【正文】 .................................................................................. 27 參考文獻 ....................................................................................................... 28 致謝 ............................................................................................................... 30 湖南工業(yè)大學專 科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒論 近年來，現場總線以其全開放、全分散、全數字化，集計算機、通信、控制技術于一體而已成為當今自動化領域技術發(fā)展的熱點，在各種工業(yè)生產過程中得到了越來越廣泛的應用。 CAN總線作為有效支持分布式控制的多主串行 現場總線之一，以其檢錯能力強、通訊硬件接口簡單、通訊介質選擇靈活、可靠性高、實時性強、價格低等特點而被受現場設備互連的青睞，廣泛應用于汽車自動化、樓宇自控、工業(yè)控制等領域。 本文應用 CAN總線技術和單總線數字溫度傳感器 DS18B20， 設計了智能樓宇溫度測控系統(tǒng) 。它實現現場儀表或現場設備的互連，是現場通信網絡與控制系統(tǒng)的集成。模擬信號不僅精度低，而且抗干擾能力差：一對一結構造成了系統(tǒng)接線復雜、工程周期長、安裝和維護費用高且困難：隨著微處理器技術、通信技術和集成電路技術的發(fā)展，自動控制系統(tǒng)逐漸地采用了數字化的現場儀表和現場設備。因此，就對現場儀表和現場設備的互連方式提出了更高的要求?，F場總線是一種實現和維護成本低廉而又能經受工業(yè)現場環(huán)境的通信系統(tǒng)。下面是幾種具有代表性現場總線： 1．基金會現場總線 (FF) 1994年，由 ISPF和 World FIP北美分會聯合成立了現場總線基金會。該總線主要用 于過程自動化。 1990年完成了 PROFIBUSF湖 S和PROFIBUSDP協(xié)議的制定工作， 1994年又制定了用于過程自動化的 PROFIBUSPA通信協(xié)議，可實現總線供電與本質安全防爆。 Lon Works技術采用的 Lon Talk協(xié)議被封裝在稱之為 Neuron的神經元芯片中得以實現。 4． HART HART是 Highway Addressable Remote Transducer的縮寫。它是一種模 3 擬信號與數字信號混合的通信協(xié)議。 此外還有本文所要研究和應用的 CAN(Control Area Network)總線。 CAN 總線產生和發(fā)展 控制器局部網 (CAN— CONTROLLER AREA NETWORK)是 BOSCH公司為現代汽車應用領先推出的一種多主機局部網，由于其卓越性能，現已廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā) 展主要表現為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將 5c 技術 COMPUTER( 計算機 技術 ) 、 CONTROL( 自動 控制技術 ) 、COMMUNICATION(通信技術 )、 CRT(顯示技術 )和 CHANGE(轉換技術 )緊密結合的產物。 典型的分布式控制系統(tǒng)由現場設備、接口與計算設備以 及通信設備組成?，F場總線的研究與應用已成為工業(yè)數據總線領域的熱點。同時，正由于現場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現場總線的應用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現場總線的完善提供更加豐富的依據。由于 CAN在愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。該技術規(guī)范包括 A和 B兩部分。此后， 1993年11月 ISO正式頒布了道路交通運載工具 數字信息交換 高速通信控制器局部網 (CAN)國際標準 2021． 12． 62(IS011898)，為控制器局部網標準化、規(guī)范化推廣鋪平 了道路。此后， CAN通過 ISO11898及 ISO11519標準化，得到國際上許多大公司的支持。 CAN通信接口游硬件實現，完成物理層和數據鏈層功能，其獨特的設計和高度的可靠性，非常適用于分布式實時控制，因此越來越受到工業(yè)界的重視。其特點如下： 1． CAN總線為多主工作方式，網絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不是傳統(tǒng)的主從方式。 3． CAN采用非破壞總線仲裁技術。尤其是在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓情況。 5． CAN報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低。 6． CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響。使得網絡內的節(jié)點個數在理論上是不受限制的。這個問題將在下文中有詳細地討論。而且 CAN總線結構簡單，開發(fā)技術容易掌握。 CAN 總線的特點 （ 1）全數字化通信 5 現場總線系統(tǒng)是一個“純數字”系統(tǒng)，而數字信號具有很強的抗干擾能力，所以，現場的噪聲及其他干擾信號很難扭曲現場總線控制系統(tǒng)里的數字信號，數字先后的完整性使得過程控制的準確性和可靠性更高。這種一對 N結構使得連接簡單，工程周期短。如果增加現場設備或現場儀表，只需要并行掛接到電纜上，無需架設新的電纜。 （ 4）可控狀態(tài) 操作員在控制室即可了解現場設備或現場儀表的工作情況，也能對其進行參數調整，還可以預測或者尋找故障。 （ 5）可換性 用戶可以自由選擇不同控制商所提供的性能價格比 最優(yōu)的現場設備或者現場儀表，并將不同品牌的儀表互聯。 （ 6）互操作性 用戶把不同的制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進行統(tǒng)一組態(tài)，構成其所需的控制回路，而不必絞盡腦汁，為集成不同品牌的產品在硬件或者軟件上花費力氣或增加額外投資。 （ 8）分散控制 控制站功能分散在現場儀表中，通過現場既可以構成控制回路，實現了徹底分散控 制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。 6 （ 10）開放式系統(tǒng) 現場總線為開放互聯網絡，所有技術和標準是公開的，所有制造商必須遵循。 CAN 總線組織的基本規(guī)則 CAN總線基于 以下 5條基本規(guī)則進行組織： （ 1）總線訪問 CAN控制器只能在總線空閑狀態(tài)期間開始發(fā)送，所有 CAN控制器同步于短幀起始的前沿。當許多節(jié)點一起開始發(fā)送時，此時只有發(fā)送具有最高優(yōu)先權節(jié)的點變成總線主節(jié)點，具有不同標識符的兩幀中，優(yōu)先權被標注于幀中，較高優(yōu)先權的標識符具有較低的二進制數值。 （ 3）編碼 /解碼 對于幀起始、仲裁域、控制域、數據域和 CRC序列實用 位填充技術進行編碼。當一個正在接收的 CAN控制器檢測到接收的上述 5種位域的位流中，具有 5個相同極性的連續(xù)位，它將自動刪除下一個接收（填充）位，刪除填充位的電平必須與先前位相反，否則一個填充錯誤將被檢測，并被標注。報文中的位流按照 NRZ(Non Return Zero)方法進行編碼，即位周期期間位電平維持恒定，要么是顯性電平，要么是隱性電平。當檢測到 CRC錯誤時，出錯標識在緊跟應答界定符后的一位開始發(fā)送，除非其它一些出錯的錯誤標識已經開始發(fā)送，出錯標識將破壞位填充或損壞固定形式的位場。 所有可以檢測的錯誤均可在報文發(fā)送時間內被標注，因而使 CAN控制器能很容易的做出對應報文的出錯幀，并初始化已經損壞報文的重新發(fā)送，如果 CAN控制器檢測到出錯幀固定格式的任何偏離，它將發(fā)送一個新的出錯幀。雖然超載幀和出錯幀具有相同的格式，但對它們的處理卻不同，在間歇域期間進行的發(fā)送超載幀不能初始化如何先前的數據幀和遠程幀的重新發(fā)送。 8 第 3 章 溫度 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方案 系統(tǒng)要求 實時監(jiān)測 樓宇內各個房間 溫度變化，并自動控制 房間 空調機的開關狀態(tài)，以保證房間 內溫度處于合適狀態(tài) 。 系統(tǒng)功能要求 設計出溫度監(jiān)控系統(tǒng)的其中一個智能節(jié)點的硬件結構，選用合適的主控芯片和傳感器，完成硬件框圖和硬件之間的連接圖。整個系統(tǒng)由上位監(jiān)控機、 CAN通信 適配卡和多個智能節(jié)點組成，節(jié)點的數量可以根據建筑物的規(guī)模增加和減少。網絡拓撲結構為總線方式，上位監(jiān)控機是抗干擾能力很強的工業(yè) PC機，以 SJA1000芯片作為 CAN總線控制器， AT89C52單片機作為節(jié)點控制器，將其與數字溫度傳感器相連， 82C250芯片作為 CAN收發(fā)器。 本設計中，節(jié)點包括擴展芯片、傳感器、控制設備、收發(fā)器和電源等。上位監(jiān)控機通過通信適配卡與總線相連，用于整個系統(tǒng)的集中監(jiān)控、管理、分析及網絡通信檢測等。它們不僅使用方便、性能可靠，而且價格便宜易于購買。溫度測量采用使用方便，性價比高的單線數字溫度傳感器 DSl8B20。它是 Philips半導體公司 PCA82C200 CAN控制器 (Basic CAN)的替代品，而且它增加了一種新的操作模式 —— PELICAN，這種模式支持具有很多新特 征的 協(xié)議。 IML接收來自 CPU的命令，控制 CAN寄存器的尋址并向主控器提供中斷信息及狀態(tài)信息。 BTL始終監(jiān)視 CAN總線，當檢測到有效的信 息頭“隱性電平 控制電平”的轉換時啟動接收過程，接收的信息首先要由位流處理器 BPS處理，由 ASP過濾。 RXFIFO最多可以緩存 64字節(jié)的數據，該數據可以被 CPU讀取。 CAN控制器工作模式的設定、數據的發(fā)送和接收等都是通過這些寄存器來實現的，時鐘分頻寄存器 OCR用于設定 SJA1000工作于 BASIC CAN模式還是 PELICAN模式 ，還用于 CLKOUT引腳輸出時鐘頻率的設定，在上電初始化控制器時必須首先設定：在工作模式下，控制寄存器 CR用于控制 CAN控制器的行為，可讀可寫；命令寄存器CMR只能寫；狀態(tài)寄存器 SR只能讀；而 IR、 ACR、 AMR、 BTRO、 BTRI、 OCR在工作模式下讀寫無意義。在此模式下 IR、 ACR、 AMR、 BTRO、 BTRI及 OCR均可讀可寫，此時設置相應的初值。當需要發(fā)送信息時，若發(fā)送緩沖器空閑，由 CPU控制信息寫入 TXB，再由 CMR控制發(fā)送；當接收緩沖器 RXFIFO未滿且接收信息通過了 ASP，則接收到的信息被寫入到 RXFIFO。一種方法是，在中斷被使能的情況下，由 SJA1000向 CPU發(fā)送中斷信號， CPU通過 SR及 IR可以識別該中斷，并讀取數據釋放接收緩沖器；另一種方法是直接讀取 SR，查詢 RXFIFO的狀態(tài)，當前的信息被讀取后，接收緩沖器有效信號會再次有效，通過中斷方式或查詢方式可以再次讀取信息，直到 RXFIFO中 的信息被全部讀出為止。 AT89C52 單片機簡介 AT89C52是 51系列單片機的一個型號，它是 ATMAL公司生產的。 AT89C52 單片機的主要性能： （ 1）與 MCS51 產品完全 （ 2） 32 個雙向 I/O 口 （ 3） 8K 可以反復擦寫（ 1000 次） Flash ROM （ 4） 256K 8bit 內部 RAM （ 5） 3 個 16 位可編程定時 /計數器中斷，兩個串行中斷，兩個外部中斷源 （ 6）可編程 UART 串行通道 （ 7）具有 3 級加密存儲器 （ 8）低功耗空閑掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能 CAN 總線收發(fā)器 82C250 芯片簡介 82C250是 PHILIPS公司的 CAN控制器和物理總線之間的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接受能力。 14 保 護 電 路基 準 電 壓斜 率 / 等 待驅 動 器接 收 器376C A N HC A N LG N DP C A 8 2 C 2 5 0V r e fR X DR sT X D12845 圖 82C250功能框圖 RS引腳用于選擇不同的工作狀態(tài)：高速狀態(tài)、斜率控制狀態(tài)和待機狀態(tài)。對于采用非屏蔽雙絞線的系統(tǒng)，為了降低射頻干擾，應選擇斜率控制狀態(tài)。 6N137 光電耦合器 6N137光 電 耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內部有一個 850nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基 鉗位的集電極開路的三極管組成。 6N137光耦合器的特