基于CAN网络的高楼自动窗控制器设计.doc

毕 业 设 计基于CAN网络的高楼自动窗控制器设计房柳煌200730580309指导教师 学院名称工程学院 专业名称电子信息工程论文提交日期2011年5月 论文答辩日期 2011年5月答辩委员会主席 _评 阅 人 _摘 要本介绍了一种以意法半导体公司的STM32系列单片为主要控制器，采用CAN网络作为通讯方式的高楼电动窗控制器的设计，阐述了整个设计的选题背景、工作原理、硬件设计、软件设计、实验演示等各个部分。详细论述了CAN网络通讯方式在楼宇自动化上的工作特点与STM32 系列单片机的工作原理与编程特点。该设计的整个网络是通过主控制器上的触摸屏来控制，以L6203直流电机控制芯片驱动电机，根据外界环境情况（火灾、下雨、刮风）通过CAN总线组成高楼上多个窗户的开窗机控制网络系统，同时该设计可以在火灾发生的情况下通过楼下主机控制高楼窗户保持常开，加大空气流通，减少人员伤亡，解决高楼上窗户控制不便的问题，同时在紧急情况下减少事故发生等不必要的损失。关键词：CAN 开窗机 STM32 单片机目 录1 绪论2 CAN网络自动窗控制器整体描述2.1 自动窗控制器网络组成2.2 自动窗控制器主机硬件系统2.3 开窗机硬件系统架构3 CAN总线技术概述3.1 CAN总线介绍3.2 CAN网络协议3.2.1 CAN数据帧类型3.2.3 编码3.3 CAN总线的发展趋势4 STM32系列单片机原理及其应用4.1 STM32F103VBT6芯片功能简介4.2 STM32F103C6T6芯片功能简介4.3 本设计中使用到的外设原理详述5 CAN网络自动窗控制器硬件设计5.1 STM32F103C6T6最小系统设计5.2 CAN接口电路设计5.2.1 TJA1050CAN电平转换芯片原理及其应用5.2.2 CAN接口电路5.3 TFT触摸屏接口设计5.3.1 TFT触摸屏介绍5.3.2 TFT触摸屏接口电路5.4 电机控制电路设计5.4.1 电机驱动芯片L6203原理及应用6 CAN网络自动窗控制器软件设计6.1 开窗机控制流程图6.2 STM32驱动程序设计6.3 电机PWM控制程序设计6.4 CAN节点通信程序设计7 总结与收获8 致谢参考文献1 绪论近年，欧洲、北美、日韩地区，住宅窗体产品的启闭方式已开始向自动化防线发展，如德国的诺托、意大利的图兰朵、韩国的LG等，均在设计开发自动化窗体的生产。在中国，自动化窗体正在逐步为人们所重视，不仅各种进口的自动窗和自动窗开窗器出现在中国的市场上，而且国内一些实力较强的公司开发的产品具备完全的自主只是从产权，技术先进，功能完善的各国自动窗逐步成为国内市场的主题，越来越多的自动窗体被应用到各种建筑当中，由于自动窗是刚刚发展起来的新产品，还没有形成成熟、稳定的行业，尚未形成统一的行业标准和规范，因此目前市场上生产的自动窗产品在各方面的差异非常大，多数产品还不能算是成熟，完善的自动窗。在国内经过上海大火灾，国家与公民对房屋火灾的安全意识不断加强，对火灾的逃生条件与要求越来越高，而自动窗正是针对这样的一种情况设计的。最大的缺点是，国内的自动窗都是单独控制，没有组成控制网络，控制起来十分不方便，并且需要多个控制开关，尤其是在紧急情况，例如火灾发生的情况下，对高楼的损失十分巨大，基于上述情况，本设计可以在机房控制的自动窗，通过在主机可以控制多个窗户的状态，避免紧急情况下造成的饿不必要的损失，在组网方式来看，主要是通过485与CAN总线的优劣势我选择了CAN总线作为组网的方式。自动窗设计目的，在现代社会，对室内设计而言，窗帘不仅具有遮光的作用，更具有美化的功能，他不仅仅可以协调居室的色彩搭配，而且可以柔化空间造型的线条，营造温馨惬意的环境，随着单片机芯片的集成度越来越高以及生产成本逐步降低，现在很多厂家生产的自动窗帘控制系统都是有主机和各种传感器、报警器以及一些列机械传动装置组成的一种具有智能化，人计划，网络化的高科技产品。本课题设计的自动窗是一种新兴技术，与电子、通信、光、IT技术组合，形成自动开启、关闭的新型窗体产品，将成为窗体产品中最具生命力的新星。其作用是在火灾发生的情况下，及时打开逆风方向的窗户排除室内的烟气，防止人员伤亡，同时可以关闭顺风方向的窗户防止火势蔓延，有效的减少了火灾造成的财务与人员伤害。在正常情况下，可以根据外界的风速、下雨情况对窗户做到安全控制。通过本课题的研究，对本单片机系统开发、电机驱动、CAN网络组网等技术有了比较深入的了解，巩固了专业知识，并且把专业知识应用到实际生活中。2 CAN网络自动窗控制器整体描述2.1 自动窗控制器网络系统组成自动窗控制器网络主要由一个主机和多个从机组成，主机在大楼机房通过CAN总线数据通信的方式控制各个开窗机的开关，主机上的控制使用的是TFT触摸屏，当按下触摸按键后，发送数据到开窗机，通知开窗机按照主机的工作命令执行，同时在主机TFT屏幕上显示开窗机的当前状态，控制模型如下图1所示。图 1自动窗控制网络模型2.2自动窗控制器主机硬件系统组成自动窗控制器主机的硬件电路由：stm32系列单片机、电源模块、复位电路、USB通信模块、TFT触摸屏、CAN接口电路等部分组成，如图所示。图 22.3开窗机硬件系统组成开窗机硬件电路主要由stm32处理器、电源模块、CAN接口电流、电机驱动电路、电流检测电路和保护电路等几个部分组成，如图3所示。3 CAN总线技术概述CAN网络即控制器局域网CAN(Controller Area Network),属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。CAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。3.1 CAN总线介绍控制器局域网CAN(Controller Area Net)是一种现场总线，主要用于各种过程检测及控制。 CAN最初是由德国BOSCH公司为汽车监测和控制而设计的，目前CAN已逐步应用到其它工业控 制中，现已成为ISO-11898国际标准。CAN总线有以下特点： l CAN可以是对等结构，即多主机工作方式，网络上任意一个节点可以在任意时刻主动地向 网络上其它节点发送信息，不分主从，通讯方式灵活。 l CAN网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要。 l CAN采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点自动 停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪。 l CAN可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远10 km(5 kb/ s)，节点数目可达110个。 l CAN采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，具有CRC校验和其它检测措施，数据出错几率小。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，不会影响总线上其它节点操作。l 通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊要求，用户接口简单，容易构成用户系统。3.2 CAN总线协议控制器局域网（CAN）为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，主要是定义在数据链路层跟物理层上的一种总线式通信协议，是将ECU连接至总线的驱动电路，同时ECU的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码解码、位定时和同步的实施标准。3.2.1 CAN数据帧类型CAN数据帧由帧起始（Start of Frame）、仲裁场（Arbitration Frame）、控制场（Control Frame）、数据场（Data Frame）、CRC场（CRC Frame）、应答场（ACK Frame）帧结尾（End of Frame）组成。CAN数据帧类型包括：l 数据帧，从发送节点向其它节点发送数据；l 远程帧，向其它节点请求发送具有同一识别符的数据帧 ；l 错误帧，指明已检测到总线错误；l 过载帧，过载帧用以在数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时 。3.2.2发送器/接收器的定义发送器（TRANSMITTER）是产生报文的单元，此单元保持作为报文发送器直到总线出现空闲或此单元失去仲裁（ARBITRATION）为止。接收器（RECEIVER），如果有一单元不作为报文的发送器并且总线也不空闲，则这一单元就被称之为报文的“接收器”。3.2.3 编码帧的部分，诸如帧起始、仲裁场、控制场、数据场以及CRC 序列，均通过位填充的方法编码。无论何时，发送器只要检测到位流里有5 个连续识别值的位，便自动在位流里插入一补码位。数据帧或远程帧（CRC 界定符、应答场和帧末尾）的剩余位场形式相同，不填充。错误帧和过载帧的形式也相同，但并不通过位填充的方法进行编码。其报文里的位流根据“不返回到零”（NRZ）之方法来编码。这就是说，在整个位时间里，位电平要么为“显性”，要么为“隐性”。3.3 CAN总线的发展趋势CAN总线属于现场总线的一种，在传统的工业控制领域中，大部分的通信采用RS-232、RS-485或RS-422总线。相比之下，RS-232、RS-485或RS-422总线有着通信距离近，通讯速度慢，抗干扰性能差等缺点。通讯一般采用主从方式，通过主站查询方式进行通讯，实时性、可靠性较差。当系统有错误，多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点。基于CAN 总线的分布式控制系统在很多方面具有明显的优越性。L而CAN 的电路结构简单，要求的线数较少，只需要两根线与外部器件互联，使得各控制单元能够通过CAN总线共享所有的信息和资源。达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复的效果。CAN 具有的完善的通信协议，并且可以通过CAN 控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期。CAN支持分布式控制或实时控制，工作于多主方式，网络上各个节点均可以在任一时刻主动发送信息，可以点对点，点对多点以及全局广播方式收发数据。网络中的各节点都可根据总线访问优先权，采用非破坏性总线总裁技术，通信速度快，可靠性高，可大大节省了总线仲裁冲突时间，在网络负载很重的情况下 也不会出现网络瘫痪。CAN没有采用站地址编码，而是对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到数据，这使得CAN 总线的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。CAN总线通过CAN 控制器接口芯片的输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。CAN 总线的信号状态为2种，隐位与显位。当隐位与显位发送出现竞争时，最终结果是显位。在处理冲突时，由于该信号的二值且“单稳态”的特性变得简单，报错帧可以使所有节点很容易地取得一致性的数据，并且保证了节点状态的同步，这种二值特性对CAN 总线的可靠性有很大保障。而且CAN 节点在出现严重错误的情况下，可以自动关闭输出，避免总线上其他节点的操作受影响，从而保证不会因个别节点出现问题，而使得总线处于死锁状态。CAN 总线具有位填充、回读、错误约束、出错自动重发等优点，同时通信速率高、通信距离远、容易实现、且性价比高。CAN总线共享信息和资源，总线的数据通信提高了系统可靠性、实时性、灵活性、可维护性，更好地匹配和协调各个控制系统。随着汽车电子技术的发展具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和处理错误能力的CAN 总线，越来越受到人们的重视。4 STM32系列单片机硬件平台介绍STM32系列单片机是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。Cortex-M3是一个32位的核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位CPU应用的要求。ARM Cortex-M3是一种基于ARM7v架构的最新ARM嵌入式内核，它采用哈佛结构，使用分离的指令和数据总线(冯诺伊曼结构下，数据和指令共用一条总线)。从本质上来说，哈佛结构在物理上更为复杂，但是处理速度明显加快。根据摩尔定理，复杂性并不是一件非常重要的事，而吞吐量的增加却极具价值。除了使用哈佛结构，Cortex-M3还具有其它显著的优点：具有更小的基础内核，价格更低，速度更快。与内核集成在一起的是一些系统外设，如中断控制器、总线矩阵、调试功能模块，而这些外设通常都是由芯片制造商增加的。Cortex-M3还集成了睡眠模式和可选的完整的八区域存储器保护单元。它采用THUMB-2指令集，最大限度降低了汇编器使用率。尤其在工控领域得到了比较广阔的使用，用户要求具有更快的中断速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70%中断。4.1 STM32F103VBT6芯片功能简介STM32F103VBT6嵌入式处理器是意法半导体公司（ST）基于ARM Cortex-M3开发出来的一款32位处理器芯片，如图3所示。图 3 STM32F103VCT6外观STM32F103VCT6嵌入式处理器具有以下特点：l 32位RISC性能处理器；l 32位ARM Cortex-M3结构优化；l 72 MHz 运行频率，单周期访问时速度可达1.25 DMIPS/MHz；l 硬件除法和单周期乘法；l 快速可嵌套中断，612个时钟周期；l 具有MPU保护设定访问规则 ；l 片内具有256KB FLASH，48KB RAM；l 80个快速I/O端口，16个I/O可映射到外部中断，几乎所有的I/O可以忍受5V电压；l 片上集成12Bit A/D、D/A、PWM、CAN、USB、SDIO、FSMC等资源l LCD并行接口，FSMC可以配置成与多数图形LCD控制器的无缝连接，使用这个LCD并行接口可以很方便地构建简易的图形应用环境，或使用专用加速控制器的高性能方案。4.2 STM32F103C6T6芯片功能简介4.3 本设计中使用到的外设原理详述5 CAN网络自动窗控制器硬件设计5.1 STM32F103C6T6最小系统设计图 4 STM32F103C6T6最小系统5.2 CAN接口电路设计5.2.1 TJA1050CAN电平转换芯片原理及其应用TJA1050 是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口。TJA1050可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。其内部原理图如图5.图 5 TJA1050内部原理图主要特性有：l 与“ISO 11898”标准完全兼容；l 高速度(最高可达1M波特)；l 极低的电磁辐射(EME)；l 具带有宽共模范围的差动接收器，抗电磁干扰(EMI)能力极强；l 没有供电的节点不会对总线造成干扰；l 发送数据(TXD)控制超时功能；l 发送禁止时的静音模式；l 在汽车环境下对总线引脚的瞬态保护；l 输入电平与3.3V和5V器件兼容；l 热保护；l 对电源和地的短路保护功能；l 可以连接至少110个节点。 5.2.2 CAN接口电路图 6 CAN接口电路5.3 TFT触摸屏接口设计5.3.1TFT触摸屏简介Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管)，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息,TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）是多数液晶显示器的一种。TFT屏幕的优点如下：l 大面积。九十年代初第一代大面积玻璃基板（300mm400mm）TFT-LCD生产线投产，到2000年上半年玻璃基板的面积已经扩大到了680mm880mm），最近950mm1200mm的玻璃基板也将投入运行。原则上讲没有面积的限制。l 高集成度。用于液晶投影的1.3英寸TFT芯片的分辨率为XGA含有百万个象素。分辨率为SXGA（12801024）的16.1英寸的TFT阵列非晶体硅的膜厚只有50nm，以及TAB ON GLASS和SYSTEM ON GLASS技术，其IC的集成度，对设备和供应技术的要求，技术难度都超过传统的LSI。l 功能强大。TFT最早作为矩阵选址电路改善了液晶的光阀特性。对于高分辨率显示器，通过0-6V范围的电压调节（其典型值0.2到4V），实现了对象元的精确控制，从而使LCD实现高质量的高分辨率显示成为可能。TFT-LCD是人类历史上第一种在显示质量上超过CRT的平板显示器。现在人们开始把驱动IC集成到玻璃基板上，整个TFT的功能将更强大，这是传统的大规模半导体集成电路所无法比拟的。l 低成本。玻璃基板和塑料基板从根本上解决了大规模半导体集成电路的成本问题，为大规模半导体集成电路的应用开拓了广阔的应用空间。l 工艺灵活。除了采用溅射、CVD（化学气相沉积）MCVD（分子化学气相沉积）等传统工艺成膜以外，激光退火技术也开始应用，既可以制作非晶膜、多晶膜，也可以制造单晶膜。不仅可以制作硅膜，也可以制作其他的-族和-族半导体薄膜。l 应用领域广泛。以TFT技术为基础的液晶平板显示器是信息社会的支柱产业，也技术可应用到正在迅速成长中的薄膜晶体管有机电致发光(TFT-OLED)平板显示器也在迅速的成长中。5.3.2 TFT接口电路图 7 TFT接口电路5.4 电机控制电路设计5.4.1 电机驱动芯片L6203原理及应用L6203我ST公司生产的一款DMOS全桥电机驱动芯片，所有的驱动门电路兼容TTL、CMOS电平，其内部原理图如图8所示。图 8 L6203内部原理图L6203特点：l 驱动电压高达48V；l 5A的峰值电流；l 过流保护；l 高驱动效率；l 低导通电阻，发热量小；l 输入频率高达100KHz5.4.2 电机驱动电路图 9 电机驱动电路7 CAN网络自动窗控制器软件设计7.1 开窗机控制流程开窗机的控制是在大楼的机房操作，用户根据需要开关窗户的时候，点击主机上的触摸屏，选择开窗机的位置号码，再选择开窗机需要的状态，之后主机就根据屏幕上的现实信息，通过CAN总线发送到子开窗机上，子开窗机通过识别自己的ID号与开窗机的状态信息，驱动L6203电机对窗户控制开或者关闭，具体流程如图8所示。图 10开窗机控制流程图7.2 STM32驱动程序设计7.3 电机PWM控制程序设计7.4 CAN节点通信程序设计void CAN_Configuration(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; CAN_InitTypeDef CAN_InitStructure; CAN_FilterInitTypeDef CAN_FilterInitStructure; / 配置CAN接收IO口 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = CAN_RX_BIT; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(CAN_PORT, &GPIO_InitStructure); / 配置CAN发送IO口 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = CAN_TX_BIT; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(CAN_PORT, &GPIO_InitStructure); / CAN寄存器初始化 CAN_DeInit(); CAN_StructInit(&CAN_InitStructure); CAN_InitStructure.CAN_TTCM = DISABLE; CAN_InitStructure.CAN_ABOM = DISABLE; CAN_InitStructure.CAN_AWUM = DISABLE; CAN_InitStructure.CAN_NART = DISABLE; CAN_InitStructure.CAN_RFLM = DISABLE; CAN_InitStructure.CAN_TXFP = DISABLE; CAN_InitStructure.CAN_Mode = CAN_Mode_Normal; CAN_InitStructure.CAN_SJW = CAN_SJW_1tq; CAN_InitStructure.CAN_BS1 = CAN_BS1_10tq; CAN_InitStructure.CAN_BS2 = CAN_BS2_7tq; CAN_InitStructure.CAN_Prescaler = 4; CAN_Init(&CAN_InitStructure); CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterNumber = 0; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMode = CAN_FilterMode_IdMask; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterScale = CAN_FilterScale_32bit; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdHigh = 0x2000; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterIdLow = 0x0000; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdHigh = 0x0000; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterMaskIdLow = 0x0000; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterFIFOAssignment = 0; CAN_FilterInitStructure.CAN_FilterActivation = ENABLE; CAN_FilterInit(&CAN_FilterInitStructure); / 使能CAN FIFO0中断 CAN_ITConfig(CAN_IT_FMP0, ENABLE);、/CAN数据发送函数void CAN_Send_Message(CanTxMsg *temp_TXMsg) u32 i = 0; u8 TransmitMailbox = 0; TransmitMailbox = CAN_Transmit(temp_TXMsg); i = 0; while(CAN_TransmitStatus(TransmitMailbox) != CANTXOK) & (i != 0xFF) i+; /发送一个CAN数据tmp_TxMessage.StdId = 0xef; /设定标准标识符,窗户地址tmp_TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA;tmp_TxMessage.IDE = CAN_ID_STD;tmp_TxMessage.DLC = 1; /CAN数据帧长度tmp_TxMessage.Data0=0x01; /CAN数据CAN_Configuration();CAN_Send_Message(&tmp_TxMessage);8 总结与收获 为期一个月的毕业设计即将结束，也就意味着我的大学生活即将结束，但在这一个月的时间里我回顾了很多大学里面所学习的知识和在大学四年当中所用到的实践技能。作为一名电子信息工程专业的本科生，我在大学四年的学习生活中，系统地学习了电子及其相关专业的个门课程。我们的课程以数电、模电为基础，进一步又学习了高频、单片机、嵌入式设计等专业课程。为了更深入的理解并掌握大学所学内容，我的毕业设计课题是的基于CAN网络的高楼自动窗控制器设计，同时选择了由陈润恩老师作为我的毕业设计指导老师。该设计是我寒假实习的一家公司的产品，但是总体设计还不是十分成熟，经过与老师的沟通，完善了这个自动窗控制器的设计，目前的自动窗产品主要是单机控制的，并没有连接网络，是通过控制电机电源正反向来实现电机开关，对于多个窗户控制起来不方便。基于上述情况，准备研发出一款可以在机房控制的自动窗，通过在主机可以控制多个窗户的状态，通过485与CAN总线的优劣势我选择了CAN总线作为组网的方式。目前自动窗在国外已经比较成熟，如德国的诺托、意大利的图兰朵、韩国的LG等。而国内市场刚刚起步，没有大的品牌出现，大多数处于直销状态，但目前国内已经有高楼开始安装这个自动窗，例如广州电视塔等新型建筑已经安装了自动窗，在国内市场前景比较好，这个产品已经有部分房地产建筑商开始采用。在国内经过上海大火灾，国家与公民对房屋火灾的安全意识不断加强，对火灾的逃生条件与要求越来越高，而自动窗正是针对这样的一种情况设计的。通过这次毕业设计使我掌握了做科学研究的基本方法和思路，为今后的工作打下了基础，现将感受总结如