智能总线通信适配器设计

1、湖南理工学院毕业设计（论文） 学毕 业 设 计题 目：智能总线通信适配器设计作 者 罗 狄 届 别 2015届 院 别 机械工程学院 专 业 机械电子工程 指导教师 陆 金 忠 职 称 教 授 完成时间 2015年5月 10日 29摘 要CAN全称为“Controller Area Network”，也就是大家所说的控制器局域网。本文首先在引入CAN现场总线概念的基础上，论述介绍了CAN现场总线系统的现在状况和未来的发展方向，分析系统的网络结构和通信模块等关键技术;最后设计一个较简单的CAN现场总线控制系统。CAN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

2、们各自都具有数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点2。它对自动化领域的变化，就像计算机网络对计算机之间的功能和作用的变化。如果说，把人类带到信息时代是计算机网络，那么现场总线的作用就是让自控任务的网络系统和设备加入到了信息网络的行列，成为了企业信息网络的底层，让企业信息沟通的覆盖范围一直拓展到生产现场。所以把现场总线技术比喻成一个控制技术新时代的开端并不过分。 本人首先介绍了什么是总线，把总线的概念引进本文中，在熟悉了解了总线的概念的同时，引进CAN总线的概念和理念。并介绍CAN总线的现在状况和未来发展情况。后来又介绍了CAN现场总线系统的结构原理。在第二部分中会了

3、解CAN总线系统的构成系统，CAN总线系统的节点，CAN总线系统的拓扑结构和CAN总线系统通信协议模型。在第三部分会介绍CAN总线系统的工作原理。第四部分主要介绍了CAN总线系统在中央空调控制系统中的设计和应用。关键词：CAN现场总线；现场总线控制系统；通信模块AbstractCAN stands for "Controller Area Network", the controller area network is everyone talking about. Firstly, based on&#

4、160;the introduction of CAN field bus concept, introduces the CAN fieldbus system present situation and the future direction of development, analysis of the key technologies of the system network structure and communication module; fin

5、ally, the design of a relatively simple CAN fieldbus control system.Measurement and control instruments of CAN fieldbus technology will bededicated microprocessors into traditional, so that they each have digital computing and communication capabilit

6、ies, network node becomes can takesome control, independent communication task 2. The changes it brings to the automation field, change as computer network to the computer between the function, effect. If the computer network

7、, the human into the information age, sofield bus enables network system control tasks and equipment into the ranks ofthe underlying information network, become the enterprise information network,the coverage of enterpri

8、se information communication has been extended to theproduction field. So the field bus technology as the beginning of a new era of control technology is not too much.I firstly introduce what is the bus, the bus is introduced

9、 in this paper, the familiar with the bus concept at the same time, the concept and introduce the concept ofCAN bus. And introduces the CAN bus now and future development. Then this paper introduces the structure and principl

10、e of CAN Fieldbus system. In the second part will understand the system structure for CAN bus system, CAN bussystem, the topology structure and communication protocol of CAN bus system model of CAN bus system. In the third part wi

11、ll introduce the working principle of the CAN bus system. The fourth part mainly introduces the CAN bus system in the design and application of the control system of central air conditioner.Key words: CAN Bus ;Fieldbus Control System;communication module目 录摘 要

12、IABSTRACTII1绪 论11.1 CAN现场总线的发展状况和它的前景11.2 CAN现场总线的概念11.2.1 现场总线的简介11.2.2 现场总线的标准形成21.2.3 什么是CAN总线31.2.4 CAN总线的特点41.2.5 CAN总线的技术规范52.CAN现场总线系统的结构原理62.1 CAN总线系统的构成62.2 CAN总线系统的节点72.3 CAN总线系统的拓扑结构72.4 CAN现场总线通信协议模型83.CAN现场总线工作原理93.1 CAN现场总线的位数值表示93.2 CAN现场总线的帧结构103.3 CAN现场总线仲裁方式123.4 CAN现场总线错误检测124.系统设

13、计实例CAN总线在中央空调监控系统的应用134.1 系统的设计思路134.2 中央空调控制系统的整体结构144.3 硬件设计164.4信号采集电路设计174.5 CAN通信电路设计214.6 软件设计234.7主程序设计244.8 AD转换程序设计254.9设计小结27结 束 语28参考文献29致 谢301绪 论1.1 CAN现场总线的发展状况和它的前景 CAN最早是由德国Bosch 公司在80年代推出的，应用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信，也适用于工业过程控制与工业设备与监控设备之间的互连。由于它的高性能、高可靠性、实时性以及独特的设计等优点，现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、

14、交通工具、医疗器械以及建筑、环境控制等众多部门。因而CAN现场总线越来越受到工业界的重视，也已经被公认为最有前途的几种现场总线之一。因此CAN也将在中国迅速普及推广。尽管CAN以经发展多年，也很受人们重视，但它仍然在发展完善。比如基于安全方面的考虑和安全临界应用等，德国专业协会BIA和德国安全标准机构TuV已经确认一了些现有的基于CAN的安全系统。例如：CANopen安全就是第一个得到BIA试验性批准的标准CAN解决方案。在其他方面，这个规范定义了从CANopen网络到冗余总线系统的自动转换。就是这样的不断完善，相信CAN总线会更好地适用于各种领域的应用。1.2 CAN现场总线的概念1.2.1

15、 现场总线的简介要了解CAN现场总线，首先要了解现场总线。现场总线是应用于现场仪表、现场电器，设备及控制室主机系统之间的一种开放的、双向的、多站、全数字化的通信系统，属于自动化控制领域中较低层的数据通信网络。现场总线的标准里规定了控制系统里一定数量的现场设备怎样相互交换数据。传输数据的媒介有：电线电缆、电话线、光缆、无线电等等。现场总线是指在现场使用的总线技术。传统的控制系统接线方式是并联接线。PLC（可编程序逻辑控制器）控制各个电器元件，每个元件相对应有一个I/O口，需要用两根线对两者进行连接，做控制或电源。整个系统的接线在PLC控制的电器元件数多到几十个或几百个时就会变得相当复杂，很容易出

16、错，维护和施工都非常不便。针对这个，人们想把大量导线并到一起，只用一根导线将所有设备连起来，而这根导线将会承载所有的数据和信号流通，设备之间的通信及控制同时可以任意设置。这根线因此被称作了总线。就像计算机内部的总线概念一样。只是系统的控制对象大都在工地、矿地现场，不像计算机主要用于室内，因此这类总线被人们称为现场的总线，现场总线就是其简称。比较著名的现场总线有Foundation Fieldbus,LonWorks,PROFIBUS,HART,CAN等，CAN为本文的主题。 1.2.2 现场总线的标准形成控制系统大致发展到今天经历了以下四个阶段:(1) 模拟仪表的控制系统模拟仪表的控制系统是在

17、六到七十年代应用最广的系统。其较突出的缺点有：模拟信号因位精度低而容易被干扰。(2) 集中式数字的控制系统集中式数字的控制系统是七到八十年代应用最广的系统。此系统的控制器采用了PLC、单片机或微机等，它内部的传输为数字信号，因此克服了模拟仪表的控制系统里模拟信号的精度过低的缺点，因此提高了控制系统的抗干扰性能。此控制系统相比其他系统的优点是容易按照全局情况作出控制判断和计算，对于控制机时和空间方式的选择则统一安排和调度，缺点是，此系统要求控制器本身的性能要高，比如相当的处理性能和高可靠性是一定要具备的，控制器效率，系统可靠性随系统任务递增而急剧下降。(3) 集散控制系统(DCS)集散控制系统D

18、CS是八到九十年代应用最广的系统。此系统的核心思想为管理与控制相分离；上位机用于集中监视管理，多台下位机被用于现场进行分散式控制，上下位机之间相互的信息传递则通过控制网络互连来实现。因此，集中式数字控制系统里的缺陷则通过此分布式的控制体系结构得以完善。(4 )现场总线控制系统(FCS)FCS是一种开放式系统，是一种开放的、彻底分散的、可互相操作性的分布式控制系统，很有可能成为新世纪控制系统的主流产品。现场总线控制系统是通过把连接于总线上、作为网络节点的那些智能设备连接成一种网络系统，从而使其形成自动化的系统，来达到基本控制，参数修改，补偿计算，报警，监控，优化及控管一体化的全面自动化功能。这是

19、一项综合技术的主要内容是智能传感器，控制，网络，数字通信，计算机。现场总线之所以一经生成就受到全世界的广泛关注，成为全球工业自动化的热点，就是因为它与工业控制系统向网络化、分散化、智能化发展的方向极度的相适应。受到现场总线的影响，现在生产的自动化仪表、可编程空制器(PLC)在产品的体系结构、集散控制系统(DCS)、结构和功能方面产生了非常大的改革，具有数字通信功能的智能化数字仪表将逐步取代了传统的模拟仪表，同时产生了一批具备控制、运算、检测功能集于一身的变送控制器。产生了具有反馈故障信息的执行器。现在的设备管理维护方法从根本上发生了改变。1.2.3 什么是CAN总线CAN （Controlle

20、r Area Network 的缩写）是ISO国际标准化的串行通信协议，是一种实时控制或者有效支持分布式控制的串行通信网络。下面介绍一下CAN中的一些基本概念。（1）报文:就是总线上的信号，但长度会有限。当总线处于开放时，任何的连接单元都可以发送一个新的报文。（2）信息路由: 一个结构信息的节点将不使用的系统在系统。它包含了一些非常重要的概念。报文通信: 邮件内容由标识符ID。但我不是原来的那个消息意图命名，但数据的意义，为了便于在网络中的节点的缩影，将使用消息筛选器确定是否他们启动数据。成 组:由于采用了报文滤波，所以所有节点都可接收报文，并同时会被相同的报文所激活。数据相容性:CAN网络中

21、，数据包可以被所有节点或节点收到了没有，因此，系统的数据一致性是通过接触组和错误处理。（3）位速率:可以在不同的系统中的数据传输速率是不同的，但在系统给出率是唯一确定的，并且是固定的。（4）优先权: 接入标识总线在定义消息优先级。（5）远程数据请求: 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求节点发送另一个类似的数据帧和数据帧，远程帧和相应的会在同一个标识符ID命名。（6）仲裁: 当总线是开放的，每个单元可以开始发送消息，如果有两个或两个以上的单元发送，总线访问冲突将采用逐位仲裁规则的解决方案，ID标识符的帮助。仲裁规则将使信息和时间都没有损失。如果具有相同标识符的数据帧、远程帧同时传输的数据帧，

22、将优先于远程帧。在仲裁过程中，每个发射器将水平与总线电平发送检测比较，如果相同的单位继续发送。在发送一个“隐藏”的水平，但巴士为“主导”的水平，该单位将退出仲裁，没有传输后，继承王位。（7）安全性 : 为了使数据传输安全性更高，在每个CAN节点中都设有错误检测、标定还有自检的强有力的措施。检测错误的措施包含有：发送自检、循环冗余校检、位填充以及报文格式检查。（8）出错标注和恢复时间 ：已损报文由检验出错误的节点对它进行标注。此类报文就会失效，并自动进行重发送。如果不存在新的错误，从检出错误到下一个报文开始发送的恢复时间最多为29个位时间。1.2.4 CAN总线的特点CAN属于总线式串行通信网络

23、。由于其应用了很多新的技术和独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：(1)通信方式灵活。CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，而且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便的构成多机构备份系统。(2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输。(3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁

24、时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。(4)CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无用专门的“调度”。(5)CAN最远的直接通讯距离可以达到10km（速率5kbps以下）；通信速率可达到最高1Mbps（此时通信距离长为40m）。(6)CAN上的节点数主要由总线驱动电路决定，现在可达110个；报文标识符可以达到2032种(CAN2.0 A)，而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符可以说不受什么限制。(7) 可以用短帧结构信息，传输时间短，干扰的概率是低的，所以，数据错误率一般非常低。 （8）信息的每个帧都会有一个CRC校验和错误检

25、测和其他措施，效果很好。 （9）通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光纤，选择灵活。 （10）CAN节点具有自动关闭在严重故障的情况下的输出功能，其他节点，在公共汽车上运行不受影响。 （11）CAN总线具有很高的性能价格比。它的优点是结构简单，易于采集设备，每个节点的价格较低，但也容易掌握的技术，充分利用了单片机的开发工具。1.2.5 CAN总线的技术规范CAN技术规范（Version2.0）由A和B两部分组成。CAN报文的标准格式在2.0A中给出，而2.0B则给出了扩展的和标准的两种格式。 为达到设计执行灵活，CAN仅采用了ISO/OSI模型中的数据链路层和物理层。数据链路层由媒体访问控制子层（

26、MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）两部分组成；物理层由三部分组成，分别为：物理媒体附件（PMA，Physical Medium Attachment ）、物理信令（PLS，Physical Signalling）与媒体接口（MDI，Medium Dependent Interface）三部分。下表为CAN协议的分层结构：表 1-1数据链路层逻辑链路控制子层（LLC）接受滤波超载通知恢复管理媒体访问控制子层(MAC)数据封装/拆装帧编码（填充/解除填充）媒体访问管理错误检测出错标定应答串行化/解除串行化物理层物理信令（PLS）位编码/解码位定时同步物理媒体附件（PMA）驱动器/接收器特征媒体接

27、口（MDI）连接器2.CAN现场总线系统的结构原理2.1 CAN总线系统的构成作为现场总线之一，可以是一个实时的控制能有效支持分布式控制或串行通信网络，也属于控制网络。CAN总线系统，分别，和两个方面实现的原理，只有两个节点连成一体的通信介质（如双绞线）可以形成，两个节点交换信息和通信媒体。在一个可以通用的控制网络的结构：传感器节点，控制器，监控节点的执行器节点和其他节点（如人机界面）。网关和其他网络（如以太网）互连的条件，为控制网络也可以构成一个大型复杂的控制网络，如下图所示：控制器1控制器2控制器检测设备传感器节点人机界面传感器节点传感器节点执行器节点执行器节点执行器节点网关其他网络图.总

28、线控制系统的结构2.2 CAN总线系统的节点挂在总线上的执行部件、传感部件或控制器单元称作总线上的节点。总线的网络通信是以允许节点间对等的传播数据来实现的。上位机和节点的微控制器之间的通信可以是双向的，也可以是单向的，当双向的传输时，上位机可以根据节点传来的状态值和数据值，实行调整或报警等反馈措施。构成CAN节点的元器件是多种多样的，在前面我们提到了典型的执行器节点、智能传感器节点以及控制器节点。多样性的节点形式，间接丰富了网络的类型。在一个总线网络上，由于受限于总线收发器物理信号驱动能力，最多智能挂接110个节点设备。2.3 CAN总线系统的拓扑结构根据数学中的拓扑学定义来看，网络是由一组节

29、点和链路组成的几何图形。网络拓扑设计是建设计算机网络的第一步，是各种网络协议的基础上实现的，它对网络性能有很大的影响，可靠性和通信费用。可以局域网，网络的拓扑结构有多种，CAN总线网络的概念引入的拓扑结构，是必然的和必要的。CAN总线主常见的4种拓扑结构如下：（1） 总线拓扑由单根电缆连接网络中所有节点便构成了总线形拓扑结构。这里的单根电缆即为总线，它只能支持一种信道，因此，总线的全部宽带是被所有节点共享。当一个节点与另一个节点有数据发送时，总线网络中其他所有节点都将被动地侦听该数据。在目标节点接收并处理收到的数据后，该数据才将被其他节点忽略。（2）环形拓扑环形拓扑结构中的整个网络的环由每个节

30、点与两个最近的节点相连接而成，数据沿环单向发送。环中的节点接收环中传输的数据后，将其转发到下一个节点。（3）星形拓扑在星形拓扑结构中，通过一个中央设备（如集线器）将网路中的每个节点连接在一起。中央设备接收网络中每个节点传送来的数据，再将其转发至目标节点。（4）网状拓扑在网络拓扑结构中，节点与节点之间都直接相联的。广域网常使用网状拓扑，这里，节点则为地理场所。因为节点与节点直接互联，数据得以在发送地与目的地之间直接传输。所以一个连接如果出了问题，将能够迅速并轻易地变更传输数据的路径。又因为两节点之间的数据传输存在多条链路，网状拓扑便成为最具容错性的网络拓扑结构。2.4 CAN现场总线通信协议模型

31、CAN总线协议描述的主要是设备间的信息传递方式。在国际标准化组织开放系统互连模型（OSI）中，CAN总线通信协议模型分为七层：物理层、数据链网络层、路层、会话层、传物层、应用层和表示层，最下面两层是由CAN总线协议规定的：物理层和数据链路层，但在2.0A版CAN技术规范中，数据链路层的MAC子层和LLC的服务和功能被描述为“传送层”和“目标层”。CAN总线的分层结构及功能详见图2.1。LLC层的作用是：服务于远程数据及数据的传送，确认由LLC层接收的报文是否己被接收，并为通知超载和恢复管理提供信息。定义目标处理的灵活性很大。MAC子层的作用是：传送规则、执行仲裁、错误检测、故障界定和出错标定。

32、MAC子层也要确定，为开始一次新的发送，MAC子层也要确定总线是否开放或者是否即将开始接收。不同于LLC层，MAC子层特性修改的灵活性不存在。物理层的作用是有关全部电气特性不同在节点间的实际传送。因而，在一个网络内，很明显所有物理层内的节点必须是相同的。然而，物理层的选择灵活性很大。监督器数据链路层逻辑链路控制子层LLC验收滤波过载通知恢复管理介质访问控制子层MAC数据包装解码帧编码介质访问管理错误检测应答物理层位编码解码位定时同步驱动器接收器特征故障界定总线故障管理图2.2 CAN总线的分层结构3.CAN现场总线工作原理3.1 CAN现场总线的位数值表示CAN的通信线路由两根导线组成，分别为

33、CAN-H和CAN-L，这两根导线就是CAN网络中的总线。网络中的所有节点都挂在该总线上，并且都通过这两根导线交换数据。总线上某一时刻的数值是以两引线上电压和之间的差值表示，如图3.1所示。TUdiffUdiffUCAN-HUCAM-L平均电压电 平U隐性位显性位隐性位图3.1 总线位的数值表示3.2 CAN现场总线的帧结构 CAN总线帧结构在CAN总线通信协议的数据链路层中有定义，以下为四种不同CAN总线帧类型：（1）数据帧：作用是把数据从发送端传递至接收端；（2）远程帧：作用是请求发送标识相同的数据帧； （3）错误帧：作用是检测所有单元的总线错误，如有错误则发出错误帧；（4）过载帧：作用是

34、为远程帧和相邻数据帧之间提供附加延时。以上四种类型帧中， CAN总线最常用的帧类型是数据帧，其作用为传输有效数据。CAN总线各帧结构：（1）数据帧 数据帧由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结尾七个不同的位场组成。 帧起始由一个单独的“显性位”组成，表示数据帧的起始。该节点只在总线空闲时发送帧起始。 仲裁场有两种：扩展帧格式的仲裁场和标准格式的仲裁场。，仲裁场在标准格式下由远程请求（RTR）位和11位标识符组成。，仲裁场在扩展帧格式下由29位标识符，识别符扩展（IDE）位、替代远程请求（SRR）位和远程发送请求（RTR）位组成。11位标识符RTR帧起始仲裁场图3.2标准仲裁场

35、结构 11位标识符SRRIDE 18位标识符RTR帧起始仲裁场 图3.3扩展帧仲裁场结构 控制场包括6个位。其中保留位有两位，必须为“显性”，其余4位是数据长度代码，4位数据长度代码从OX0到OX8，因为数据帧最多允许发送8个字节长度数据。 保留位保留位数据长度代码控制场图3.4控制场结构 通过循环冗余码可求得CRC场，CRC计算中，无填充位流会给定被除的多项式系数由，这些流组成的成分是：帧起始、控制场、仲裁场、数据场总线上的CRC序列为此多项式与除下面的多项式相除：，得到的余数。 组成应答场的成分为应答界定符和应答间隙。帧结尾 由连续的7个“隐性”位来表示帧的结尾。（2）远程帧 远程帧由帧起

36、始、CRC场、控制场、仲裁场、应答场以及帧结尾构成，其中“显性”位就只有RTR位，余下的位场和数据帧的相应位场一样。(3）出错帧 出错界定符和出错标志组成出错帧，CAN控制器的出错类型和出错状态用错误帧来检测，用来作于检测出错条件的信号。（4）过载帧 过载界定符和过载标志组成过载帧。3.3 CAN现场总线仲裁方式 一般CAN现场总线网络采用的控制方式有两种，分别为避免碰撞的介质访问控制/载波监听多路访问。仲裁场在CAN总线上发送的报文上都存在，该报文的传输优先级由仲裁场的11位或29位标识符表示。逻辑O决定了CAN总线的状态，而非逻辑l，所以报文拥有的优先级随标识符变小而升高，那么总线上的最高

37、优先级存在于全O标识符的报文上。 下面有一例子：假设A、B两节点同时发送数据。010101为A节点仲裁场的前5位，而B节点的仲裁场的前5位为010100。由于A、B两节点仲裁场的前4位数据相同，所以各节点连续发送数据位至第5位，节点A发送逻辑l丢失仲裁，而节点B发送逻辑O赢得仲裁，接着节点A会自动退出总线，而节点B则发送第6位数据位图3.5所示为仲裁过程。节点A 帧起始 00 01 02 03 04 06 06节点B节点A丢失仲裁图3.5仲裁过程3.4 CAN现场总线错误检测有5种错误类型（它们并不互相排斥）存在于CAN现场总线中。(1)位错误：一个单元向总线送出一位的同时也在监视总线，该位将

38、检测到一个位错误当监视到的总线位数值与送出的位数值不同时。(2)填充错误：报文以位的填充方法进行编码时，有6个连续相同的位电平出现时，一个位填充错误将被检出。(3)CRC错误：发送器CRC计算的结果形成CRC序列。接收器用同样的方法计算CRC时也得到一个值。如计两个计算结果所得序列不相同，则一个CRC错误被检出。(4)形式错误：当一个或多个非法位在固定形式的位场中出现时，一个形式错误将被检出。(5)应答错误：在应答间隙，显位未被发送器检测到时，一个应答错误将被检出。4.系统设计实例CAN总线在中央空调监控系统的应用 4.1 系统的设计思路中央空调系统在现代化大型建筑中使用相当广泛。我们平常都使

39、用过或接触过空调，知道空调系统进行处理的室内空气，空气的温度，新鲜度，纯度和流量等指标满足人体舒适或符合工艺过程的要求。在这个前提下，空气加湿或除湿的中央空调系统，冷却或加热，过滤处理措施。例如，空调系统，制冷机是由一个完整的供应设备生产厂，它一般是根据空调和规则的原理是由微机自动控制。冷水机组由压缩机，冷凝器和蒸发器，制冷压缩机的压缩，压缩后的制冷剂进入冷凝器的冷却水，冷却后，变成液体，在冷却塔的冷却水热沉淀，并排放到大气中。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发，吸收蒸发器，冷冻水冷却，冷却水和冷冻水进入风机盘管吸收空气中的热量，如此循环不已，从房间热。温度，湿度和通风是重要因素，中央空调监控系统，使

40、中央空调监控系统的设计，可从以下三个方面考虑：（1） 机组基本参数的测量，设备的启停控制。（2）基本的能量调节。（3）冷热源和水管系统的全面调节与控制。4.2 中央空调控制系统的整体结构如图4-1为中央空调控制系统的总体框图，其中，上位机采用的是IBM-PC兼容机，负责系统数据的控制命令的发送、接收与管理、系统工作过程的实时显示等。下位机为各单元控制器，所采用的微处理器为ATMEL公司生产的AT89C51单片机，它负责单位内的空调机组现场测试数据和控制工作状态。负责接收数据总线和CAN总线的PC机的数据传输设备，可以在控制器的CAN总线控制器SJA1000单元。通过上位PC总线插槽中插入的智能

41、CAN总线通信适配器连接CAN总线，并通过CAN总线与各单元相连。上位机智能CAN总线通信适配卡回风温度检测单元控制器送风温度检测单元控制器送风风机运行转台检测回风温度检测送风风机故障报警变频调速器控制送风风机开关控制加湿器控制回风风门控制消防信号检测新风风门控制键盘显示控制水阀控制单元控制器过滤网压差报警 图4-1中央空调系统的总体框图系统工作原理：单元各检测点经其控制器巡回检测后，所得数据遵照CAN总线协议标准被传至上位机；通过智能CAN总线通信适配卡上位机则接收来自各单元控制器传发的数据，按照操作者的指令或系统软件预设的控制程序向各个单元控制器传达控制命令，由单元控制器对各空调风机机组进

42、行实时控制。假如脱离上位机，单元控制器将按照软件设定的控制参数直接对空调风机机组进行自动控制。操控者可以通过单元控制器上的小键盘对所控制参数值作现场修改。中央空调系统主要组成为：制冷机、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、风机盘管系统和冷却塔。系统各部分的作用与工作原理如下：通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送至蒸发器中与冷冻水进行热交换，制冷机则将对冷冻水制冷，而冷冻泵将冷冻水输送到各风机风口的冷却盘管中，最后经风机吹送而获得降温的目的。经过蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量转变为气态，冷却泵会将冷却水输送到冷却塔上由水塔风机对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，热量将在大气中散发。组成中央空调系

43、统的各个部分：冷冻水循环系统冷冻泵该、冷冻水管道及室内风机等组成组成了冷冻水循环系统。该系统中冷冻泵将主机蒸发器流出的低温冷却水进行加压，然后将其送入冷冻水管道（出水），在室内发生热交换，房间内的热量被带走，最后冷却水回到主机蒸发器（回水）。室内风机的作用是将冷冻水管道旁吹过来的空气，进行降温，增加室内热交换的速度。冷却水循环部分冷却水塔、冷却水管道、冷却泵及冷凝器等组成了冷却水循环部分。冷冻水循环系统必将带走室内大量热能当其与室内进行热交换时。主机内的冷媒将该热能传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却水被冷却泵将升温后压入冷却水塔（出水），继而冷却水与大气发生热交换，温度降低后再被送回主机冷凝

44、器（回水）。主机压缩机、冷凝器、冷媒（制冷剂）及蒸发器等组成了主机部分，下面为其工作循环过程：首先压缩机将低压气态冷媒加压后，冷媒进入冷凝器继而冷凝成为高压液体。冷凝过程中会有大量热能由冷媒会释放出，冷凝器中的冷却水将这部分热能吸收并将其送至室外的冷却塔上，热量最终被释放到空气中去。流经蒸发器前的节流降压装置的高压液态冷媒因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。在蒸发器中的冷媒不断气化，同时冷冻水中的热量会被其吸收而达到较低温度。最后，冷媒又在蒸发器中气化而变成低压气体，而再次回到压缩机，如此往复循环。 4.3 硬件设计单元控制器和括智能CAN总线通信适配卡是系统硬件的主要内容。智能C

45、AN总线通信适配卡的原理框图如图4-2所示。它采用CAN总线控制器82C200、高性能的嵌入式微处理器80C188和负责数据交换和通信处理的CAN总线收发器82C250，为上位微机和CAN总线提供了接口。82C200可完成物理层和数据链路层的所有功能。微处理器提供电子控制单元（ECU）的应用层，一个多用途的接口由82C200为其提供。电动驱动系统，CAN总线智能通信适配器控制命令由上位机通过ISA总线，驱动电路，双口RAM，然后发送一个中断信号。CAN控制器82C200接收到中断信号，从双端口RAM中提取数据，和CAN总线协议标准，输出驱动电路，光电隔离电路和CAN总线收发器82C250发送到

46、CAN总线上，完成了从PC机的数据交换单元控制器。接收上位机发送命令的过程和数据是相似的，但在相反的方向。 图4-3为单元控制器电路。工作时，CAN总线控制器SJA1000的CAN总线接收上位机的命令和数据，以便中断通知cpu89c51。CPU接收到中断信号，将接收存储在RAM SJA1000的数据，并根据从相应的命令数据的I/O接口电路，控制风扇单元，在相应的操作加湿器和其他执行元件。如果一个电脑需要每个单元的状态信息，CPU将数据采集程序，控制I/O接口电路的巡检各检测点的数据。 CAN总线控制机PC机ISA总线输出驱动及光电隔离电路总线驱动电路CAN总线接收器双口RAM微处理机译码电路E

47、PROM图4-2智能CAN总线通信适配卡原理框图输出驱动电路及光电隔离电路CAN总线控制器CAN总线收发器译码电路数据采集电路I/O接口电路微处理器输出驱动电路小键盘及数字显示器电路看门狗电路 图4-3单元控制器电路原理框图硬件看门狗电路X25045用于系统监控，防止程序跑飞，并提供512字节EEPROM来保护重要的系统控制参数，提高了单元控制器的抗干扰能力。数字显示器可以显示风机的互回风湿度、送风温度、回风湿度、变频器频率、风门开度、水阀开度、报警信号的类型及数量等系统状态信息。小键盘用于修改设置参数、改变显示类型，从而使单元控制器在脱离上位机的情况下仍然可以完成控制功能。 4.4信号采集电

48、路设计信号采集节点主要负责采集循环水系统的信息，包括温度、压力值，通过总线上传给控制计算机，同时接收控制计算机的信息控制工频机的启停并将工频机启停状态上传给控制计算机。 节点的主控制芯片采用美国Atmel公司的AT89C51单片机，AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造。1 信号调理电路一个中央空调机组需要采集的信号如下: 1.冷冻/热水进出水温度，2路。 2.冷却出水温度，1路。 3.冷冻/热水进水压力，1路。 4.冷却进水压力，1路。共有5路，但在实际工程中，中央空调用户一般安装两个单位，一用一备。

49、一个单元发生故障时，另一个单元的开口，然后修复故障集，避免因故障和空调的使用。在实际应用中的同一时间，一般是在使用两个单位，以防止机组因长期使用寿命减少。因此，在信号采集电路的设计，信号采集的方法应该是基于两个中央空调机组的设计。一个压力传感器和一个温度传感器，是两线，电源电压24V，输出4-20mA。温度传感器为自定义安装的需要，对不同长度的管道直径不同的传感器。同时，管壁厚度需要不同的安装螺纹长度传感器也不同。一般温度传感器范围0-100摄氏度。为0-1mpa量程压力传感器。温度和压力信号调理电路如图所示，T0的输入信号，R60是采样电阻，C60作为滤波电容，规格220uF25V。拍摄第一

50、放大器的输出阻抗，降低，起到隔离的作用，避免在负载的影响程度。然后将信号通过一个RC滤波器。反向比例第二运算放大器，具有信号放大的主要调节器，信号通过反向。信号的采集可以转换为A / D。图4-4 信号调理电路2 A/D转换电路 A / D转换，考虑到系统可能需要不同的模数转换精度，所以这两个转换芯片，采用12位串行模数转换器TLC2543，11个模拟输入。另一个是tlc0834。TLC0834是一个4通道8位逐次逼近A/D转换芯片，芯片的工作电压为5V，串行控制，输入可配置的多通道多路复用器和串行输入输出。多路复用器可以通过软件配置为单端或差分输入，输入电压可以调整，转换时间的32ps。TL

51、C0834与单片机的硬件接口电路，芯片选择pl.6 pl.4 TLC0834微控制器，是用来产生的A / D转换时钟，pl.5是一个双向I / O接口，可用于配置和接收输出转换所得的模拟输入数据。TLC2543是12位串行11通道A/D转换芯片，使用开关电容逐次逼近的方法来完成转换过程。工作电压为5V。在工作温度范围内的转换时间为10ps。在硬件接口电路和单片机芯片的选择，tl2543信号单片机P1.0，P1.1是用来产生的A / D转换的时钟，pl.2输出控制字TLC2543芯片数据输入端长度的输出数据模拟通道，转换控制芯片的转换和输出数据格式后，数据输出端数据转换芯片。

52、图3-5所示电路。的R93和稳压管组成的电路，V3提供了一个参考电压，两个转换芯片SV。图4-5 A/D转换电路图4-6 工频机控制图为了实现整个系统的控制网络，对泵房无人值守，信号采集节点控制电机的启动和停止。在实际应用中，异步电机起动电流一般是2 - 3倍额定电流，为了避免这种情况的发生，大多数的三相异步电机的进线与软起动器系列，电动机的软起动，避免启动电流，当开始的过程起动结束后，会自动打开旁路接触器的软起动器，短路。所以我们可以控制的软起动器控制电机的启动与停止。具体实现方法是访问控制的软起动器控制端的交流220V开关。图3-6电路：电路，p21单片机P2.1端口，用来控制启动和停止的

53、软起动器。我/ O1和I / O11连接220V，连接，继电器的常开触点。当p21高，在1413输出连接到了继电器，电，常开触点，交流220V电源接通，电软启动控制端，交流电动机的起动。同理可以停止电机过程中获得的频率。12V的继电器的选择。检查继电器线圈的阻抗是600欧姆。，控制电压12V，12/ 600 = 15 /（600 + R114），可以rll4电阻为150欧姆。当网络系统的正常工作，和控制计算机电源机器停止，但考虑到可靠性的原因，如果发生故障的网络系统，工作频率的机器不能由计算机控制，影响整个水系统操作，可能会导致关闭中央空调机组，为了防止这种的发生

54、，在工频机控制电路的设计，再加上自动/手动路由开关，当开关位于汽车，受电脑控制电机，当开关位于手册，由服务员直接操纵机。 4.5 CAN通信电路设计CAN通讯部分主要是由四部分组成:微控制器89C51、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线驱动器82C250和高速光电藕合器6N137。具体电路见图3-7。下面对所选用的芯片做简单介绍。1. CAN总线控制器SJA1000SJA1000是一个独立的CAN控制器区域网络，主要用于运动目标和一般工业环境控制。支持CAN2.0A和CAN2.0B协议。主要由接口管理逻辑（IML），信息的缓冲区（含发送缓冲区和接收缓冲TXB rxfif0），位流处

55、理器（BSP），验收滤波器（ACF），位定时逻辑（BTL），错误管理逻辑（EML），内部振荡器和复位电路等。IML从CPU接收指令，控制寄存器寻址和提供信息和状态信息来控制中断。CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB，TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到 CAN BUS。BTL始终监视CAN BUS，当检测到有效的信息头“隐性电平控制电平的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器BSP处理，并由ACF过滤，只有当接收的信息的识别码与ACF检验相符时，接收信息才最终被写入RXB或RXFIF0中。RXFIF0最多可以缓存64字节的数据，该数据可被CPU读取。EML负责传递层中调

56、制器的错误管制，它接收BSP的出错报告，促使BSP和IML进行错误统计。 图4-7 CAN通信原理图2. CAN总线收发器82C25082C250 CAN协议控制器和物理总线的接口，它可以提供差动发送能力总线和接受能力，引脚8（RS）选择不同的工作方式：高速，斜率控制及零。在高速模式下，发送器输出晶体管是尽可能快，导通和截止。在这种方式中，不采取措施，限制坡度的上升和下降。降低速度或总线的总线长度短，使用非屏蔽双绞线或平行线。为了减少无线电干扰，应限制上升和下降的斜率。接地电阻控制引脚8的斜坡上升和下降。该系统采用了一种边坡工程。在82C250网络系统，当82C250 TxD脚输入高，耕作的输

57、出可以在高阻抗状态，在这种状态下，82C250不会对整个网络的影响，我们称这种节点在撤退；当TXD引脚输入低，耕作，可分别。高，低电平输出，整个网络节点数据传输的性质决定的。RxD端输出级和网络级82C250发送起主要作用的是相同的。在原理图，AT89C51作为微控制器的CAN通信模块，负责对CAN控制器的初始化，通过控制CAN控制器来实现数据的传输。可以控制接口电路由CAN通讯控制器SJA1000，CAN总线驱动器82C250光电耦合器6N137，在高速光耦6N137SJA1000和82C250。 4.6 软件设计系统软件由上位机管理软件和单元控制器的控制软件。上位机管理软件是基于Windows98平台上，采用Visual Basic6.0开发，包括监控系统，通信管理，数据处理，指挥和控制，动态显示模块，它具有友好的人机界面，操作方便，显示直观。系统运行时，控制点的位置，在PC机上显示图形可视化检测，检测和在各自的位置侧控制数据的动态显示，操作简单的培训就可以控制整个系统。使用程序设计语言8051装配单元控制器软件，在89C51单片机EEPROM固化，主要完成数据采集，数据通信，I / O接口控制，数字显示控制功能。根据室内温度的不同要求，每个季节的湿度，软件中预选设置了不同季节的控制参数，并可通