毕业设计（论文）-楼宇智能照明控制系统设计.doc

本科毕业论文 全套设计加扣 3012250582 题 目：楼宇智能照明控制系统设计 院 （部）： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 班 级： 电本 0705 姓 名： 学 号： 导教师： 完成日期： 2011 年 6 月 5 日 山东建筑大学毕业论文 III 目 录 摘 要 V ABSTRACTABSTRACT VI 1 前 言 - 1 - 1.1 选题背景和意义 - 1 - 1.2 课题关键问题及难点 - 2 - 1.3 调研综述 - 2 - 1.3.1 目前国内、国外该项目的研究状况 - 2 - 1.3.2 目前项目的发展趋势 - 3 - 1.4 主要研究内容 - 3 - 2 基于 CAN 总线的系统结构 - 4 - 2.1 CAN 技术简介 - 4 - 2.2 基于 CAN 总线的控制系统网络拓扑结构 - 5 - 2.3 CAN 总线系统的通信方式 - 5 - 2.4 CAN 总线的分层结构 - 6 - 2.5 CAN 总线报文格式与类型 - 7 - 2.5.1 数据帧 - 7 - 2.5.2.远程帧 - 8 - 2.5.3 出错帧 - 8 - 2.5.4 超载帧 - 8 - 2.5.5 错误检测 - 9 - 2.6 本系统结构及特点 - 9 - 山东建筑大学毕业论文 IV 3智能照明系统的硬件设计 - 12 - 3.1 系统简介 - 12 - 3.2 CAN 通信接口模块的设计 - 12 - 3.2.1 芯片介绍 - 12 - 3.2.2 SJA1000 工作原理 - 14 - 3.2.3 基于 SJA1000 的 CAN 总线硬件接口电路设计 - 15 - 3.2.4 采用 MAX232 芯片接口机与单片机的连接 - 16 - 3.3 控制面板模块的设计 - 16 - 3.3.1 74HC164 芯片说明 - 17 - 3.3.2 显示部分设计 - 18 - 3.3.3 键盘部分设计 - 19 - 3.3.4 基于 74HC164 的中断串行键盘硬件设计 - 20 - 3.3.5 矩阵式键盘的按键识别方法 - 21 - 3.4 智能继电器模块 - 21 - 3.4.1 电压-频率变换器 LM331 的介绍 - 21 - 3.4.2 继电器模块基本原理结构 - 23 - 3.4.3 整流模块设计 - 23 - 3.4.4 V/F 转换器 LM331 模块 - 24 - 3.4.5 光电耦合器 6N137 - 25 - 3.4.6 单片机 AT89C51 模块 - 25 - 3.5 传感器模块 - 27 - 3.5.1 热释电传感器的工作原理 - 27 - 3.5.2 芯片介绍 - 28 - 3.5.3 热释电传感器原理 - 30 - 3.5.4 照度传感器的设计 - 31 - 3.5.5 A/D 转换部分 - 32 - 3.6 调光模块 - 34 - 3.6.1 电子镇流器调光功能的主要实现方法 - 34 - 山东建筑大学毕业论文 V 3.6.2 基于 IR2159 的荧光灯可调光电子镇流器的电路设计 - 35 - 3.6.3 基于 IR21592 的调光电子镇流器 - 37 - 3.7 远程控制模块 - 38 - 3.7.1 芯片介绍 - 38 - 3.7.2 工作原理 - 40 - 3.8 看门狗电路 - 42 - 3.8.1 X5045 芯片引脚及功能介绍 - 43 - 3.8.2 看门狗电路的工作原理 - 44 - 3.8.3 基于 X5045 的复位电路硬件设计 - 44 - 3.9 小结 - 44 - 4.智能照明系统的软件电路设计 - 45 - 4.1 CAN 通信接口模块软件设计 - 45 - 4.2 控制面板模块软件设计 - 47 - 4.3 智能继电器模块软件设计 - 49 - 4.5 调光模块软件设计 - 51 - 4.6 小结 - 52 - 5 结 论 - 53 - 5.1 主要结论 - 53 - 5.2 不足与展望 - 53 - 谢 辞 - 55 - 参考文献 - 56 - 山东建筑大学毕业论文 VI 摘 要 随着社会的进步,建筑设计也向着更舒适、安全和节省能源的方向发展。智能照 明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将建筑物内的各种照明器具有 机的连接在一起，实现有效的管理和控制。智能照明系统正是智能家居的趋势之一。 针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点，我们设计开发了基于 CAN 总线技术 的智能照明系统。系统中的智能灯光节点能够根据外界光强自适应调整自身灯光亮度， 周期性采集室内光强、有无人进出等环境信息，并及时响应用户的控制命令。本文主 要介绍了智能调光系统及设计过程中的关键技术环节,包括 CAN 总线技术的应用，系 统网络设计、智能继电器、控制面板、传感器和红外遥控技术,并描述了智能调光系 统的主要应用。 关键词：CAN 总线；智能继电器；智能调光；红外遥控 山东建筑大学毕业论文 VII Design of Building Intelligent Lighting-Control System ABSTRACT Along with the social progress, the design of building towards a more comfortable, safe and energy-saving direction .To achieve effective management and control of. building ,intelligent lighting system make full use of electronic technology, communication and computer network technology to a variety of lighting fixtures within the building together organically. Intelligent lighting system is just the trends of intelligent home. We design and development of intelligent lighting systems . based on CAN bus technology , taking into account that it trouble for wiring, and poor energy efficiency drawback in traditional lighting system. Intelligent node in the intelligent lighting system can according to outside light levels adaptive adjustment its light intensity, collected indoor light intensity periodically, testing if there has people in or out and timely response to user control commands. This paper describes the design of intelligent light system and key techniques in the process, including the CAN- bus technology, the design of network system intelligent relays, control panels, sensors and infrared remote control technology, and describes the major intelligent light system application. Key Words: CAN bus; intelligent relay; intelligent light; infrared remote control 山东建筑大学毕业论文 - 1 - 1 前 言 1.1 选题背景和意义 随着信息控制技术的发展, 现代化建筑中的楼宇自控设备和不同功能的系统越来 越多, 越来越复杂。但无论何种建筑, 也不论该建筑的智能化程度有多高, 照明控制 一直在其楼宇自控系统中占据十分重要的位置。目前，我国照明用电占建筑用电的 20%-30%，该项目是一种基于单片机 89C51 和 CAN 总线的智能照明系统硬、软件设计。 该系统可根据对光强度的不同需求，均匀调节环境内光照强度， 实现室内照明的人 性化、个性化。 传统的控制方法是将被控制的设备用连线引入控制室, 这样不仅造成电力电缆铺 设过多, 增加了投资成本, 而且还大大增加了灯回路的辐射干扰, 对空间电磁环境造 成了污染。智能照明控制系统为现代化建筑楼宇照明提供了新途径微机型灯光控制 系统。它采用网络控制技术,使得照明灯的电力线路可以不再经过控制室,而直接引入 顶棚或马道。这种控制方法不仅可以方便地控制灯光的亮度, 还减少了电力线路及相 应设施投资,减少了灯回路的辐射干扰,而且可以使灯回路采用母线方式布线,线路规 整,便于安装维修。但在目前使用的微机型灯光控制系统中,由于网络通信大多采用 RS-232、RS-485、20mA 电流环等通信方式1,因而普遍存在通信距离短、数据传输 速度慢、误码率高、可靠性差等问题2。CAN 总线是现场总线的一种,具有通信速率 高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等技术 特点和一系列优点。CAN 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。其特点有： （1）CAN 总线通信接口集成了 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、优先级判别等工作。 （2）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。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。 （3）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 总线的微机灯光控制系统就是采用现场总线控制技术3,构成全分散式微机 山东建筑大学毕业论文 - 2 - 灯光控制系统,有效地解决了微机型灯光控制系统的不足。CAN 总线所需的完善的通 信协议4可由 CAN 控制器芯片和接口芯片实现, 大大降低了系统的开发难度、组成 成本, 缩短了开发周期。该系统投资少、功能强、可靠性高、便于扩展, 特别适合大 型的智能办公大厦对灯光设备的控制需要。在市场上具有强劲的竞争力。 1.2 课题关键问题及难点 该课题的关键技术是 CAN 总线技术。CAN（controller area network）是一种 有效支持分布式实时控制的串行通信网络。CAN 总线控制器可工作于多种方式，并采 用无损结构逐位仲裁竞争方式向总线发布数据( 它废除了站地址编码，代之以对通信 数据进行编码，这可使不同节点同时接收到相同的数据，使 CAN 总线构成的网络测 控节点之间的数据通信实时性更强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和灵 活性( 其次，CAN 总线通过 CAN 控制器接口芯片 PAC82C250 的 2 个输出端 CANH 和 CANL 与物理总线相连( 当系统有错误出现多节点同时向总线发送数据时，系统将不 会出现总线短路，损坏某些节点的问题，而且 CAN 节点在错误严重情况下具有自动 关闭功能，保证不会出现 RS485 网络中因个别节点出现问题，使得总线处于“ 死锁” 状态。难点在于采用 CAN 总线技术组网，连接各种类型的照明控制装置，来实现能 量管理，实现照明的定时控制和按需求控制等功能。 1.3 调研综述 1.3.1 目前国内、国外该项目的研究状况 从 20 世纪 60 年代开发了白炽灯、荧光灯、高强度放电灯所使用的电子调光器5， 到 20 世纪 90 年代以来，国外以计算机技术为基础开发出灯光自动调光系统、自动关 停系统和自动补偿系统，也称“智能照明”的新型照明控制系统，并已有定型产品得 以良好的推广和运用，使建筑照明由传统控制走向计算机控制或无人控制的新领域。 自 1984 年美国建成第一座智能建筑以来的十几年中,在世界范围内,智能建筑以一种 崭新的面貌和技术,迅速在各地展开。尤其是亚洲的日本、新加坡、台湾等国家和地 区,为了适应智能建筑的发展,进行了大量的研究和实践,相继建成了一批具有智能化 的建筑。 我国在20世纪(以下同)80年代末着手编制建设部的民用建筑电气设计规范 JGJ/T16-92时,也开始涉及到智能建筑的理念,并提到了楼宇自动化和办公自动化,直 到90年代初智能建筑这一概念才逐渐被越来越多的人们所认识和接受,尤其是在1993- 1995年期间, 全国上下许多大中城市的房地产商都将自己开发兴建的建筑标以“智能 山东建筑大学毕业论文 - 3 - 建筑”, “全智慧型建筑” “3A 型智能建筑”, “5A 型智能建筑”等等, 一时间 智能建筑成了房地产商开发销售的热点。近几年，我国高层建筑迅猛发展，这种智能 型照明控制系统也已悄然进入了我国建筑行业。目前，上海金茂大厦，山东世界贸易 中心等建筑已应用了这种智能型照明控制系统。 1.3.2目前项目的发展趋势 本世纪80 年代以来, 随着计算机技术和网络技术的发展, 带来了信息科学技术 的革命, 尤其是信息高速公路热引发了一场新的革命, 使人们突破了时间、空间及计 算技术的束缚, 实现了多个对象间的直接信息交流。信息成为社会经济、科技等赖以 发展的一项重要资源, 信息化成为一个城市现代化程度的最高标志之一。在国内一些 经济发达的大城市如上海、深圳、大连等, 纷纷开展自己的信息化建设, 建立起集语 言、数据、视频图像为一体的多媒体宽带综合业务数字网, 并将光纤入户作为远期目 标, 故纷纷要求各建筑物或建筑群应建立交换间, 进行电话、数据、电视信息分配, 并规定今后新建灭火系统, 大楼一律采用综合布线系统, 以避免重建或多次反复布线 设计与施工。在这种趋势下照明控制系统也越来越趋向于智能化。现场总线技术被广 泛应用到照明系统中，其控制的系统结构也越来越多样化，从最早的集中式，集散式 向分散式发展，各控制单元的工作独立性不断提高，系统的可靠性和经济性也不断提 高。无线传感网络近几年也被应用到该领域，实现无线控制。 1.4主要研究内容 智能照明控制系统是一个由中央控制器、主通信干线、分支、信息接口及控制终 端等部分构成，是一个对各区域实施相同的控制和信号采样的网络系统。智能照明的 控制终端由调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等单元构成，主控制 器和终端之间通过信息接口等元件来连接，实现控制信息的传输。研究的主要内容如 下: 1）通过阅读中英文文献资料、现场调研，深入了解国内外有关网络技术的发展 现状、产品现状和该项技术在智能照明领域的应用情况。 2）研究网络组网的关键技术，掌握其工作原理和设计方法； 3）研究智能照明的控制方法和节能技术； 4）设计基于嵌入式系统的智能照明控制系统的硬件电路。设计和开发基于 51 单 片机的智能照明控制器；包括：智能继电器、智能调光器、控制面板等。 5)设计并开发基于无线传感器网络的硬件系统； 山东建筑大学毕业论文 - 4 - 6)设计系统的网络架构。 2 基于 CAN 总线的系统结构 智能照明系统一般由传感器(如光线感应器、面板开关等)、执行器(如调光电子 镇流器)、网络通讯单元(路由器、中继器等)以及辅助单元(如电源)等组成，遵循统 一的网络协议，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环 境的光亮度进行精确设置和合理管理。此外智能照明系统中还可对荧光灯进行调光控 制，由于荧光灯采用了有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高 了功率因数，降低了低压无功损耗。因此，在灯具制造工艺相同水平的情况下，在建 筑物中采用智能照明系统不仅能操作简单，管理维护方便，还可以满足工作/生活多 样性需求，并且可以有效地达到节能的目的。 本系统主要可以划分为硬件设计部分和软件设计部分。其中硬件设计部分有： CAN 接口控制器模块，控制面板（键盘和显示）模块，智能继电器模块，传感器模块， 调光模块，远程控制模块。 2.1 CAN 技术简介 CAN（Control Area Networker）即控制器区域网，是主要用于各种设备检测及 控制的一种网络。CAN 最初是由德国 Bosch 公司为汽车的检测、控制系统而设计的。 由于 CAN 具有独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。 由于 CAN 总线具有以上的一些特点，为工业控制系统中高可靠性的数据传送提供了一 种新的解决方案。其在国外工业控制领域已经有了广泛的应用，现国内的许多工业控 制领域也开始基于 CAN 的现场控制总线。CAN 总线已成为最有发展前途的现场总线之 一。 CAN 的技术特征： (1)数据信号采用差分电压传输,两条信号线“CAN_H”和“CAN_L”,它们在静态 均 2.5V,此时为逻辑状态“1”,也称作“隐性” ；“CAN_H”比“CAN_L”高,一般为 CAN_H=3.5V、CAN_L=1.5V,表示逻辑“0”,称为“显性” 。 (2)CAN 总线传输介质可用双绞线、同铀电线或光纤,具有较强的抗干扰能力,同时 可满足本安防爆要求等。直接通信距离最大可达 l0km(速率小于 5kbps),最高通信速 率可达 1Mbps(此时距离最长为 40m)。 (3)CAN 可以以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网 山东建筑大学毕业论文 - 5 - 络上的其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活。 (4)CAN 可以点对点、点对多点及全局广播方式传送接收数据。 (5)CAN 网络上的节点信息可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求。 (6)CAN 采用非破坏性总线仲裁技术。 (7)CAN 采用短帧结构,每一帧为 8 个字节,保证了数据出错率极低。数据帧从一个 发送节点传送数据以一个或多个接收节点,一个数据帧由七个不同的位场组成:帧起始、 仲裁场、控制场、循环冗余校验(CRC)场、应答场、帧结束。它被公认为最有发展前 途的现场总线之一。 (8)CAN 总线有一个公开的、全世界都遵从的国际标准,因而具有很好的开放性。 CAN 系统具有很好的数据兼容性。 2.2 基于 CAN 总线的控制系统网络拓扑结构 网络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础， 它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。网络拓扑结构按照几何图形形 状可分为 4 种类型:总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑和网状拓扑，这些形状也可以混 合构成混合拓扑结构。按照 CAN 总线协议，CAN 总线可以是任意拓扑结构的，但一般 来说，CAN 总线主要有总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑和网状拓扑这 4 种常见的拓扑 结构。 在该系统的设计中我们采用总线式结构,总线拓扑结构是单根电缆组成，该电缆 连接网络中所有节点。单根电缆称为总线，它仅仅只能支持一个通道，所有节点共享 总线的全部带宽。在总线网络中，当一个节点向另外一个节点发送数据时，所有节点 都将侦听数据，只有目标节点接收并处理发给它的数据后，其他节点才能忽略该数据。 基于总线拓扑结构的网络很容易实现，且组建成本低，但其拓展性较差。当网络中节 点增加时，网络性能将下降。此外，总线网络的容错能力较差，总线上的某个中断或 故障将会影响整个网络的数据传输。因此，很少 CAN 总线网络采用一个单纯的总线拓 扑结构的。 2.3 CAN 总线系统的通信方式 CAN 总线系统根据节点的不同，可以采取不同的通信方式以适应不同的工作环境 和效率。它可以分为多主式(Multi 一 masetr)结构和主从式 (Infra-structure)结构 两种。 (1)多主式结构 山东建筑大学毕业论文 - 6 - 网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上地其他节点发送信息，而不分 主从，不需占地址节点信息，通信方式灵活。在这种工作方式下，CAN 网络支持点对 点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。为避免总线冲突，CAN 总线采用非 破坏性总线仲裁技术，根据需要将各个节点设定为不同的优先级，并以标识符(ID)标 定，其值越小，优先级越高，在发生冲突的情况下，优先级低的节点会主动停止发送， 从而解决了总线冲突的问题。这是 CAN 总线的基本协议所支持的工作方式，无需上层 协议的支持。 (2)主从式结构 CAN 总线在主从式通信方式下工作时，其网络各节点的功能是区分的，节点间无 法像多主式结构那样进行平等的点对点信息发送。在主从式结构系统的通信方式下， 整个系统的通信活动要依靠主站中的调度器来安排。如果系统调度策略设计不当，系 统的实时性、可靠性就会很差，而且容易引起瓶颈向题，妨碍正常有效的通信。所以 采取主从式结构的网络都需要采取必要的措施去解决瓶颈问题。目前的 CAN 网络一般 采用多主式和主从式结合的结构，这种结构比较灵活又具有较高的实时性和可靠性。 在该系统的设计中我们将这两种通信方式综合起来使用,来方便控制各个节点的 工作,并适时的接受各节点传送的数据。 2.4 CAN 总线的分层结构 CAN 总线遵循 IS0/0SI 标准模型，分为数据链路层和物理链路层。 （1） 数据链路层 数据链路层包括逻辑链路控制子层 LLC 和媒体访问控制子层 MAC。逻辑链路子层 LCC 的作用范围如下: 为数据传送和远程数据提供请求服务。 确认由 LLC 子层接受的报文实际已被接收。 为恢复管理和通知超载提供信息。 介质访问控制子层 MAC 的作用主要是传送的规则，也就是控制帧的结构，执行仲 裁，错误检测，出错的标定，故障界定。MAC 也要确定为新一次的发送，总线是否开 放或者是否马上结束。定时特性也是 MAC 子层的一部分。 （2）物理层 物理层分为物理信号、物理媒体连接与介质从属接口三部分，完成电气连接，实 现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码功能。物理层规定了 CAN 总线电平 山东建筑大学毕业论文 - 7 - 的两种状态：“显性(Dominant)，和“隐性(Ressive)。 “显性”数值表示逻辑“0” ， “隐性”数值表示逻辑“1” 。 VCAN-H 和 VCAN-L 为总线收发器与总线之间两接口引脚， 信号以两线之间的差分电压形式出现。在隐性状态，VCAN-H 和 VCAN-L 被固定在平均 电压电平附近，Vdiff 近似于 0。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位，显性位以 大于最小阀值的差分电压表示。 2.5 CAN 总线报文格式与类型 CAN 报文有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有 11 位标识 符的帧称之为标准帧，含有 29 位标识符的帧为扩展帧。但无论是哪种帧格式，都含 有以下 4 种不同类型的帧: （1）数据帧(Data Frame):数据帧将数据从发送器传输到接收器。 （2）远程帧(Remote Frame):总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的 数据帧。 （3）错误帧(Error Frame):任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 （4）过载帧(Overioad Frame):过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的 延时。 2.5.1 数据帧 数据帧由 7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、 应答场和帧结束。 l)帧起始:它标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位构成。只在总线处于 空闲状态时，才允许节点开始发送。所有节点都必须同步于首先开始发送的那个节点 的帧起始前沿。 2)仲裁场:在标准格式中，仲裁场由 11 位标识符和远程发送请求位 RTR 组成，标 识符为 ID.28-ID.18。在扩展格式中，由 29 位标识符、替代远程请求 SRR 位、帧结构 标识位 IDE 和 RTR 组成，标识符为 ID.28-ID.0。标识符的最高位 ID.28 最先被发送 RTR 位在数据帧中必须是显位，而在远程帧中必须为隐位。SRR 位为隐位，在扩展格 式中，它在标准格式的 RTR 位上被发送并替代标准格式中的 RTR 位。IDE 位在标准格 式中以显性电平发送，而在扩展格式中为隐性电平。 3)控制场:包括 4 位数据长度码 DLC 和两个保留位。两个保留位必须发送显性位， 但接收器认可显位与隐位的全部组合。数据长度码 DLC 指出数据场的字节数目。一个 数据帧允许发送的数据字节数目为 0-8，不能使用其他数值。 山东建筑大学毕业论文 - 8 - 4)数据场:由数据帧中被发送的数据组成，它可包括 0-8 个字节，每个字节 8 位。 首先发送的是第一个字节的最高位。 5)CRC 场:包括 CRC(循环冗余码校验)序列，后跟随 CRC 界定符(l 个隐性位)。 6)应答场(ACK):为两位，包括应答间隙和应答界定符。在应答场中发送节点送出 两个隐性位。一个正确接收到有效报文的接收器，在应答间隙，将此信息通过发送一 个显性位报告给发送器，此时发送器发出的隐性位被改写为显性位，表明至少有一个 接收器已经正确接收。后续的应答界定符为一个隐性位。因此，应答间隙被两个隐性 位(CRC 界定符和应答界定符)包围。 7)帧结束:由 7 个隐性位组成的标志序列界定。 2.5.2.远程帧 当一个节点希望接收某些信息时，可以借助于传送一个远程帧启动信息源节点数 据的发送。远程帧由 6 个不同的位场组成:帧起始、仲裁场、控制场、CRC 场和帧结束。 不同于数据帧，远程帧的 RTR 位是隐性位，也不存在数据场。DLC 的数据值是独立的， 它可以是 0-8 中的任何数值，这一数值为对应数据帧的 DLC。 2.5.3 出错帧 出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各节点的错误标志叠加得到，随后的 第二个场是出错界定符。 错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志(active error flag)，一种是认 可错误标志(Passive error flag)。活动错误标志由 6 个连续的显性位组成，而认可 错误标志由 6 个连续的隐性位组成，除非被来自其他节点的显性位冲掉重写。一个检 测到出错条件的“错误激活”节点通过发送一个活动错误标志进行标注。这一出错标 注形式违背了适用于由帧起始至 CRC 界定符所有场的填充规则，或者破坏了应答场或 帧结束场的固定形式。因而，其他节点将检测到出错条件并发送出错标志。这样，在 总线上被监视到的显性位序列是由各个节点单独发送的出错标志叠加而成的。该序列 的总长度在 6 到 12 之间变化。一个检测到出错条件的“错误认可”节点试图发送一 个错误认可标志进行标注。该错误认可节点自认可错误标志为起点，等待 6 个相同极 性的连续位。当检测到 6 个相同极性的连续位后，认可错误标志即告完成。出错界定 符包括 8 个隐性位。错误标志发送后，每个节点都送出隐性位，并监视总线，直到检 测到隐性位。此后开始发送剩余的 7 个隐性位。 2.5.4 超载帧 山东建筑大学毕业论文 - 9 - 超载帧包括两个位场:超载标志和超载界定符。存在两种导致发送超载标志的超 载条件:一个是接收器未准备好;另一个是在间歇场检测到显性位。由前一个超载条件 引起的超载帧在检测到显性位的后一位开始。在大多数情况下，为延迟下一个数据帧 或远程帧，两种超载帧均可产生。 超载标志由 6 个显性位组成。全部形式对应于活动错误标志形式。超载标志形式 破坏了间歇场的固定格式，因而，所有其他节点都将检测到一个超载条件，并且由它 们开始发送超载标志。第 6 个显性位违背了引起出错条件的位填充规则。 超载界定符由 8 个隐性位组成。超载界定符与错误界定符具有相同的形式。发送 超载标志后，节点监视总线直到检测到由显性位到隐性位的发送。在此节点上，总线 上的每一个节点均完成送出其超载标志，并且所有节点一致地开始发送剩余的 7 个隐 性位。 2.5.5 错误检测 CAN 为了提高抗干扰能力和数据的可靠性，采用了多种错误检测手段。 (l)发送监视。发送站时刻监测它发送的每一位数值，如监视到的总线数值与送 出的数值不同时，则为位错误。 (2)填充错误。在应用位填充方法进行编码的报文字段中，出现第 6 个连续相同 的位电平。 (3)CRC 错误。接收站计算得出的 CRC 序列与接收到的不同。 (4)格式错。固定格式的位场与规定不同。 (5)应答错误。在应答位期间，发送站未检测到主控位。发现错误时，接收站将 发送活动出错标志，而发送站将发送认可出错标志。 2.6 本系统结构及特点 设计本系统的原则，是在保证系统可靠工作的条件下，力图降低成本。分析本系 统的特点是数据传输较低，且各节点间的通讯规律性较强。如图 2.1 所示，网络拓扑 结构采用总线式结构。通讯的主要方式是控制台向各控制器发送控制数据，各控制器 向控制台发回应答信号和检测信息。各控制器之间没有数据传送要求；信息吞吐率较 低，为降低系统成本提供了有利的条件。根据这个特点，总体上作如下选择： 山东建筑大学毕业论文 - 10 - 图 2.1 基于 CAN 总线的总线式结构 （1）网络拓扑结构采用总线式结构。这种结构信息吞吐率低，结构简单且成本 低，可靠性高。 （2）由于 CAN 总线采用多主站仲裁结构，（分地址优先级，非破坏方式仲裁）， 支持主从或广播方式，经过扩展可支持 95*8 个节点，最高通讯速率 1MBPS，最远通讯 距离可达 10 公里（若接专用 CAN 中继器，传输距离会更远，但通讯速率将下降）。 同时 CAN 控制器内部设有接收和发送缓冲区，通讯以帧为单位，最多 8 个字节的数据， 硬件自动进行 16 位 CRC 检验，具有极强的总线和通讯错误的管理能力。 (3)CAN 遵循 ISO 标准模式。具体定义了数据链路层和物理层,在工程上,这两层通 常由 CAN 控制器和收发器实现。CAN 总线控制器通常有两类:一类是在片内的 CAN 微控 制器,采用这种器件可以方便用户制作印刷板,电路图也比较紧凑;另一类是独立的 CAN 控制器,可以使开发人员根据需要选用比较实用的单片机。本系统选择独立的 CAN 控 制器。 (4)该系统的上位机是 PC 机。由于 PC 机有多条扩展槽,利用局域网通信卡,使得 该系统很容易与其他部门连网,便于统一调度和管理。另外,选用 PC 机还可以充分利 山东建筑大学毕业论文 - 11 - 用现有的软件工具和开发系统,方便快捷地设计功能丰富的计算机软件。该系统的控 制台由 PC 机、PC 总线适配卡和相应的软件组成。 (5)传输介质采用双绞线。为了进一步提高系统的抗干扰能力,在控制器与传输介 质之间采取光电隔离。 (6)信息传输采用 CAN 通信协议。该系统的主要通信方式是控制台向各个控制器发 送控制数据以及各控制器向控制台发回各种检测信息。 山东建筑大学毕业论文 - 12 - 3智能照明系统的硬件设计 3.1 系统简介 智能照明控制系统是一个由中央控制器、主通信干线、分支、信息接口及控制终 端等部分构成，是一个对各区域实施相同的控制和信号采样的网络系统。智能照明的 控制终端由调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等单元构成，主控制 器和终端之间通过信息接口等元件来连接，实现控制信息的传输。以下将对各模块 （CAN 通信接口模块，控制面板（键盘和显示）模块，智能继电器模块，传感器模块， 调光模块，远程控制模块）做详细介绍。 3.2 CAN 通信接口模块的设计 3.2.1 芯片介绍 (1)SJA1000 芯片 图 3.1 SJA1000 引角图 引脚说明： AD7-AD0：多路地址/数据总线线。 ALE/AS：ALE 输入信号(INTEL 模式)，AS 输入信号(MOTOROLA 模式)。 CS：片选输入，低电平允许访问 SJAI00000。 RDE：微控制器的/RD 信号(INTEL 模式)或 E 使能信号(MOTOROLA 模式)。 WR：微控制器的/WR 信写(INTEL 模式)或 RD/(/WR)信号(MOTOROLA 模式)。 CLKOUT:SJAIO00 产生的提供给微控制器的时钟输出信号,时钟信号来源于内部振 荡器通过编程驱动，时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚脚。 VSS1:接地。 XTAL1:输入到振荡器放人电路,外部振荡信号输入。注:XTAL1 引脚必须通过 15pF 山东建筑大学毕业论文 - 13 - 的电容连到 VSS1。 XTAL2:振荡放人电路输出,使用外部振荡信号时开路输出。注:XTAL2 引脚必须通 过 15pF 的电容连到 VSS1。 MODE：模式选择输入，1-INTEL 模式，0-MOTOROLA 模式。 VDD3：输出驱动的 5V 电压源。 TXO：从 CAN 输出驱动器 0 输出到物理线路上。 TX1：从 CAN 输出驱动器 1 输出到物理线路上。 VSS3：输出驱动器接地。 INT：中断输出，用于中断微控制器，INT 在内部中断寄存器各位都被置位时低电 平有效;此引脚上的低电平可以把 IC 从睡眠模式中激活。 RST：复位输入，用于复位 CAN 接口(低电平有效),把 RST 引脚通过电容连到 VSS, 通过电阻连到 VDD 可自动上电复位。 VDD:输入到比较器的 5V 电压源。 RXO：从物理的 CAN 总线输入到 SJA1000 的输入比较器，支配(控制)电平将会唤 醒 SJA1000 睡眠模式，如果 RX1 比 RX0 电平高就读支配(控制)电平，反之读弱势电平;如 果时钟分频寄存器的 CBP 被置位就忽略 CAN 输入比较器以减少内部延时(此时连有外 部收发电路);这种情况下只有 RXO 是激活的，弱势电平被认为是高而支配电平被认为 是低。 VSS2：输入比较器的接地端。 VDD1：逻辑电路的 5V 电压源。 SJA1000 是一种 CAN 的独立控制器,用于移动目标和一般工业环境中的局域网控制。 它是 PHILIPS 公司早期 CAN 控制器 PCA82C200 的替代产品,并且增加了一种新的工作 模式 PELICAN,这种模式支持具有很多新特性的 CAN2.0B 协议,因此功能更加强大。它 具有如下特点： (1)完全兼容 PCA82C250 及其工作模式,即 BASICCAN 模式。 (2)具有扩展的接收缓冲器为 64 字节,先进先出(FIFO)。 (3)与 CAN2.0B 协议兼容；支持 11bit 和 29bit 识别码。 (4)位速率可达 1Mbps；24MHz 的时钟频率。 (5)支持 PELICAN 模式及其扩展功能。 (6)支持与不同微处理器的接口。 山东建筑大学毕业论文 - 14 - (7)可编程的 CAN 输出驱动器配置。 (8)增强了温度范围(-40125)。 (2)82C250 芯片介绍 图 3.2 82C250 引脚图 引脚说明： TXD：发送数据输入。 GND：接地。 VCC：提供电压。 RXD：接收数据输出。 Vref:参考电压输出。 CANL：低电平 CAN 电压输入/输出。 CANH：高电平 CAN 电压输入/输出。 Rs:Slope 电阻输入。 3.2.2 SJA1000 工作原理 CAN 总线控制器主要包含:接口管理逻辑 IML、发送缓冲器 TXB、接收缓冲器 TXB.RXFIFO、验收滤波器 ACF、错误管理逻辑 EML、位时序逻辑 BTL、位流处理器 BSF 几个部分。 CAN 核心模块负责 CAN 信息帧的收发和 CAN 协议的实现。接口管理逻辑负责同外 部主控制器的接口,该单元中的每一个寄存器都可由主控制器通过 SJA1000 的地址/数 据总线访问。主控制器可直接将标识符和数据送入发送缓冲区然后置位命令寄存器 CMR 中的发送请求位 TR 启动 CAN 核心模块读取发送缓冲区中的数据,按 CAN 协议封装 成一完整 CAN 信息帧通过收发器发往总线,验收滤波器单元完成接收信息的滤波,只有 山东建筑大学毕业论文 - 15 - 验收滤波通过且无差错才把接收的信息帧送入接收 FIFO 缓冲区且置位接收缓冲区状 态标志 SR.0 表明接收缓冲区中已有成功接收的信息帧。 3.2.3 基于 SJA1000 的 CAN 总线硬件接口电路设计 89C51 具有 64 KB 的寻址空间。本身不带 CAN 控制器,所以要实现与 CAN 总线之间 的通信需外加 CAN 控制器和 CAN 驱动器。在本设计中采用 SJA1000 型 CAN 总线通信控 制器和 AT82C250 型总线驱动器。 由于 MB89P857 不具备 CAN 控制器，本设计中采用 SJA1000 型 CAN 总线通信控制 器。CAN 控制器 SJA1000 的数据线 AD0AD7 连接到 MB89P857 单片机的 P56P49 口， CS 连接到端口 P48， MB89P857 的 P48 作为外部存储器的片选信号。SJA1000 的 RD、WR、ALE 分别与 MB89P857 对应的引脚相连，INT 接 MB89P857 的 INT0 使 MB89P857 可以通过中断方式访问 SJA1000。 图 3.3 CAN 控制原理图 CAN 总线控制硬件电路如图 3.3 所示。从图 3.3 可以看出,硬件电路主要由微控制 器 89C51、SJA1000、CAN 总线收发器和高速光电耦合器 6N137 组成。 微控制器 89C51 负责 SJA1000 的初始化，通过控制 SJA1000，实现数据的接收和 发送等通信任务。 为了增强总线节点的抗干扰能力,SJA1000 的 TX0 和 RX0 并不直接与 PCA82C250 的 TXD 和 RXD 相接,而是通过 6N137 与 PCA82C250 相接,这样,很好地实现了总线上各 节点间的电气隔离。不过,光耦合电路用的 2 个电源 VCC 和 VDD 必须隔离。电源的完 全隔离可采用小功率电源隔离模块实现。这虽然增加了接口电路的复杂性,但却提高 了节点的稳定性和安全性。 山东建筑大学毕业论文 - 16 - 82C250 与 CAN 总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施，82C250 的 CANH 和 CANL 引脚各自通过一个 5 的电阻与 CAN 总线连接，电阻可起到一定的限流 作用，保护 82C250 免受过流的冲击。CANH 和 CANL 与地之间并联了两个 30PF 的小电 容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，两根 CAN 总 线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当 CAN 总线有较高的负电压时，通过 二极管的短路可起到一定的保护作用，82C250 的 RS 脚上接有一个斜率电阻，电阻的 大小可根据总线的通讯速度适当调整，一般在 16K-140K 之间。CAN 接口电路负责各节 点的串行通信，两只 125 欧姆的电阻作为 CAN 线路的匹配电阻。 3.2.4 采用 MAX232 芯片接口机与单片机的连接 图 3.4 PC 机通过 MAX232 与单片机的电路连接 系统工作时，上位机将控制命令经 ISA 总线发送至 CAN 总线通信适配卡，经驱动 电路写入双口 RAM，然后发出中断信号。CAN 通信控制器 DS80C390 收到中断信号后， 从双口 RAM 中取出数据，并以 CAN 总线协议标准,输出驱动电路,光电隔离电路以及 CAN 总线收发器 82C250 发送至 CAN 总线，完成从上位机到单元控制器的数据交换。上 位机接受数据的过程与发送命令的过程相似，方向相反。 3.3 控制面板模块的设计 控制面板它相当于传统照明系统中的照明开关,安装于便于操作的地方,人们可以 通过操作控制面板中的某个按钮,来起动照明系统中的某个灯光控制回路的组合,从而 调用某个灯光场景。它有一般场景调用面板、可编程场景调用面板、时序场景调用面 板和区域联接场景调用面板等。所谓灯光场景,即系统中由不同的照明回路不同的亮 暗搭配而组成的一种灯光效果。这种灯场景可以预设置和记忆在调光模块和开关模块 山东建筑大学毕业论文 - 17 - 中用户可以从控制面板或液晶显示触摸屏上,调动种灯光场景以达到某个照明效果。 控制面板是人机信息交互的界面.用户通过视觉、听觉等途径,了解各智能节点的工作 状态,同时通过按键等输入器件控制电器的工作。 控制面板主要包括单片机、键盘和显示这几部分。 智能照明的显示电路是由单片机来控制的，如显示的内容、显示的方式等。单片 机在智能照明的控制电路中担任着重要的角色,它的选型决定了控制电路的实现方案。 我们利用 74HC164 芯片的串入并出的功能,和单片机进行串行通讯,并行输出口直接驱 动显示器件.这个方案可以扩展单片机的 I/O 口,降低单片机的资源需求,而且,芯片的 安装方法非常灵活,可以减少显示面板的连接导线的数量,提高系统的可靠性,成本方 面也具有较大的优势,在按键和显示驱动电路中得到广泛应用。 3.3.1 74HC164 芯片说明 74HC164 为 8 位移位寄存器,串行输入,并行输出.74HC164 的引脚分布如图(1)所 示.兼容 TTL 电平,最高工作时钟频率 20MHz,扇出系数 10,散耗功率为 500mW,输出电 流 Io(每端)25mA,可以直接驱动 LED 显示器件. 图 3.1 74HC164 引脚图 图 3.2 功能图 山东建筑大学毕业论文 - 18 - 引脚说明： 符号引 脚 说明 DSA1 数据输入 DSB2 数据输入 Q0- Q3 3-6 输出 GND7 地 (0 V) CP8 时钟输入（低电平到高电平边沿触发） /M/R9 中央复位输入（低电平有效） Q4- Q7 10- 13 输出 VCC14 正电源 数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平 使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输 入端接高电平，一定不要悬空。时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0，Q0 是两个数据输入端（DSA 和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建 立时间的长度。主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同 时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。 3.3.2 显示部分设计 单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器,简称 LED(Light Emitting Diode);液晶显示器,简称 LCD(Liquid crystal Display);近几年也有配置 CRT 显示器的。前者廉价，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图像显示，但 接口复