2022年郭漳和CAN总线楼宇自动化系统设计方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用漳州师范学院毕业设计报告基于 CAN 总线的楼宇自动化系统设计The Design of a CAN Based Building Automation System姓 名： 郭漳和学 号： 090503156 系 别： 物理与电子信息工程系专 业： 电子信息科学与技术年 级： 09 高职本指导老师：刘鸿飞2022 年 12 月 25 日 .名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用摘要楼宇自动化掌握系统是采纳现代化的传感

2、技术、运算机通信技术对建筑物内全部机电设施进行信号采集、掌握,供应有效安全的物业治理,使其设备应用在最良好的状态；本次设计是基于一套CAN总线的远程掌握装置,通过CAN总线完成对现场设备的掌握操作,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掌握器等组成,系统在硬件和软件上进行模块化设计,详细实现了以单片机为掌握核心,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治理成本；CAN总线供应了标准网络协议 的数据链路层,没有相应的高层通信协议；CANope

3、n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协议答应不同设备以标准化方式 进行通信,使其具有互操性；关键词： 楼宇掌握； CAN总线；掌握节点； CANopen协议Abstract Building automation control system consists of modern sensor technology, computer communication technology on buildings of all electrical and mechanical facili

4、ties 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 other devices with the CAN bus for data tr

5、ansmission. Hardware of the system mainly by AT89S52singlechip, 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 module, and the CAN interface circuit modu

6、le. 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 is an exoteric and standardized high layer

7、 protocol based on CAN field bus.It isahighspeedserialbussystemwithreal-timecapabilities,CANopen protocol allows diffcate with each other in a standardized manner and makes them inter operable.Key words: Building control system； Controller Area Network ； CANopen protocol名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 2

8、6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用目 录摘要 I 1. 引言 1 2 现存的楼宇掌握系统相关技术 1 3.CANopen协议概述 2 3.1 总述 2 3.2 设备模型 2 3.3 对象字典 Object Dictionary）3 3.4 CANopen 要点 3 3.5CANopen协议在 I/O 口中的应用 5 4. 方案设计 5 4.1 总体设计方案 5 4.2 系统软件设计 6 4.2.1 挑选 CANopen缘由 6 4.2.2CANopen 协议系统软件设计 7 4.2.3 软件设计系统流程 7 5. 调试结果及分析 11 6. 终止

9、语 11 致谢 13 参考文献 14 附录 15名师归纳总结 附录 1：总原理图15 16 第 3 页,共 26 页附录 2：总 PCB 图和实物图附件 3：元器件清单表17 附件 4：系统总程序17 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用1. 引言随 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 与广域网 Wide Area Network等取得长足进展；依据国际电工委员会 international Electrotechnica

10、l 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 空调监控系统 2冷冻站监控系统 3给排水监控系统 4变配电监控系 统5

11、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；3. CANopen 协议概述3.1 总述CANopen 是一种构架在掌握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掌握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；其能支援网络治理、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；资料连接层和实体层用 3.2 设备模型CAN 来实时工作；一个 CANo

12、pen 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,它直接面对CAN 掌握器进行实时操作的；对象字典用来描述设备是哦那个的全部数据类型、通信对象和应用对象；它位于通信程序和应用程序之间,为应用程序供应借口,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；功能部分就是依据应用要求来实现的；其对象 字典结构如表 3-1；图 3-1CANopen设备名师归纳总结 - - - - - - -第

13、 5 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用对象字典结构索引 对象000 Not used 001001F 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00A00FFF reserved 10001FFF 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A000FFF Reserved 表 3-1 3.3 对象字典 ObjectDictionary）CANopen 网络的通信和治理都是通过不同

14、的通信对象来完成的；对象字典ObjectDictionary）是一个有序的对象组,每个对象用一个 16 位的索引值来寻址,定义了一个 8 位的子引索来答应拜访数据中的单个元素；在 CANopen 网络系统中每个节点都有唯独的对象字典；同的通信对象来完成的；通讯对象分类：CANopen 网络的通信和治理都是通过不数据对象 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；数据服务对象 SDO）:用来对对象字典进行读写操作；该对

15、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,被拜访对象字典的设备是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；网络治理对象 NMT ）:网络治理对象包括节点戒备对象；网络治理协议NMT ）供应了特定应用,网络同步,时间戳和紧急报文传输；了以下功能：模块控降服务；配置控降服务和错误控降服务；NMT 主要供应特别功能对象： CANopen 仍为同步,紧急状态表示以准时间标记传送三个特定对象；同步对象是同步制造者对网络进行周期性广播,为该对象供应基本网络时钟；紧急对象就是当设备发

16、生严峻的内部错误时,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供应公共的时间帧作参考；3.4CANopen要点对用户来说明白 CANopen 协议的一些要点是很重要的；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用标识符： CANopen 协议采纳 11 位标识符,数据链路层与 CAN2.0 一样；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 络引导；如图 3-2CAN 总线开发系统具有实时性强、传输距离远、抗干扰才能强；2CAN 是到目

17、前为止唯独具有国际认证标准且成本低的现场总线；3CAN 总线废止传统的站地址编码,它以对通信数据块进行编码,可以 不分主从,多主方式工作；4CAN 采纳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,防止了总线冲突；5CAN 采纳短帧结构,每一帧只有 新发送的时间短,受干扰的概率低；8 个有效字节,数据传输时间短,重名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用6CAN 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 10

18、km；7CAN 的每帧信息都有通过CRC 校验及检错措施,具有极好的检错成效纤；8CAN 的通信介质的挑选上特别敏捷,可选用双绞线、同轴电缆或光9CAN 节点在错误严峻的情形下,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,本次设计挑选 CAN 总线；针 对自动化测控应用的需要,定义了信息存取的统一规章,采纳设备描述语言规定了通用的功能块集；用于实现测量、掌握、工程量转换的应用模块,实现系统组态治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；过程现场总线 PROFIBUS）, PROFIBUS 支持主从方式和多

19、主通信方式；4.2.2CANopen 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；从规律上可分为：底层动态连接库支持程序、收发报文高 速缓存规律,报文分析、分析结果记录和 GUI 展现层；CANopen 客户程序依据协议标准说明获得 CAN 报文,并依据报文类型,按 HASH 算法分类排序；在报文收发缓存处理上采纳多线编程方法,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,躲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；也可以依据 CANopen 协议已对网络进行测试和分

20、析；本次设计是 CANopen 设备节点,具有即用即插的功能,所以可以特别自如 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供应了便利；CANopen 协议软件是基于高级语言开发环境编写的上位机软件,它的界面实现协议分析结果直观性特别强；对本次设计的可视化配置,比特率设置,样本数设定,MASK掩码设定具有明显成效；除此之外, CANopen 协议仍供应一些基本功能,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；本次设计是一套完整的楼宇掌握系统,现场过程参数与状态信息通过各自的传感器现场

21、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；CANopen 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、调试供应了极大的方 便；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用4.2.3 软件设计系统流程CAN总线模块将在 AT89S52的掌握下采集的数据发送给 CAN 总

22、线的上位机上,接收 CAN 总线上发给各个掌握节点数据,并且将它存如缓冲区；AT89S52向 SJA1000 发送数据时,采纳查询的方式,当SJA1000 里有接受到的新报文时, AT89S52 采纳中断方式；由于系统的任意节点可以主动地于其他节点通 信,所以各个掌握节点的通信程序相同；系统主程序如图 4-2 ；图 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 的掌握寄存器写入掌握而确定的；单片机通过对SJA1000进行初始化后,拜访其内部寄存器实现CAN操作；确定 CAN掌握器工作

23、方式,完成CAN通信工作； AT89S52向 SJA1000发送数据是采纳查询方式,当 SJA10000里有新的报文时 AT89s52接收数据采纳中断方式 如图 4-3；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 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掌握字,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：掌握寄存器 CR

24、 或模式寄存器 MOD 、时钟分频寄存器 CDR、接受代码寄存器 ACR、屏蔽寄存器 AMR 、中断使能寄存器 IER、总线定时寄存器 BTR、输出掌握寄存器OCR 等；由于这些寄存器仅能在 SJA1000 复位期间进行拜访,因此在这些寄存器初始化之前,必需要确保系统进入复位状态；对 SJA1000 进行初始化建立CAN 总线后,节点通过 CAN 现场总线收发数据包；数据包发送由 CAN 总线协议完成； AT89S52 将要发送的数据传到 SJA1000 的缓冲区,命令标志位发送请求,当报警信号存在时,向CAN 总线上的其他节点和上位机发送数据；SJA1000 发送数据时,发送缓冲器禁止“ 写

25、入” ；主掌握器要监控状态寄存器名师归纳总结 中发送缓冲器标识符,对缓冲器是否接收数据进行判定；发送程序如图4-4；第 12 页,共 26 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 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 的掌握器自动完成；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 处理；系统设计中采纳中断的方式接受数据；如图CAN 总线显现的反常情形进行 3-5；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 26 页

26、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 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 键和 LED 的发送和接收的命令如下：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 关闭电力供应监控系统 LED4 灭 按键 1：猎取当前温度 按键 2：猎取当前电压 按键 3：猎取当前电流 按键 4：猎取当前水位16 进制HEX ）,按名

27、师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 4-6 VB 窗口5. 调试结果及分析在硬件调试处理过程中,发觉过芯片6N137 的模拟输入和输出没有隔离开；以至于电路显现反常；后经过修改,硬件电骡工作正常 .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明白串口通信部分的状态,另外仍可以间接明白 CAN 总线的实际状态,在调试中间向 SJA1000

28、的测试寄存器写入 0DBH,再读 SJA1000 的测试寄存器,结果与写入的一样；说明SJA1000 与掌握器连接正常；输入通道编写程序,通过观看仿真器对应地址中的内容,确定节点的输入通道为正常；6. 终止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,通过掌握器能高速、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；表达出名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个

29、人资料整理 仅限学习使用CAN 总线的高性能,高牢靠性；楼宇自动化系统能够改善人的生活环境,适用 于当今社会；它能够制造很好的经济效益,具有宽阔的应用前景；名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用致 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；设计能够顺当地完成是在我们的指导老师刘鸿飞老师的细心指 导下进行的；刘老师话费了很多珍贵的时间和精力为我设计的选题 和资料的搜集直至最终设计的修改调试,在此向我的指导老师表示 最真挚的感谢！指导老师严谨的教案态度,开拓进取的精神和高度 的

30、责任心使我受益匪浅！在此仍要感谢和我一同做此设计的同学施小毅；在平常设 计中,我们一起共同探讨问题,并指出判定我们设计上的误区,使 本次设计能准时的发觉问题；把设计顺当的进行下去,在我们的互 补下才能顺当的结稿,在此表示深深的谢意；名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用参考文献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.

31、3 杨春杰,亢红波.基于 CAN 总线的分布掌握系统设计J. 工业外表与自动扮装置.2007 年第 4 期,62-64.4 叶爱兵 ,郑华耀 ,陈巨涛 .基于 CANopen 的协议分析系统设计与实现 .扬州高校报 .2022 年 8 月第 12 卷第 3 期 .5 苏健 ,张慧慧 .基于以 CAN 总线的监控系统的设计J.制造业自动化 .2002 年第 2 期 ,24-26.6 孔祥力 .基于 CAN 总线的分布式网络测控系统讨论.硕士学位论文 .哈尔滨工程高校.2007年. 7 王俊波,胥布工.CANopen 协议分析与实现.中文核心期刊 .2006 年第 22 卷第 6-2 期. 8 李

32、冰 ,戚建 ,刘国良 ,贺尚红 .CANopen 总线协议在摊铺机上的应用 讨论院,上海 202206.三一重工股份有限公司9 谢嵘 .基于 CAN 总线的分布式掌握系统的讨论与实现 .硕士学位论文 .上海交通高校 .2003年. 10 武金山 .基于 CAN 总线的楼宇自动化系统设计.硕士学位论文 .合肥工业高校 .2022 年. 11 唐俊杰 .基于楼于自动化系统的嵌入式网关设计与开发.硕士学位论文. 上海交通大学.2022 年.12 李朝春 .单片机原理及串行外设接口技术 M. 北京 :北京航空航天高校 ,2022,16-18. 13 张岳 .集散掌握系统及现场总线 .机械工业出版社,2

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