【正文】 密 級(jí) 分類號(hào) 編 號(hào) 成 績(jī) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 外 文 翻 譯 原 文 標(biāo) 題 Distributed Building Temperature Control System Ba PLC OVER ETHERNET/IP Based on CAN Bus 譯 文 標(biāo) 題 基于 CAN 總線的樓宇溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者所在系 別 電子工程系 作者所在專業(yè) 電子信息工程 作者所在班級(jí) 作 者 姓 名 作 者 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師姓名 指導(dǎo) 教師職稱 完 成 時(shí) 間 2021 年 12 月 共 4 頁(yè) 第 1 頁(yè) 譯文標(biāo)題 基于 CAN 總線的樓宇溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 原文標(biāo)題 Distributed Building Temperature Control System Based on CAN Bus 作 者 WAN ZHONG,etc 譯 名 萬(wàn)忠等 國(guó) 籍 中國(guó) 原文出處 Journal of Zhejiang Wanli University 基于 CAN 總線的樓宇溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 萬(wàn)忠，謝志波 摘要 文章提出了一種基于 CAN 總線的 樓宇溫度控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案，分析了控制臺(tái)和分布在樓宇中的控制節(jié)點(diǎn)之間的通信問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樓字溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警和控制，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)可靠，能實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的． 關(guān)鍵詞： 溫度控制 CAN總線 節(jié)能 隨著人們生活水平的提高，電力工業(yè)每年都會(huì)面臨用電最多的季節(jié)：電力迎峰度夏． 2021年以來(lái)，我國(guó)供電形勢(shì)從緩和轉(zhuǎn)為全面吃緊，建筑節(jié)能成為熱點(diǎn)問(wèn)題，其中空調(diào)節(jié)能是最突出的．公共建筑的空調(diào)是高能耗的源頭之一．以北京為例，公共建筑盡管只占全市民用建筑總面積的 5． 4％，但公共建 筑全年總耗電量卻達(dá)到 33 億千瓦，接近所有居民生活用電的一半[1]．據(jù)初步了解，北京市的公共建筑普遍存在著 30％ 50％的節(jié)能空間 [2]．一種最重要的方法是通過(guò)對(duì)樓宇的內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)從而控制樓宇空調(diào)。 不同的樓宇，其內(nèi)部空間分布和結(jié)構(gòu)是不同的．為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建，筆者提出一種基于SJAl000 的 CAN通信平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的可靠通信；在此基礎(chǔ)上，由主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度設(shè)定，實(shí)時(shí)檢測(cè)整幢樓宇溫度，并由 LCD 顯示結(jié)果，對(duì)異常情況進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警和控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的．系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)目的是為了測(cè)量和控制分布在一棟建筑物內(nèi)各個(gè)房間的溫度，而測(cè)溫和控制節(jié)點(diǎn)是分散的，所以要通過(guò) CAN 總線實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)和分布在建筑物的各個(gè)部分的控制節(jié)點(diǎn)相連，每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)可以控制多個(gè)房間的溫度．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 l所示． 2． 1 主控臺(tái)和硬件設(shè)計(jì) 控制臺(tái)是 AT89C52 單片機(jī)，為主控制器，連接報(bào)警模塊、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘／日歷電路和人機(jī)接口電路，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示．控制節(jié)點(diǎn)也由單片機(jī)控制，連接溫度檢測(cè)模塊和 CAN 總線接口模塊。該系統(tǒng)采用AT89S52，這是一節(jié)低功耗 芯 片 ， 該 芯片 是 由ATMEL 公司生產(chǎn)的，有 4 KB 的 系 統(tǒng) 內(nèi) 可 編 程（ ISP）的 FLASH 存儲(chǔ)器。使用 AT89S52 作為系統(tǒng)的主控圖 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 圖 2 控制臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖 共 4 頁(yè) 第 2 頁(yè) 制器，現(xiàn)場(chǎng)編程調(diào)試和系統(tǒng)的功能變化非常方便靈活。 在系統(tǒng)正常工作時(shí)，控制臺(tái)通過(guò) CAN 總線發(fā)出一個(gè)明確的控制溫度值分布在建筑中的指定節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)接收控制臺(tái)的命令，通過(guò)分布在每個(gè)房間 1 Wire 總線讀取溫度探測(cè)器DS18B20 的溫度值，通過(guò) CAN 總線傳送每個(gè)房間的溫度數(shù)據(jù)和房間號(hào)碼到控制臺(tái)。根據(jù)由主機(jī)控制在每個(gè)房間空調(diào)氣門系統(tǒng)接收的一定的溫度值。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)接收發(fā)送到節(jié)點(diǎn)，控制臺(tái)通過(guò) CAN 總線在接收到控制節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，通過(guò) 12C 總線 讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘， 13 歷芯圖 2 控制臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖片 PCF8563 的時(shí)間，并作相應(yīng)處理，當(dāng)房間的溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將房間號(hào)、時(shí)間、報(bào)警原因等信息傳送至 LCD 進(jìn)行顯示．每個(gè)房間報(bào)警溫度值通過(guò)鍵盤輸入模塊確定，控制臺(tái)在內(nèi)存中輸入和存儲(chǔ)過(guò)程中相應(yīng)的值。 2． 2 CAN 總線接口設(shè)計(jì) CAN 總線通信的波特率高達(dá) 1Mb／ s，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá) lOkm； CAN 總線通信采用短幀結(jié)構(gòu)，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間短，受干擾的概率低，并且 CAN 總線協(xié)議有良好的檢錯(cuò)措施，因此 CAN 總線通信的可靠性較高，可以應(yīng)用于有較強(qiáng)干擾的環(huán)境． CAN 總線定義網(wǎng)絡(luò)中的每一節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一地址，在實(shí)際應(yīng)用中， CAN 總線最多可掛 110 個(gè)節(jié)點(diǎn)．基于 CAN 總線通信對(duì)于傳送的信息幀可以設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)，并通過(guò)總線仲裁機(jī)制使高優(yōu)先級(jí)的信息能夠被優(yōu)先、及時(shí)地傳送，保證了更重要的信息能及時(shí)地被傳送，從而增加了 CAN 總線通信的實(shí)時(shí)性． CAN 總線接口采用 PHILIPS 公司生產(chǎn)的 CAN 控制器 SJAl000 和 CAN 驅(qū)動(dòng)器PCA82C250． SJAl000 是集成的獨(dú)立 CAN 控制器 (與 PHILIPS 早期的 CAN 控制器 PCA82C200完全兼容 )，負(fù)責(zé)完成 CAN 總線通信協(xié)議的物理層 和數(shù)據(jù)鏈路層的功能閣． SJAl000 內(nèi)置控制寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和收、發(fā)寄存器等，單片機(jī)就是通過(guò)讀寫(xiě)這些寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) SJAl000 的控制；芯片的 TXO、 RXO 引腳用于與 CAN 總線收發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片相連． PCA82C250 是專門用于 CAN 總線收發(fā)驅(qū)動(dòng)的 8 腳芯片， TXD、 RXD 引腳分別接收和發(fā)送 CAN 總線控制器的信號(hào)；雙絞線 (同軸電纜 )傳輸介質(zhì)分別接至 CANH、 CANL 引腳．考慮到使用現(xiàn)場(chǎng)可能有各種各樣的干擾，在 CAN 控制器和驅(qū)動(dòng)器之間增加高速光耦隔離器件(6N137) [6]． 2． 3 節(jié)點(diǎn)硬 件設(shè)計(jì) 控制節(jié)點(diǎn)主要包括 CAN 總線接口、控制模塊和溫度傳感器 DSl8820，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示． Dallas 半導(dǎo)體公司最新單 線 數(shù) 字 溫 度 傳 感 器DSl8820 是一款體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化溫度傳感器．現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的 抗 干擾 性 ，并 且支 持35． 5V 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便． DSl8820 內(nèi)部 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前用激光光刻寫(xiě)好的，它可以看作是該 DSl8820 的地址序列碼． 64 位光刻 ROM 的排列是：開(kāi)始 8 位是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，DSl8820 的產(chǎn)品系列碼固定為 28H；接著的 48 位是該 DSl8820 自身的序列號(hào)，而這 48 位序列號(hào)為全球唯一的，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼．利用 DSl8820 ROM 中的序列號(hào)作為 1 一 Wire 網(wǎng)絡(luò)中的地址，唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)傳感器，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DSl8820 的目的． 根據(jù) Dallas 公司提供的 DSl8820 資料，每根單線總線上最多可以掛 248 個(gè) l— Wire 器件tTl．但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并非如此．當(dāng)一根單線總線上所掛的 DSl8820 超過(guò) 8 個(gè)時(shí)，就需要解決控制節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)對(duì)單線總線的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，否則單片機(jī) 就不能正確實(shí)現(xiàn)對(duì) DSl8820 的讀寫(xiě)．同圖 3 控制節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 共 4 頁(yè) 第 3 頁(yè) 時(shí)，連接 DSl8820 的總線電纜也是有長(zhǎng)度限制的，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜作為總線傳輸測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)時(shí)，長(zhǎng)度超過(guò) 50m 時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤．當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通信距離可達(dá) 150m．因此該系統(tǒng)每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)一根單線總線最多接 8 個(gè) DSl8820，這樣設(shè)計(jì)的目的既能保證單片機(jī)對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也能滿足通信距離不超過(guò) 150m，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行． 系統(tǒng)構(gòu)成包括控制臺(tái)和控制節(jié)點(diǎn)兩部分，因此軟件設(shè)計(jì)主要包括控制臺(tái)程序設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部 分，控制臺(tái)程序結(jié)構(gòu)如圖 4 所示． 3． 1 控制臺(tái)軟件設(shè)計(jì) 控制臺(tái)程序從大模塊上劃分為初始化和主調(diào)度兩塊．初始化部分僅在上電啟動(dòng)或復(fù)位時(shí)運(yùn)行一次；主調(diào)度主要包括 CAN 信息幀處理、鍵盤按鍵處理、顯示處理和報(bào)警、數(shù)據(jù)和時(shí)間處理、中斷控制等部分 . 主調(diào)度主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各個(gè)子任務(wù)的運(yùn)行，主調(diào)度巡查各個(gè)子任務(wù)激活條件，當(dāng)激活子任務(wù)的事件發(fā)生時(shí)，將激活該子任務(wù)運(yùn)行，否則跳過(guò)這一子任務(wù)；如果有多個(gè)激活條件出現(xiàn)，主調(diào)度負(fù)責(zé)仲裁．系統(tǒng)初始化的功能是建立系統(tǒng)使用環(huán)境，包括 CAN 總線接口初始化、時(shí)鐘芯片初始化等． CAN 信息幀處理模塊主要實(shí)現(xiàn)利用 CAN 總線實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)和各控制節(jié)點(diǎn)之間的通信．鍵盤按鍵處理模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤的輸入按鍵的識(shí)別及相關(guān)處理．顯示處理和報(bào)警模塊則實(shí)現(xiàn)根據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)間處理模塊處理的結(jié)果傳送至 LCD 顯示，并控制報(bào)警系統(tǒng)．?dāng)?shù)據(jù)和時(shí)間處理模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)從CAN 總線接口接受來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存到 AT24C128 中，并根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間和溫度報(bào)警設(shè)定值做相應(yīng)的處理．最后的中斷控制模塊用實(shí)現(xiàn) CAN 總線接以口實(shí)時(shí)通信和鍵盤按鍵實(shí)時(shí)響應(yīng)．