CAN总线在中央空调监控系统中的应用 精品.docx

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CAN总线在中央空调监控系统中的应用

1.1空调系统研究背景及意义

随着经济的发展，对建筑大厦智能化的要求越来越高，智能大厦监控系统的应用也越来越广，需要监控的对象越趋多样化，必须使用具有统一规范、可靠性高、组建灵活、扩展性好、维护方便、性能价格比高的方式来组建系统。

因此，作为智能大厦的一个重要组成部分——楼宇自动化系统的研制具有极其重要的意义，而其中的空调监控系统为主要的研究对象。

中央空调控制系统是智能建筑中不可缺少的组成部分。

传统的控制方法是采用DDC（直接数字控制器）方式，将各个温度、湿度检测点和控制点连接到一台或多台DDC上，实行多点实时监控。

由于现代智能建筑楼层较多，多个空调风机位于不同楼层，温、湿度检测点分布于各个房间，采用DDC方式进行控制具有引线过长、施工不便、系统通信的实时性和可靠性不高等缺点。

在各种通信方式中，面向工业控制的现场总线技术是目前解决工业控制现场数据通信问题的最佳方案[1]。

现场总线技术是在二十世纪80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术。

它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身，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。

现场总线是一种基于智能化仪表和执行机构的，全数字化的实时通信传输系统，应用于与工业现场或其他生产作业现场的现场数字设备与控制系统的通信[2]。

它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，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。

现场总线的通信协议结构是根据国际标准化组织提供的开放系统互连模型（ISO/OSI）来制定的。

本系统所采用的CAN总线是最早在我国得到应用的现场总线之一，它采用ISO/OSI七层框架中的物理层和数据链路层。

CAN总线标准采用多主方式，网络上任何节点均可主动向其它节点发送信息，网络工点可按系统实时性要求分成不同的优先级。

数据链路层采用短帧结构，每一帧为8个字节，易于纠错。

发送期间丢失仲裁或出错的帧可自动重新发送，故障节点可自动脱离总线。

CAN总线标准支持全双工通信，传输介质采用双绞线和光纤，传输速率可达1Mbps，节点数可达110个。

其最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

其容错能力和抗干扰能力强，传输安全性高。

1.2国内外研究现状及发展

伴随着计算机控制技术的发展，世界上高层建筑BAS产品HVAC（空调系统，包括冷热源系统、通风系统）的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统，直到1984年，美国哈特福德市第一栋采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。

集散式（集中管理、分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（DirectDigitalControl）。

我国在HVAC系统中使用集散控制系统是从20世纪80年代开始随着智能建筑的建设才开始使用，90年代逐渐广泛应用。

在我国的智能建筑中，由于发展极为迅速。

而市场管理和技术管理等方面又存在着一定程度的混乱，因此所暴露出来的问题就更广、更深、更严重一些。

随着计算机控制技术的发展，对建筑物各系统进行全面计算机管理的智能大厦等也开始增多。

妥善地把计算机技术运用于空调系统的控制管理中，已取得良好的经济效益和社会效益。

这在许多工程中都得到证实。

现在，空调产品及空调系统中都或多或少地应用了信息技术和自动控制技术。

空调设备如果能加上计算机控制，那么它的可靠性和运行经济性就很明显，它的用户也就越多。

现在，几乎所有的制冷机组都安装了计算机控制装置，以便根据负荷的变化调整冷量和水量，从而保证节能和最优化运行[3]。

1.3本文研究内容

本文对现在中央空调控制系统的总体结构做出分析，对CAN总线技术进行了详细介绍，其中包括CAN总线的产生和发展、CAN总线特点、CAN总线技术介绍以及数据错误检测等。

而且还对系统的软硬件进行设计，硬件包括对信号采集电路设计、CAN通信电路设计、电路抗干扰设计，软件包括对主程序设计和AD转换程序设计。

第2章CAN总线技术研究

2.1CAN总线的产生和发展

控制器局部网（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。

控制器局部网将在我国迅速普及推广。

随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。

由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：

控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。

分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。

这类系统是以微型机为核心，将5C技术--PUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、MUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。

它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性[4]。

典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。

现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。

现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。

尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。

同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。

控制器局部网CAN（CONTROLLERAERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。

由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。

为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION2.0）。

该技术规范包括A和B两部分。

2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。

此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。

2.2CAN总线特点

CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

通信速率可达1MBPS。

CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。

数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。

同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。

CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。

CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。

CAN总线插卡可以任意插在PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统[5]。

2.3CAN总线技术介绍

2.3.1位仲裁

要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。

在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。

实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。

一个快速变化的物理量，如汽车引擎负载，将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。

CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。

这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。

总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。

当几个站同时发送报文时，站1的报文标识符为011111；站2的报文标识符为0100110；站3的报文标识符为0100111。

所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。

站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢失。

注意，总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。

在此例中，站2的报文被跟踪。

这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。

所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。

CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。

这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。

对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制，所有主要通信，包括总线读取（许可）控制，在系统中分几次完成。

这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。

2.3.2CAN与其他通信方案的比较

实践中，有两种重要的总线分配方法：

按时间表分配和按需要分配。

在第一种方法中，不管每个节点是否申请总线，都对每个节点按最大期间分配。

由此，总线可被分配给每个站并且是唯一的站，而不论其是立即进行总线存取或在特定时间进行总线存取。

这将保证在总线存取时有明确的总线分配。

在第二种方法中，总线按传送数据的基本要求分配给一个站，总线系统按站所希望的传送分配（如:

EthernetCSMA/CD）。

因此，当多个站同时请求总线存取时，总线将终止所有站的请求，这时将不会有任何一个站获得总线分配。

为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。

CAN实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。

这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。

不同于Ethernet网络的消息仲裁，CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。

甚至当总线在重负载情况下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。

虽然总线的传输能力不足，所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。

在CSMA/CD这样的网络中，如Ethernet，系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在CAN中不会发生。

2.3.3CAN的报文格式

在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。

CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。

在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符