（控制理论与控制工程专业论文）用于智能建筑的can与bacnet交互网关设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 b a c n e t 标准作为楼宇自控领域的唯一的开放性国际标准，得到了大部分的 智能楼宇设备制造商的支持。而m s t p 协议是b a c n e t 标准的专有协议，作为 楼宇自控网络的底层协议具有很好的性价比，得到了大量的应用。但是m s t p 协议以e i a 4 8 5 作为物理层，以令牌机制进行传输介质的访问控制，对于一些 对实时性要求高的设备和事件，m s t p 的弊病就显现出来。c a n 为多主工作方 式，将节点分成不同的优先级，采用非破坏总线仲裁技术，可满足不同的实时 要求，因此在智能楼宇系统中引入具有c s m a c d 功能的c a n 总线可以弥补 b a c n e t 实时性差的缺点。 本文在分析智能建筑的特点以及楼宇自控设备所要求的通信标准的基础 上，设计了基于p i c 芯片和b a c n e t 标准m s f f p 协议的通信网络。对实时性要 求高的设备设计了c a n 总线底层通信网络。最后完成了两种网络的交互一网关 的设计，并作了相应的测试工作。 首先，介绍了b a c n e t 标准的基本内容，并在此基础上，设计了基于m s t p 协议的b a c n e t 节点模块，实现了基于p i c 2 4 系列微控制器b a c n e t 协议的物理 层、数据链路层、网络层和应用层的软件设计。 其次，对c a n 总线做了较为深入的研究，选用m c p 2 5 1 5 和m c p 2 5 5 1 作 为c a n 总线的控制器和收发器。本文以m c p 2 5 1 5 为基础介绍了c a n 总线。 根据几种较为规范的c a n 应用层协议，开发了一种较实用的c a n 应用层协议， 既保持了c a n 总线固有的可靠、高效性，又简化了系统结构。 再次，通过对整个系统分析，设计了b a c n e t 标准到c a n 总线网关。网关 的硬件是基于b a c n e t 标准m s f f p 协议的底层r s 4 8 5 电路和基于m c p 2 51 5 并 通过s p i 与主微控制器通信的电路。设计了基于p i c 2 4 系列单片机的嵌入式实 时操作系统，在b a c n e t 协议、c a n 应用层的基础上实现了网关的功能。提出 了一种基于p i c l 8 、2 4 系列单片机的高精度软件实时时钟的设计方法。 最后，b a c n e t 节点通过了b a c n e t 协议测试实验室( b t l ) 主持开发的 v t s ( v i s u a lt e s ts h e l l ) 软件进行的一致性测试，c a n 节点通过了c a n 2 3 2 接口 卡和z l g c a n t e s t 软件的测试。网关系统通过了本文设计的上位机测试软件的 测试，在项目中的应用表明c a n 网络的实时性为毫秒级，而b a c n e t 网络的实 i 山东大学硕士学位论文 时性为秒级的，充分证明了设计的可行性、稳定性以及c a n 总线的高效性。 关键词：网关；b a c n e t 标准；c a n 总线；m s t p ；令牌 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa l lo p e ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fb u i l d i n ga u t o m a t i o n , b a c n e ts t a n d a r di s s u p p o r t e db ym o s ti n t e l l i g e n tb u i l d i n g f a c i l i t i e sm a n u f a c t u r e r s m s t pi sa p r o p r i e t a r yp r o t o c o lo fb a c n e ts t a n d a r d ，w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e da sb o r o m p r o t o c o lo fb u i l d i n ga u t o m a t i o nn e tb e c a u s eo fi t sh i g hp e r f o r m a n c ep r i c er a t i o h o w e v e r m s t pp r o t o c o lu s e se i a - 4 8 5a sp h y s i c a ll a y e r ，a n d u s e st o k e n m e c h a n i s ma st h ea c c e s sc o n t r o lo ft r a n s m i s s i o nm e d i u m a sar e s u l t ，t h em s t pi s i n c o m p e t e n t t os o m e h i g h r e a l t i m ef a c i l i t i e sa n de v e n t s c a n b u sh a st h e m u l t i - m a s t e rw o r k i n gm o d e ，a n dd i v i d e sn o d e si n t od i f f e r e n tp r i o r i t yl e v e l s 。 m e a n w h i l ec a na d o p t sn o n d e s t r u c t i v ea r b i t r a t i o nb u st e c h n o l o g y , s oi tc a nm e e t t h ed e m a n df o rr e a l t i m e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt h a tc a n 谢t i lc s m a c d f a c t i o nc a l lb ea p p l i e di ni n t e l l i g e n tb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sd e s i g n e dw i t hp i cc h i pa n dm s t pp r o t o c o lo f b a c n e ts t a n d a r df o rt h ec h a r a c t e r so fi n t e l l i g e n tb u i l d i n ga n dt h ec o m m u n i c a t i o n s t a n d a r dd e m a n d e db yb u i l d i n ga u t o m a t i o nf a c i l i t i e s t h eb o a o mc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ko fc a nb u si s d e s i g n e df o rh i g hr e a l - t i m ef a c i l i t i e s t h ei n t e r a c t i v e g a t e w a y so ft w on e t w o r k sa r ed e s i g n e da n dt e s t e d f i r s t ，t h eb a s i cc o n t e n to fb a c n e ts t a n d a r di si n t r o d u c e da n db a c n e tn o d e m o d u l ei sd e s i g n e db a s e do nm s t pp r o t o c 0 1 s o f t w a r ei sd e s i g n e db a s e do np i c 2 4 s e r i e sc h i p s t h ep h y s i c a ll a y e r , d a t al i n kl a y e r , n e t w o r kl a y e r ，a p p l i c a t i o nl a y e ro f b a c n e ti sr e a l i z e d s e c o n d ，c a nb u si ss t u d i e db ya d o p t i n gm c p 2 5 15 ，m c p 2 5 51a sc o n t r o l l e ra n d t r a n s c e i v e r m e a n w h i l e c a nb u si sd e s c r i b e di nd e t a i lo nt h eb a s i so fm c p 2 515 a c c o r d i n gt os e v e r a ln o r m a t i v ec a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l s ，am o r ep r a c t i c a l c a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li sd e v e l o p e d ，w h i c hn o to n l yk e e p st h ei n h e r e n t r e l i a b i l i t ya n dh i g he f f e c t i v e n e s so fc a nb u s ，b u ta l s os i m p l i f i e st h es y s t e m s t r u c t u r e t h i r d ，t h eg a t e w a yb a c n e tp r o t o c o l ( ：a n b u si sd e s i g n e db ya n a l y z i n gt h e w h o l es y s t e m t h eg a t e w a yh a r d w a r ec o n s i s t so ft h eb o t t o mr s 一4 8 5c i r c u i tb a s e do n i i i 山东大学硕士学位论文 m s t pp r o t o c o lo fb a c n e ts t a n d a r da n dt h ec i r c u i tw h i c hc o m m u n i c a t e sw i t hm a i n m i c r o c o n t r o l l e rt h r o u g hs p i b a s e do np i c 2 4s e r i e sm c u e m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c ht h eg a t e w a y sf u n c t i o ni sr e a l i z e do nt h eb a s i so f b a c n e tp r o t o c o la n dc a na p p l i c a t i o nl a y e r ah i g h - a c c u r a c yd e s i g nm e t h o di s p r o p o s e db a s e do np i c 18 ，2 4s e r i e sm c uf o rr e a l t i m ec l o c k a tl a s t ，b a c n e tn o d ei st e s t e db yv t ss o f t w a r ed e v e l o p e db yb t la n dc a n n o d ei st e s t e db yc a n 2 3 2i n t e r f a c ec a r da n dz l g c a n t e s ts o f t w a r e t h ef e a s i b i l i t y s t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ec a nb u si sp r o v e dt h r o u g ht h et e s to fp cs o f t w a r e d e s i g n e df o rt h eg a t e w a ys y s t e m i v k e y w o r d ：g a t e w a y ；b a c n e tp r o t o c o l ；c a nb u s ；m s t p ；t o k e n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰缅幺毳h期：丝卑：三，! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 1 论文作者签名：潼么导师签名：复刍日期：兰翌：兰! 岫 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 智能建筑产业是随着信息产业的发展而诞生，并迅速发展起来。现代建筑 物的电气发展经历了电气化阶段、自动化阶段和当今的智能化阶段。它是由电 子技术、通讯技术、网络技术、计算机技术、自动控制技术、传感技术及多媒 体技术等一系列最先进技术飞速发展的结晶。特别是智能建筑系统工程，它作 为弱电系统工程的延伸和发展，综合性强，涉及的专业领域更广，新的弱电系 统不断加盟到智能建筑技术领域内。建筑物使用功能现代化的需求和相关技术 的不断更新和进步，共同促进智能建筑弱电系统技术的快速发展。 智能建筑发展到今天，人们对智能建筑的认识和实践也有了根本的变化。 信息技术是实现智能建筑的手段，可持续发展是智能建筑的最基本目标。智能 建筑的最本质特点是智能，楼宇自控网络数据通信协议是这种网络的血液和灵 魂。在所有的自控网络中，b a c n e t 是最具发展潜力和应用最为广泛的开放性楼 宇自控网络协议。而c a n 总线以其稳定性和高效性也在智能建筑的某些特殊领 域发挥着其巨大的作用。 1 2 课题研究现状 1 2 1b a c n e t 标准在智能建筑中的应用 19 8 7 年1 月，由美国a s h r a e ( t h ea m e r i c a ns o c i e t yo fh e a t i n g ，r e f r i g e r a t i n g a n da i r c o n d i t i o n i n ge n g i n e e r s ) 协会发起，着手开始开发和制定一个开放性楼宇 自控网络通信标准。经历了一段漫长而痛苦的酝酿过程，4 年3 次公开评论和 7 4 1 条建议的决议后【l 】，1 9 9 5 年，美国a s h r a e 协会颁布了用于楼宇自控方面 的开放性协议- - b a c n e t ( ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o n a n dc o n t r o ln e t w o r k s ) 协议。b a c n e t 协议是用于楼宇自动化网络的一种数据通 信协议。这种数据通信协议是用来控制网络上数据交换过程的一组标准。2 0 0 3 年1 0 月，在投票国一致赞成的情况下，b a c n e t 标准成为i s o 标准1 6 4 8 4 5 1 2 j 。 b a c n e t 标准是用于楼宇自控网络的数据通信协议，其作用是将各个厂商的 楼宇自控设备集成为一个高效、统一和具有竞争力的自控网络系统。因此，作 为网络，b a c n e t 标准有自己的网络体系结构。在计算机网络的基本概念中，分 1 山东大学硕士学位论文 层次的体系结构是最基本的。b a c n e t 作为一种开放性计算机局域网协议，它仍 然采用o s i 模型的分层通信体系结构的概念。s p c ( s t a n d a r dp r o j e c tc o m m i t t e e ) 确定b a c n e t 标准协议体系结构为一个包含四个层次的分层体系结构，这四个 层次相对于o s i 模型中的物理层，数据链路层，网络层和应用层【8 1 。一个简化 模型如图1 1 所示【3 】【4 】【5 1 。 b a c n e t 协议的层次 b a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s 08 8 0 2 - 2 m s t pp t p ( 主从令牌传( 点对点协 ( ie e e8 0 2 2 ) 类型1 递)议) l o n t a i k s o8 8 0 2 - 2e i a - 4 8 5 e i a - 2 3 2 ( ie e e8 0 2 3 ) a r c n e t ( r s 2 3 2 ) ( r s 4 8 5 ) 图1 1b a c n e t 体系结构与o s i r m 的参照图 对应o s l 的层次 应用层 网络层 数据链路层 物理层 b a c n e t 网络的第一个特点是开放性，b a c n e t 协议是一个完全的开放协议， 任何开发商都可以依据b a c n e t 协议开发出具有互操作性的产品，而不需要使 用专用的芯片。第二个特点是体系结构的简洁性，这个体系结构既继承了t c p i p 网络层次分明的体系结构的特点，又根据控制信息报文短小、实时性要求高的 特征，精简层次的功能，使得协议特别适合控制网络。第三个特点是对底层传 输链路多选择的包容性，b a c n e t 协议将目前流行的几种数据传输链路技术作为 自己的底层传输技术，使得网络的实现成本降低，并且可以与t c p i p 网络共享 传输链路。第四个特点是向应用提供了完整的实现手段，b a c n e t 协议定义的对 象和服务，使得开发商可以按照不同的控制应用进行具体的开发【5 】【5 2 】【7 】。 在楼宇自控网络中，各种设备之间要进行数据交换，为了能够实现设备的 互操作，所交换的数据必须使用一种所有设备都能够理解的“共同语言”。 b a c n e t 的最成功之处就在于采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对 象( o b j e c t ) 来表示任意的楼字自控设备的功能，从而提供了一种标准的表示楼宇 自控设备的方式【9 】【1 0 】。对象模型就是利用面向对象设计和分析( o o d & a ) 的方法 对所有楼宇自控设备进行抽象表示的模型。它将楼宇自控设备看作由具有一定 2 山东大学硕士学位论文 “基本控制功能单元”所组成，且任何楼宇自控设备均可用有限数量的“基本控制 功能单元”进行描述和表示。这些“基本控制功能单元”在b a c n e t 标准中就称为 “对象( o b j e c t ) ”。这种先将楼宇自控设备先分解为有限数量的对象基本元素，后 用这些对象组合进行描述楼宇自控设备的方法具有一般性，可以适用于任何楼 宇自控设备的表示。 在b a c n e t 体系结构中，网络层位于多种局域网技术之上，其作用是屏蔽 不同局域网的差异，向应用层提供统一的“视图”。这就要求网络层不仅仅具有 路由的功能，在不同的b a c n e t 网络间将报文由一个设备传送到另一个远程设 备，或将一个报文广播到另一个远程网络上，而且网络层必须具有灵活的地址 映射功能，以适应不同的局域网m a c 地址的转换，在不同的b a c n e t 网络间进 行报文的转发路由就形成了b a c n e t 网络的主要功能。在楼宇自控网络系统中， 网络节点具有不同的处理能力和通信速度，这就要求楼宇自控系统可以由不同 的局域网构成。b a c n e t 标准在考虑了速度、易得性、应用性、兼容性和价格等 因素提供了4 个局域网和1 个点对点( p t p ) 协议。由于各种原因我们常用的有 i s 0 8 8 0 2 3 、m s t p 和p t p 三种。其中，以太网的应用最广，几乎所有的楼宇 均将以太网作为管理级的网络。m s t p 主要在楼宇自控网络的现场级应用较为 广泛。p t p 则是某些特殊应用的唯一选择。由于a r c n e t 和l o n t a l k 都是专有协 议，虽然均为开放协议，但是前者在我国应用很少，后者开发费用较高，其应 用受到限铝0 。 b a c n e t 对象是一种完全由属性数据项组成的集合，它表示楼宇设备中“网 络可见”的部分，定义了一个抽象的互操作接口。互操作可以看作是b a c n e t 对 象间的信息交换，这种信息交换是从b a c n e t 对象外部进行的，因此对b a c n e t 对象的访问就必须定义操作的“命令”或“消息”，并要求包含b a c n e t 对象 的宿主环境能够接收，发送和解释“命令”或“消息”的语义，并对b a c n e t 对象的属性进行操作，然后再由宿主环境中的其他进程或线程根据b a c n e t 对 象的属性值实现相关的楼宇功能，如启停风机，打开关闭阀门等。这种“命令” 或“消息就定义为“服务( s e r v i c e ) 。通过服务，b a c n e t 设备可以查询另一 个设备的数据，或命令另一个设备执行某些操作，或向其他设备主动声明或通 告发生的事件或报警。简单地说，服务是对“命令”或“消息”及其操作参数 3 山东大学硕士学位论文 的编码，这是一种静态的观点。如果从通信交互的过程来看，服务不仅是对“命 令”或“消息 及其操作参数的编码，而且也具有要求接受服务的环境对服务 是否应答的信息。服务所产生的一系列行为在时间上是严格排序的，由此形成 服务的时序( t i m i n g ) ，因此有关服务的内容就包含编码方式、编码格式，以及蕴 含的时序行为三个主要内容。从是否应答的时序行为上来分，服务可以分为“确 认服务和“非确认服务 两类，b a c n e t 标准分别用“c 和“u ”来表示这 两类服务。 现在世界上一些从事楼宇自控的专业公司已经开始全面的接受b a c n e t 协 议，并且从b a c n e t 协议颁布以来就开始开发相应的产品，如a b b ，s i e m e n s ， h o n e y w e l l 等公司就宣布其产品全面支持和应用b a c n e t 协议。该标准并不关注 实现手段，因此生产商不依赖特定的开发器、芯片或软件，生产商可以自由选 择各具特色的实现方式。而且，该标准还可以对以前安装的建筑设备进行统一 集成，为业主提供了极大的便利【l l 】。 1 2 2c a n 总线应用现状 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ) 是一种现场总线，主要用于各种过 程检测及控制。c a n 最初是由德国b o s c h 公司为汽车监测和控制而设计的， 目前c a n 已逐步应用到其它工业控制中，现已成为i s o 11 8 9 8 国际标准。当时， 由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子 操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连 接信号线口2 1 。提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子 控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的 网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1 9 9 3 年，c a n 已成为国 际标准i s 0 11 8 9 8 ( 高速应用) a ni s 0 115 1 9 ( 低速应用) 。 c a n 总线硬件连接简单，有良好的可靠性、实时性和性能价格比，能够满足 现代自动化通信的需要，已成为工业数据总线通信领域中最为活跃的一支。其 主要特点1 2 1 是： ( 1 ) c a n 总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传 送数据，能满足实时性要求； ( 2 ) c a n 总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能； 4 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) c a n 总线上每帧有效字节数最多为8 个，并有c r c 及其他校验措施， 数据出错率极低，万一某一节点出现严重错误，可自动脱离总线，总 线上的其他操作不受影响； ( 4 ) c a n 总线只有两根导线，系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上即 可，因此走线少，系统扩充容易，改型灵活； ( 5 ) c a n 总线传输速度快，在传输距离小于4 0m 时，最大传输速率可达1 m b s ( 6 ) c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，在c a n 2 0 b 标准中，其 报文标识符几乎不受限制。 ( 7 ) c a n 总线为多主站总线，各节点均可在任意时刻主动向网络上的其他 节点发送信息，不分主从，通信灵活； 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作 性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。 国际标准组织的开放系统互连( i s o o s i ) 模型将各种协议分为七层，自下 而上依次为：物理层、链路层、网络层、传送层、会话层、表达层、应用层【1 3 1 。 c a n 总线遵从i s o o s i 模型，以确保可以在任何两个c a n 器件之间建立兼容 性。不过考虑到c a n 总线主要应用于工业控制底层网络，其单次传输的信息量 较小，实时性要求较高，因此综合考虑i s o o s i 基准模型，将c a n 结构划分为 两层：数据链路层和物理层，其分层结构如图1 2 所示，而应用层可以由用户 自行定义。 物 理 层 接收滤波 超载通知 恢复管理 数据封装拆装 帧编码 媒体访问管理 错误检测 出错标定 应答 串行化 填充解除填充 位编码解码 位定时 同步 总线故障管理 图1 2c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 5 山东大学硕士学位论文 由于c a n 总线的突出优点，深得许多工业应用部门的青睐，其应用由最初 的汽车工业迅速发展至数控机床、农业机械、铁路运输、粮情检测、过程测控 等各个方面。c a n 在国外的发展迅速，奔驰s 型轿车采用的就是c a n 总线系 统；美国商用车辆制造商们也将注意力转向c a n 总线；美国一些企业已将c a n 作为内部总线应用在生产线和机床上。由于c a n 总线可以提供较高的安全性， 因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到了广泛应用。 随着智能楼宇的发展，c a n 总线技术在楼字自动化系统的应用越来广泛。 c a n 总线可以应用于火灾自动报警系统【1 4 】，安防报警系鲥15 1 ，安全监控系统【1 6 】 中。 1 3 本课题的研究内容及意义 m s t p 协议相当于b a c n e t 标准的数据链路层和网络层，是b a c n e t 标准定 义的特有局域网协议。在m s t p 网络中，存在主站点和从站点两种非对等的站 点，利用令牌机制进行传输介质的访问控制。令牌只能在主站点之间进行传递， 当主站点得到令牌时才可以发送报文，从站点只能侦听和接收报文，只有在回 应主站点的请求时才可以发送报文。实质上m s t p 采用的是轮询方式对事件进 行处理，因此在这种网络中，实时性很低。 但是系统在某些特定情况下又要求很高的实时性，所以只是应用m s t p 很 难满足系统的要求。而c a n 总线的特性恰恰符合系统的高实时性的要求，那么 在智能建筑系统中引入c a n 就可以满足系统实时性的要求。 c a n 总线是多主工作方式，在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优 先级，可满足不同的实时要求，采用非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向 总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动地退出发送，而优先级高的 节点可以不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突的仲裁时间。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 在对b a c n e t 深入理解的基础上，基于p i c 2 4 系列单片机设计了b a c n e t 节点的硬件电路，基于m s t p 设计实现了b a c n e t 实用性协议。 ( 2 ) 基于m i c r o c h i p 的m c p 2 5 1 5 和m c p 2 5 5 1 设计了c a n 节点硬件电路， 并编写了c a n 总线的初始化程序，接收、发送程序，通过比较几种 c a n 应用层协议编写了实用的c a n 应用层协议。 6 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 在对整个系统详细研究的基础上，通过嵌入式实时操作系统划分了网关 的具有不同优先级的任务，编写了网关实用程序，完成网关的功能。 ( 4 ) 基于2 4 系列单片机的特点设计了精度较高的实时时钟。 ( 5 ) 完成了整个网络的架构工作，在项目中实际测试了b a c n e t 节点的功能。 ( 6 ) 在实验室环境中完成c a n 节点的设计工作，并测试了其性能。 ( 7 ) 设计并实施了整个网关系统的部署和测试工作。 1 山东大学硕士学位论文 第二章系统硬件设计 节点，是网络上信息的接收和发送站点。在本系统中，节点位于传感器和执 行机构所在的现场，起着承上启下的作用。节点一方面和上位机( p c ) 进行通 信，完成数据交换，另一方面又根据系统需要对现场执行机构或传感器进行控 制或采集。下面就b a c n e t 节点、c a n 节点和网关节点分别进行详细的设计。 2 1b a c n e t 节点硬件设计 硬件电路包括微控制器、信号输入模块、时钟模块、存储模块和通信模块 等部分，其结构组成框图如图2 1 所示。 图2 - li o1 3 硬件电路不惫图 2 1 1 微控制器 微控制器采用m i c r o c h i p 公司的p i c 2 4 f j 3 2 g a 系列微控制器具有以下的 性能特点【3 5 】： ( 1 ) 低工作电压范围2 0 3 6 v ，典型工作电流6 5 0 t a m i p s ( 2 o v ) ，典型休 眠电流1 5 0 h a ( 2 o v ) ； ( 2 ) 采用改进的哈佛架构的精简指令集( r i s c ) 和流水线结构； ( 3 ) 最高支持1 6 m i p s ( 3 2 m h z ) 的高性能内核结构； ( 4 ) 最多1 3 通道的1 0 位模数转换器( a d ) ，转换速度最高可达5 0 0 k s p s ； ( 5 ) 全新的中断向量结构。p i c 2 4 f 系列微控制器内核支持多达1 1 8 个中断 源，为每个中断源提供唯一的中断向量，以及可配置的高达7 级的中 9 山东大学硕士学位论文 断优先级； ( 6 ) 丰富的片上外围模块。p i c 2 4 f 系列微控制器上集成了丰富的片上外围 模块，包括：最高1 6 k b 的r a m 和2 5 6 k b 的f l a s h 程序存储器，多个 串行通信端口( u a r t 、s p i 、1 2 c ) ，1 6 位的定时器模块，1 6 通道的1 2 位5 0 0 k b p s 高速a d 转换器以及实时日历时钟模块； ( 7 ) 低功耗电源管理系统。包括上电复位和故障保护时钟监视器，采用纳瓦 技术的电源管理，片上低压降稳压器以及多种低功耗处理器模式( 包括 休眠、空闲、打盹和备用时钟模式) ； b a c n e t 节点的主要功能是对实现系统末端参数的采集，对末端的控制，然 后相应其他节点或网关的请求，所以本设计选择具有8 k b 的r a m 和3 2 k b 的 f l a s h 程序存储区的p i c 2 4 f j 3 2 g a 0 0 2 芯片作为本设计的硬件平台，能够满足系 统设计的需求，而且具有极高的成本效益。 外设引脚选择功能是该系列芯片突出的特点，允许大部分的数字外设被映 射到一组固定的数字i o 引脚。用户可独立将许多数字外设中的某一外设的输 入或输出映射到其中的任一i o 引脚。大大提高了芯片的灵活性，使电路的设 计和布局更加方便和简单。 2 1 2 信号输入模块 7 图2 2 信号输入电路 信号输入电路如图2 2 。项目中采用的是o p 0 7 4 9 】高精度运算放大器，具有 极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长 期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号 的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。 信号调理电路是指传感器信号在进入c p u 进行模数转换之前的电路部分， 10 山东大学硕士学位论文 其功能主要是对传感器信号进行调理和滤波，确保信号在进入c p u 之前变换为 标准的0 5 v 电压输入信号。 在本设计中，检测传感器采用的是热敏电阻、光敏电阻来采样温度、照度 参数。将电阻元件与恒流源元件串接成回路，测量电阻元件的两端电压值以获 得相应参数的变化信息。然而不管是热敏电阻还是光敏电阻，其测量精度都有 限，另外c p u 要求模拟电压输入范围为0 5 v ，因此系统用集成运放o p 0 7 对输 入信号进行相应调理，提高了信号输入的精度。 2 1 3 存储模块 存储芯片采用的是m i c r o c h i p 公司的2 4 l c 2 5 6 。该芯片是容量为3 2 k 字 节( 2 5 6 kb i t ) 的e e p r o m 存储器，工作电压范围为2 5 - 5 5 伏。可通过1 2 c 总线进行读写，同时具有长达6 4 字节的页操作功能，并且其与微处理器接口简 单，占用系统资源少，成本低，非常适合于需要现场数据写入与读出、断电后 数据不丢失的场合。 2 4 l c 2 5 6 e e p r o m 采用c m o s 加工工艺，具有较强的抗干扰能力，功耗 低，可断电保存数据2 0 0 年以上，擦写次数最少1 0 万次，过压保护电压大于 4 0 0 0 v 。可进行多达8 个2 4 l c 2 5 6 芯片的存储容量扩展，即最大存储器容量可 扩展为2 5 6 k b 。本文选用2 4 l c 2 5 6 作为存储器件，电路图如图2 3 所示。 ”+ s v = 图2 3 存储电路示意图 2 1 4b a c n e t 通信模块 b a c n e tm s t p 采用e i a 4 8 5 标准作为物理层，采用平衡( 或差分) 式数据传 输模式，具有较强的抗干扰能力，传输介质采用较为廉价的屏蔽双绞线，并且 在传输介质上可以挂接多个接收器。r s 4 8 5 接口组成半双工网络，采用屏蔽双 绞线进行传输。总线的信号为差分信号，r s 4 8 5 具有网络连接方便、抗干扰性 山东大学硕士学位论文 能好、传输距离远等优点。r s 一4 8 5 收发器采用t i 公司的s n 6 5 l b c18 4 作为4 8 5 通信芯片，其引脚可与s n 7 5 1 7 6 兼容。通信模块电路示意图如图2 4 所示。 二 图2 - 4 通信电路示意图 在使用r s 4 8 5 总线时，如果简单地按常规方式设计电路，在实际工程中可 能有以下两个问题出现。一是通信数据收发的可靠性问题；二是在多机通信方 式下，一个节点的故障( o h 死机) ，往往会使得整个系统的通信框架崩溃，而且给 故障的排查带来困难。针对这些问题，本设计如上图所示作了如下改进。 ( 1 ) 实现总线与单片机的隔离，在微控制器与s n 6 5 l b c l 8 4 之间采用 t l p 5 2 1 进行了光耦隔离。与单片机系统进行信号隔离的光耦电路对系统通信速 率影响较大，需优化普通光耦电路参数的设计，使之能工作在最佳状态。如果 选取得较大，将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢；如果选取得过小， 退出饱和也会很慢，所以这两只电阻的数值要精心选取，不同型号的光耦及驱 动电路使得这两个电阻的数值略有差异。通过实验不断验证，将光耦输入电阻 取为4 7 0 f 2 ，可以满足实际通信需要。 ( 2 ) 为防止总线中的控制器硬件故障时对其他控制器通信造成影响，在 6 5 l b c l 8 4 的4 8 5 信号输出端串联了两个2 0 q 的电阻r 8 、r i o 。这样本机的硬 件故障就不会使整个总线的通信受到影响。 ( 3 ) 由于通信传输线的特性阻抗为1 2 0 q 左右，所以在传输总线的始端和末 12 山东大学硕士学位论文 端各应接1 只1 2 0 q 的匹配电阻r 9 ，减少线路上传输信号的反射。 ( 4 ) 根据r s 4 8 5 收发芯片的电气特性，接收器的检测灵敏度为4 - 2 0 0 m v ， 而当a 、b 端电位差的绝对值小于2 0 0 m v 时，输出为不确定状态，会导致通信 出错。通过在4 8 5 电路的a 、b 输出端加接上拉、下拉电阻r 7 、r 1 1 ，可很好 地避免不确定状态。 2 2c a n 节点硬件设计 c a n 节点的微控制器、信号输入电路、存储电路以及输出电路等均与 b a c n e t 节点相同，在此不再赘述。下面详细分析c a n 节点的通信部分的设计。 c a n h c a n l p i c 2 4 f j 3 2 g a 0 0 2 。_ _ _ _ 。- 。_ 。 少s p i 1 i 一 m c p 2 5 1 5 t x 上 r x t x p i c 2 4 f j 3 2 g a 0 0 2 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 沙s p i 1 j1一 m c p 2 5 1 5 图2 - 5c a n 网络不葸图 如图2 5 所示一个完整的c a n 节点是由三部分组成的，节点控制器选用的 是p i c 2 4 f j 3 2 g a 系列芯片，c a n 控制器是m c p 2 5 1 5 ，收发器是m c p 2 5 5 1 ，以 上三款器件均由m i c r o c h i p 公司生产。节点控制器与c a n 控制器是通过s p i 通信的。 2 2 1m c p 2 5 1 5 简介 m c p 2 5 1 5 4 8 1 是一款独立c a n 控制器，可简化需要与c a n 总线连接的应用。 图2 - 6 简要显示了m c p 2 5 1 5 的结构框图。该器件主要由三个部分组成：c a n 模块、控制逻辑和s p i 。 1 c a n 模块，包括c a n 协议引擎、验收滤波寄存器、验收屏蔽寄存器、发 送和接收缓冲器。c a n 模块的功能是处理所有c a n 总线上的报文接收和发送。 报文发送时，首先将报文装载到正确的报文缓冲器和控制寄存器中。通过s p i 接口设置控制寄存器中的相应位或使用发送使能引脚均可启动发送操作。通过 13 焉 p 一 山东大学硕士学位论文 读取相应的寄存器可以检查通讯状态和错误。会对在c a n 总线上检测到的任何 报文进行错误检查，然后与用户定义的滤波器进行匹配，以确定是否将报文移 到两个接收缓冲器中的一个。 c a n 模块 s p i 总线 图2 6m c p 2 5 1 5 结构图 2 用于配置该器件及其运行的控制逻辑和寄存器。通过与其他模块连接， 控制逻辑模块控制m c p 2 5 1 5 的设置和运行，以便传输信息与控制。所提供的中 断引脚提高了系统的灵活性。器件上有一个多用途中断引脚及各接收缓冲器的 专用中断引脚，用于指示有效报文是否被接收并载入接收缓冲器。可选择使用 专用中断引脚。通用中断引脚和状态寄存器( 通过s p i 接口访问) 也可用来确 定何时接收了有效报文。器件还有三个引脚，用来启动将装载在三个发送缓冲 器之一中的报文立即发送出去。是否使用这些引脚由用户决定；若不使用，也 可利用控制寄存器( 通过s p i 接口访问) 来启动报文发送。 3 s p i 协议模块。m c u 通过s p i 接口与该器件连接。使用标准的s p i 读 写指令以及专门的s p i 命令来读写所有的寄存器。 m c p 2 5 1 5 有三个发送缓冲器和两个接收缓冲器，两个验收屏蔽寄存器( 分 别对应不同的接收缓冲器) 以及六个验收滤波寄存器。 2 2 2 硬件设计 1 4 山东大学硕士学位论文 为了增强c a n 节点的抗干扰能力，m c p 2 5 1 5 的r x c 和t x c 引脚通过高 速光耦6 n 1 3 7 与m c p 2 5 5 1 相连，这样就很好的实现了总线上各个节点的电气 隔离。光电耦合器是一种把红外光发射器件和红外光接受器件以及信号处理电 路等封装在同一管座内的器件。当输入电信号加到输入端发光器件l e d 上，l e d 发光，光接受器件接受光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者 将电信号放大处理成标准数字电平输出，这样就实现了“电一光一电”的转换及 传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔 离。6 n 1 3 7 光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个8 5 0a m 波长a i g a a sl e d 和一个集成