楼宇自动化系统的设计毕业设计

1、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。 本次设计是基于一套 CAN总线的远程控制装置， 通过 CAN总线完 成对现场设备的控制操作， 并与 CAN总线上其他设备完成数据的传输。 系统硬件 部分主要由 AT89S52单片机、 SJA1000 CAN控制器等组成，系统在硬件和软件上 进行模块化设计，具体实现了以单片机为控制核心，设计了 4 路数字量输入， 4 路模拟量输出模块，以及 CAN接口电路模块。 CAN总线的应用，提高了楼宇智能 化水平并降低了设备的管理成本。 C

2、AN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。 CANopen协议是一种基于 CAN现场总线的开放的、标 准化的高层协议。 它是一种具有实时性的高速串行总线系统， 它被广泛应用在嵌 入式系统中。 CANopen协议允许不同设备以标准化方式进行通信，使其具有互操 性。关键词： 楼宇控制； CAN总线；控制节点； CANopen协议AbstractBuilding automation control system consists of modern sensor technology, computer communication technology on buildin

3、gs 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 design is based on a CAN bus, the remote control device, through the CAN bus for control operation of field devices and

4、other devices with the CAN bus for data transmission. Hardware of the system mainly by AT89S52 singlechip, SJA1000 CAN controller and other components, system hardware and modular software design based on single chip for the realization of the control core, designed 4 digital inputs, 4 analog output

5、 module, and the CAN interface circuit module. CAN bus applications, improve the level of intelligent building and reduce management costs of the equipment. CAN bus provides a standard network protocol for data link layer, there is no corresponding high-level communication protocol. CANopen protocol

6、 is an exoteric and standardized high layer protocol based on CAN field bus. It is a high speed serial bus system with real-time capabilities, CANopen protocol allows diffcate with each other in a standardized manner and makes them inter operable.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。Key words: Building control system Control

7、ler Area Network CANopen protocol 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。目录第一章 .引言1. .第一节 选题背景 1.第二节 现存的楼宇控制系统相关技术 2.第二章 CANopen 协议概述 3.第一节 总述 3. .第二节 设备模型 3.第三节 对象字典 4.第四节 CANopen 要点 5.第三章.系统硬件设计 7.第一节 总体设计方案 7.第四章 系统软件设计 8. .第一节 选择 CANopen 原因 8.第二节 CANopen 协议系统软件设计 9.第三节 软件设计系统流程 1.0第五章 .调试结果及分析 1.6第六章 .结束语1.7.致 谢 1.8.参考文献 1

8、.9.附录 总原理图 2.1.第一章 .引言第一节 选题背景随着 微 电子 技术 与 通讯 技术 的 迅速 发 展， 以及 光 纤通 信( Fiber Communication)、卫星通信( Satellite Communication)、区域网络 (Local Area Network)与广域网 (Wide Area Network) 等取得长足发展。根据国际电工委员会 ( international Electrotechnical Commision，IEC )标准和现场总线基金会 (fieldbus foundation，FF)的定义，现场总线的概念一般为一种用于智能化现场设备，自

9、 动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的底层通信总线。现场总线有 : 基金会现场总线( Foundation Fieldbus， FF)、控制局域网络( Controller Area Network，CAN)、局域操作网络( Local Operating Fieldbus ， LonWorks)、过程 现场总线( Process Fieldbus ，PROFIBUS)等。但是由于各个行业的发展历史以 及各个公司、企业的经济利益， 导致一些总线逐渐被遗忘， 一些总线在当今的市 场上共存。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。CAN 总线是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。在各种工 业现场

10、总线中 CAN 总线以成本较低、速度快、实时性、可靠性较高的特点适应 于现代汽车电子、医疗、军事等领域的产业。 CANopen 协议定义了应用层和通 讯子协议，为可编程系数、不同器件、借口及应用子协议定义了帧状态。为现场 总线的全数字分布控制系统的广泛应用以及把系统一体化管理提供了有效的方 案。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。CANopen 协议是基于 CAN 串行总线系统和应用层 CAL 的高层协议。 CAL 提供了网络管理服务和报文的传送协议。 CANopen 在 CAL 基础上使用了 CAL 通讯和服务协议子集的一种实现方案， 在保证网络节点互用性的同时， 允许节点 的功能随意扩展。 在嵌入式系

11、统用用的发展， 许多总线已经不能满足高性能、 高 实时性系统的要求， CAN 总线是当前比较有希望成功的。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。第二节 现存的楼宇控制系统相关技术在.基本型建筑物自动化控制系统中，基于窗口式的基本型建筑物自动化控 制系统的工作站可以配置成文本显示中央操作系统 ,也可以配置成全具功能化的 图形终端。它在 Windows NT 环境下操作 ,局域网可以是以太网或者令牌环网 ,在 一个多建筑物的区域 ,可以配置多个分布式工作从站。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。综合型建筑物自动化系统： 它是在基本型建筑物自动化控制系统的基础上建 立一个自动化控制系统。 通过监控来自系统的数据， 同层总线、

12、防火与保安总线、 S总线设备等 ,可以将多个工作站连接至 Novell LAN, 以此提供与其它分支维护管 理的接口。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。开放型建筑物自动化监控系统开放型建筑物自动化系统 ,它监控多种分布式 子系统 ,如空调自控、防火与保安 ,可以把其它子系统综合在一个网络系统中。采 用符合工业标准的操作系统、 LAN 通信、相关数据库和图形系统。 茕桢广鳓鯡选块网 羈泪。楼宇自动化系统的主要组成楼宇自动化系统负责完成大厦中的空调制冷系 统、变配电系统、照明系统、供热系统及电梯等的计算机监控管理。 鹅娅尽損鹌惨歷 茏鴛賴。主要应用于：(1) 空调监控系统(2) 冷冻站监控系统(3) 给排水

13、监控系统(4) 变配电监控系统(5) 热力站监控系统(6) 照明监控系统(7) 安全防范监控系统(8) 背景音乐、消防广播系统等。第二章 CANopen 协议概述第一节 总述CANopen 是一种构架在控制局域网络上的高层通讯协定，其中包括通讯子 协定和设备子协定是工业控制中常用的一种现场总线，常在嵌入式系统中被应 用。CANopen协议是 Cia协会针对 CAN 协议不完整性开发出来的一个更高层次 的协议。 CANopen 标准包括寻址方案、通讯子协定和其他由设备协定所定义的 应用层。其能支援网络管理、 设备监控和节点之间的通讯， 包括一个简易传输层 处理资料的分段传输和组合。资料连接层和实

14、体层用 CAN 来实时工作。 籟丛妈羥 为贍偾蛏练淨。第二节 设备模型一个 CANopen设备模块可以有三部分。 如图 3.1，通信接口和协议软件提供 在总线上收发通信对象的服务。不同的 CANopen 设备都是通过交换通信对象完 成之间的通信的，它直接面向 CAN 控制器进行实时操作的。对象字典用来描述 设备是哦那个的所有数据类型、 通信对象和应用对象。 它位于通信程序和应用程 序之间，为应用程序提供借口， CANopen 通信通过应用程序对对象字典进行操 作实现的。 应用程序包括通信部分和功能不分， 通信部分通过对对象字典进行操 作实现 CANopen 的通信；功能部分则是根据应用要求来实

15、现的。其对象字典结 构如表 3.1。 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。图 3.1 CANopen 设备索引对象000Not used001001F静态数据类型002003F复杂数据类型040005F规定的复杂数据类型060007F设备子协议规定静态数据类型080009F设备子协议规定的复杂数据类型00A00FFFreserved10001FFF通讯子协议局域20005FFF特定子协议区域60009FFF标准设备子协议区域A000FFFReserved表 3-1 对象字典结构第三节 对象字典CANopen 网络的通信和管理都是通过不同的通信对象来完成的。对象字典 （ Object Dictionary）是

16、一个有序的对象组，每个对象用一个 16 位的索引值来寻 址，定义了一个 8 位的子引索来允许访问数据中的单个元素。在 CANopen 网络 系统中每个节点都有唯一的对象字典。 CANopen 网络的通信和管理都是通过不 同的通信对象来完成的。 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。通讯对象分类：数据对象（ PDO）：PDO 被映射到单一的 CAN 帧中，用 8 个字节的数据字 段把过程数据对象 PDO 映像到一单一的 CAN 帧传输应用对象。每一个 PDO 都 有一个惟一的标识符，并且可以通过一个节点发送，但是可以有多个接受者。 铙 誅卧泻噦圣骋贶頂廡数据服务对象（ SDO）: 用来对对象字典进行读写操作。该

17、对象可以传输大 于 8 个字节的配置信息。 接收者将确认收到的每个段信息， 发送和接受者间将建 立点对点之间的通信，被访问对象字典的设备是 SDO 通讯的服务器，一个设备 可以支持多的 SDO 对象，但是至少有一个 SDO 会在一个设备中被支持。 擁締凤袜 备訊顎轮烂蔷。网络管理对象（ NMT ） :网络管理对象包括节点警戒对象。网络管理协议NMT ）提供了特定应用，网络同步，时间戳和紧急报文传输。 NMT 主要提供 了以下功能：模块控制服务；配置控制服务和错误控制服务。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 特殊功能对象： CANopen 还为同步，紧急状态表示以及时间标记传送三个 特定对象。 同步对象是

18、同步制造者对网络进行周期性广播， 为该对象提供基本网 络时钟。紧急对象则是当设备发生严重的内部错误时， 紧急客户机发送一个紧急 状态对象。时间标记对象是将应用设备提供公共的时间帧作参考。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃 氈淚。第四节 CANopen 要点对用户来说了解 CANopen 协议的一些要点是很重要的。标识符： CANopen协议采用 11位标识符，数据链路层与 CAN2.0 一致。 网络中的主从节点：在 CANopen 系统中需要有一个而且只有一个主节点， 但是可以有多个从节点（ 0126）。主节点用于启动和停止网络；节点检查；网络引导。图 3.2 主从节点PDO协议：在 ZANopen协议中，C

19、AN 的数据信息是一种过程数据对象 PDO，它是设备用来传送处理信息的标准方式。这种通讯方式为一对多。见图3.3.買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。图 3.3 PDO 协议SDO 服务： SDO 提供了一种获得指定节点相关状态的数据，服务端发送相 应的数据回应。如图 3.4.预定义连接集：其简化了网络的配置和使用。发送和接收 PDO:CANopen 规定了相应的内存区域和接受网络上的数据， 可 认同为 C 语言中不转弯的对地址进行操作处理，从而实现了 PDO 数据能够完全 透明地传送，为程序的编程简单化。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。第三章 .系统硬件设计第一节 总体设计方案采用主流单片机 AT89S52 为微

20、控制器，结合独立 CAN 控制器 SJA1000设计 的硬件电路，该系统包括智能节点和具有 CAN-RS232 转换功能的主节点两部分。 智能节点实现了数据采集、 LED 显示、 CAN 总线通信以及输出控制等功能。本 系统由上位 PC 机、CAN 总线借口通信适配卡和多个监控节点组成。 监控点主要 监控空调与通风监控系统，照明监控系统系统，供电系统，供水系统。方案设计 图如下图 4.1。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。第四章 系统软件设计系统软件设计关键是通信程序的设计。本设计采用 C 语言完成 AT89S52 的 控制程序，主要由初始化、发送、接收三部分组成。由于系统中一个点在任意时 刻均可以主动与

21、其他节点通信，所以各节点的通信程序相同。 PC 软件采用 VB 或者 VC 实现。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。第一节 选择 CANopen 原因基金会现场总线以 ISO/OSI 开放系统互连模型为基础， 取其物理层、 数据链 路层、应用层为 FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层 主要主站对总线具有控制权， 主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。 取得 控制权的主站，可向从站发送、获取信息。泛应用于加工制造、过程和楼宇自动 化等行业。其中 PROFIBUS DP 可以提供最大 12Mbps 的传输速率。由于优越的 传输特性和高的传输速率，在可编程逻辑控制器 PLC 中被广泛采

22、用。 锹籁饗迳琐筆 襖鸥娅薔。CAN 是 Controller Area Network 的缩写，是 ISO 国际标准化的串行通信协 议。在当今各产业中， 为了给人和社会带来利益， 各种各样的电子控制系统被开 发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同， 由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数 量”、“通过多个 LAN ，进行大量数据的高速通信”的需要，因此有了 CAN 的 通信协议。 现在， CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工 业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术 发展的热点之一 ,被

23、誉为自动化领域的计算机局域网。 CAN 总线是属于现场总线 的范畴，它可一对串行通信网络进行分布控制或者实时控制。对于目前叫的的 RS-XXX 基于 R 线构建的分布控制来说。 CAN 总线具有下面优势： 構氽頑黉碩饨荠龈 话骛。(1) CAN 总线开发系统具有实时性强、传输距离远、抗干扰能力强。(2) CAN 是到目前为止唯一具有国际认证标准且成本低的现场总线；(3) CAN 总线废除传统的站地址编码，它以对通信数据块进行编码，可以不 分主从，多主方式工作。(4) CAN 采用非破坏性仲裁技术两个节点同时向网络上传送数据时，可判断 优先级，先高后低使优先级高的节点在传输数据是不受影响，避免了

24、总线冲突。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。(5) CAN 采用短帧结构，每一帧只有 8 个有效字节，数据传输时间短，重新 发送的时间短，受干扰的概率低。(6) CAN 可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接收数据。传输距离可 长达 10km。(7) CAN 的每帧信息都有通过 CRC 校验及检错措施，具有极好的检错效果(8) CAN 的通信介质的选择上十分灵活，可选用双绞线、同轴电缆或光纤。(9) CAN 节点在错误严重的情况下，能够自动关闭总线，切断它与总线的关 联，使总线上其他操作不受影响；基于上总线概述，又从成本以及工程上考虑，本次设计选择 CAN 总线。针 对自动化测控应用的需要， 定义了信

25、息存取的统一规则， 采用设备描述语言规定 了通用的功能块集。用于实现测量、控制、工程量转换的应用模块，实现系统组 态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技 术。 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。过程现场总线( PROFIBUS) , PROFIBUS 支持主从方式和多主通信方式。第二节 CANopen 协议系统软件设计在基于 CANopen 的智能协议，从物理上分为：底层驱动程序借口和上层 CANopen 客户程序；从逻辑上可分为：底层动态连接库支持程序、收发报文高 速缓存逻辑，报文分析、分析结果记录和 GUI 展示层。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。CANopen 客户程序根据协议

26、标准解释获得 CAN 报文，并根据报文类型， 按 HASH 算法分类排序。 在报文收发缓存处理上采用多线编程方法， 解决多线程同 步和互斥问题， 从而达到较好的报文实时处理功能， 逃避了线程的可重入性。 客 户程序既可以文本方式结合相应的参数显示 CANopen 的报文类型。也可以根据CANopen 协议已对网络进行测试和分析。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。本次设计是 CANopen 设备节点，具有即用即插的功能，所以可以非常自如 地用主站或者从站的身份收发报文。 其传递的数据格式是自定义结构体， 为本次 设计显示报文内容提供了方便。 CANopen 协议软件是基于高级语言开发环境编 写的上位机软件

27、， 它的界面实现协议分析结果直观性非常强。 对本次设计的可视 化配置，比特率设置，样本数设定， MASK掩码设定具有明显效果。 恥諤銪灭萦欢煬鞏 鹜錦。除此之外， CANopen 协议还提供一些基本功能，其总线通信量，单次或循 环发送报文， 及整个报文队列的在线观测， 并对各类可变条件获得报文的记录以 及在线监测总线负载。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。本次设计是一套完整的楼宇控制系统， 现场过程参数与状态信息通过各自的 传感器现场汇入其相应的现场空盒子节点。各个仿真子系统的现场节点通过 CAN 总线完成数据通信，各个仿真子系统通过以太网实现整个仿真系统的信息 通信。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。CANop

28、en 协议作为本次通信的主要协议，将被控对象、智能节点、网关和 上位机连成楼宇智能一体化。在运行与测试中， CANopen 协议实时的处理 CAN 设备发送和接受报文的可行性，为本次系统的开发、调试提供了极大的方便。 阌 擻輳嬪諫迁择楨秘騖。第三节 软件设计系统流程CAN总线模块将在 AT89S52的控制下采集的数据发送给 CAN总线的上位机 上，接收 CAN总线上发给各个控制节点数据，并且将它存如缓冲区。 AT89S52向 SJA1000 发送数据时，采用查询的方式，当 SJA1000 里有接受到的新报文时， AT89S52采用中断方式。系统主程序如图 4.2 。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。10图

29、 4.2 系统主程序程序初始化： AT89S52 将 SJA1000、冲区和变量、定时器、串口、 CAN 总 线初始化。初始化程序主要是在运行前，对 SJA1000 的控制寄存器写入控制而 确定的。如图 4.3 。 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。11图 4.3 SJA1000 初始化流程发送程序：SJA1000 的初始化程序设计主要是通过对 SJA1000的寄存器写入 相应的控制字，从而确定 SJA1000 的工作方式。软件复位即在运行期间给 SJA1000发一个做一个复位识别。 SJA1000 需要初始化的寄存器有：控制寄存器 CR 或模式寄存器 MOD 、时钟分频寄存器 CDR、接受代码寄存器 A

30、CR、屏蔽寄 存器 AMR 、中断使能寄存器 IER、总线定时寄存器 BTR、输出控制寄存器 OCR 等。因为这些寄存器仅能在 SJA1000 复位期间进行访问，因此在这些寄存器初 始化之前，必须要确保系统进入复位状态。发送程序如图 4.4。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。12图 4.4 发送程序接收程序：数据从 CAN 总线到 CAN 接收缓冲区由 CAN 的控制器自动完成。 接收程序将各个节点的报文接收以及其它方面的处理。 从接收缓冲器中读取接收 到的数据进行处理，并且在处理过程中对 CAN 总线出现的异常情况进行处理。 系统设计中采用中断的方式接受数据。如图 3.5。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。13图

31、 4.5 接收程序流程图 4.6 为小区安全监控系统窗口，其接收和发送均以 16 进制（HEX ），按键和 LED 的发送和接收的命令如下：嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。打开空调与通风监控系统LED1 亮关闭空调与通风监控系统LED1 灭打开照明监控系统系统LED2 亮关闭照明监控系统系统LED2 灭打开给排水监控系统LED3 亮关闭给排水监控系统LED3 灭打开电力供应监控系统LED4 亮14关闭电力供应监控系统LED4 灭按键 1：获取当前温度按键 2：获取当前电压按键 3：获取当前电流按键 4：获取当前水位图 4.6 VB 窗口15第五章 .调试结果及分析在硬件调试处理过程中，发现过芯片 6N1

32、37 的模拟输入和输出没有隔离开。 以至于电路出现异常。后经过修改，硬件电骡工作正常 .熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。软件调试由一台 PC 机、系统硬件电路和 VB 软件组成。调试单片机和串口 通信硬件部分都为正常。 在 VB 窗口运行基本收发程序。 通过按键模拟数据采集 驱动， LED 模拟继电器动作。通过两个仿真器可以了解串口通信部分的状态， 另外还可以间接了解 CAN 总线的实际状态， 在调试中间向 SJA1000 的测试寄存 器写入 0DBH，再读 SJA1000 的测试寄存器，结果与写入的一致。说明 SJA1000 与控制器连接正常。 输入通道编写程序， 通过观察仿真器对应地址中的内容， 确

33、 定节点的输入通道为正常。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。16第六章 .结束语通过对系统的硬件、软件的反复调试和充分利用 C 语言编程的模块性、可 修改性和可移植性的特点。调试结果说明该基于 CAN 总线的楼宇自动化系统的 设计方案是可行的。 在充分考虑到实际环境下， 通过控制器能高速、 有效的采集 和处理现场数据，并能进行现场实时监控，实现了信息通信处理。体现出 CAN 总线的高性能， 高可靠性。 楼宇自动化系统能够改善人的生活环境， 适用于当今 社会。它能够创造很好的经济效益，具有广阔的应用前景。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。17致谢经过这个学期的努力，本次楼宇自动化系统设计工作基本完成。 设计能够顺利

34、地完成是在我们的指导老师曹勇老师的细心指导下进 行的。曹老师话费了很多宝贵的时间和精力为我设计的选题和资料的 搜集直至最后设计的修改调试， 在此向我的指导老师表示最真挚的感 谢！指导老师严谨的教学态度， 开拓进取的精神和高度的责任心使我 受益匪浅！ 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。18参考文献1 王俊波.CAN open协议分析与实现 .中文核心期刊， 2005年第 22卷第 5-2 期.2 任玮蒙，陶维青.基于 CAN总线的高层协议 CANopen自. 动化技术应用 2007年 第 26 卷第 4 期 . 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。3 杨春杰，亢红波.基于 CAN总线的分布控制系统设计 J. 工业仪表与自动化装 置 .2007 年第 4 期,62-64. 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4 叶爱兵,郑华耀,陈巨涛.基于 CANopen的协议分析系统设计与实现 .扬州大学 报.2009 年 8月第 12卷第 3期. 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。5 苏健,张慧慧.基于以 CAN总线的