程序存储器。 本款芯片的设计采用a t m e l 公司的高密度非易失性存储器技术，并且和工业标准的 8 0 c 5 1 的指令和引角完全兼容。并且允许程序存储器被编程者反复的写入和擦除。 a t 8 9 s 5 2 具有以下的基本性能： m c s 一5 1 系列产品兼容 8 k 字节的程序存储器 可擦写1 0 0 0 次 4 o v 一5 5 v 的工作电压 允许频率范围：0 h z 一3 3 m h z 3 级程序存储器锁存 2 5 6 * 8 b i t 的内部r a m 3 2 个可编程的“o 口线 3 个1 6 位的定时计数器 8 个中断源 全双工u a r t 串行通道 低功耗待机和省电模式 看门狗时钟功能 双数据指针 另外，a t 8 9 s 5 2 采用静态逻辑设计使得它的工作频率可以低至0 h z ，并且提供2 种可 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章n h b 网络通信系统的硬件实现 通过软件选择的省电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，但是r a m 、定时计数器、串 口和中断系统可以继续工作。省电模式下，保存r a m 的内容，晶振不工作，也冻结其他 的引脚功能，直到下一个中断到来或者硬件复位，再重新启动。 8 9 s 5 2 的内部结构图如图2 3 所示。 + 毪口- ? p 2 0 - 甩， 图2 3a t 8 9 s 5 2 的内部结构框图 f i g2 3i n t e r i o rs t r u c t u r eo f a t 8 9 s 5 2 2 2 2 2u s b 接口芯片c p 2 1 0 1 及其接口电路 c p 2 1 0 1 是一种高度集成的u s b 转u a r t 桥接器，提供一个使用最小化的元件和p c b 空间实现r s 2 3 2 转u s b 的简便的解决方案。该芯片包含一个u s b 2 0 规范、全速( 1 2 m b p s ) 功能控制器、u s b 收发器振荡器和带有全部的调制解调器控制信号的异步串行数据总线 ( u a r t ) 。全部功能集成在一个5 m mx5 m mm l p 一2 8 封装的l c 中，无需其他的外部u s b 15 东北犬学硕士学位论文 第二章n h b 网络通信系统的硬件实现 元件。片内e e p r o m 可以用于由原始设备制造商自定义u s b 供应商代码、产品代码、产 品描述文字、功率标牌、版本号和器件序列号等数据的存储空间。片内具有上电复位电 路。片内电压调节器3 3 v 输出。 c p 2 1 0