（微电子学与固体电子学专业论文）总线型光电感烟探测器的研制.pdf

总线型光电感烟探测器的研制 摘要 城市化程度的提高和人类居住环境的复杂使得火灾对人类构成的危 害愈加严重，这也使得人们对于消防安全的意识不断加强，火灾报警系统 因此得到了进一步的发展和更加广泛的应用。在微电子技术、计算机技术 的推动下，火灾报警系统向着智能化、微型化、网络化的方向快速发展。 设计采用c a n 总线作为总线型光电感烟探测器的数据传输总线，c a n 总线是现场总线的一种，具有可靠性高和抗干扰能力强的优点，支持优先 级仲裁，成本低廉等优点，是能够有效支持分布式实时控制的多主式串行 通信网络。本文选用s j a l 0 0 0 作为c a n 总线控制器，p c a 8 2 c 2 5 0 为c a n 总线驱动器构成c a n 总线网络系统，采用宏晶s t c l 2 5 a 6 0 s 2 为核心处理 器，通过采集烟雾和温度传感器信号获得火灾数据信息并由c a n 总线传 输至c a n 总线智能适配卡进行c a n 总线协议到r s 2 3 2 协议的转换，最 终通过串口传递至p c 上位机进行火灾数据的处理和显示。 文章首先介绍了c a n 总线网络技术的基本概念，分析了c a n 总线的 物理层和数据链路层的结构、报文帧的格式和报文滤波的原理，接着对 c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 进行了详细的分析，包括它的内部模块结构和 作用，p e l i c a n 模式中的主要寄存器的功能，发送缓冲器的组成结构以及 s j a l 0 0 0 报文滤波的原理。总线型光电感烟探测器的硬件设计部分主要论 述了c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 与s t c l 2 5 a 6 0 s 2 的连接方法，烟雾传感器 的设计原理和组成结构，温度传感器的选择以及c a n 总线智能适配卡的 电路设计原理。软件设计部分给出了c a n 总线系统软件的主要设计流程 及相关代码，以及基于l a b v _ i e w 上位机监控软件的设计。文章最后对总 线型光电感烟探测器进行了相关的测试和展望，提出了进一步改进的方 法。 关键词：c a n 总线火灾报警光电感烟s j a l 0 0 0 单片机 r e s e a r c ho fp h o t o e l e c t r i c a ls m o k ed e t e c t o rb a s e d o nf i e l d b u s a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fu r b a n i z a t i o na n dd e n s i t yo fl i v i n ge n v i r o n m e n t ， h a z a r d so ff i r eo nh u m a nb e i n g sb e c o m em o r e s e r i o u s p e o p l ei n c r e a s e d a w a r w n e s sa b o u tf i r es a f e t ya n df i r ea l a r ms y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e d i nt h e p r o m o t i o no fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , f i r ea l a r ms y s t e mh a s ar a p i dg r o w t ho fi n t e l l i g e n t ，m i n i a t u r i z a t i o na n dn e t w o r k i nt h i sa r t i c l e ，c a nb u si su s e df o rd a t at r a n s m i s s i o no fp h o t o e l e c t r i c a l s m o k ed e t e c t o r ，w h i c hi so n et y p eo ff i e l db u s ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n ds u p p o r td i s t r i b u t e d 、r e a l t i m ec o n t r o ls y s t e m m a i nf e a t u r e so fc a n ：h i g h r e l i a b i l i t y 、s t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y 、s u p p o r tp r i o r i t ya r b i t r a t i o na n dl o w c o s t s j a l0 0 0a n dp c a 8 2 c 2 5 0m a k eu pc a ns y s t e m ，w h i c ha r eu s e df o r c a nc o n t r o l l e ra n db u sd r i v e r t h em c uo f p h o t o e l e c t r i c a ls m o k ed e t e c t o ri s s t c12 5 a 6 0 s 2 ，w h i c hg a i nt h ef i r ed a t ab yc o l l e c t i o no fs i g n a l so fs m o k ea n d t e m p e r a t u r es e n s o r f i r ed a t ai st r a n s f e r e dt oc a ni n t e l l i g e n ta d a p t e rb yc a n b u s a n dt r a n s f o r m e df r o mc a n p r o t o c o lt or s 2 3 2p r o t o c 0 1 f i r s t l y , t h ea r t i c l ei si n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p t so fc a nb u st e c h n o l o g y ， a n a l y s i sc o m p o s i t i o no fp h y s i c a ll a y e ra n dd a t al i n kl a y e ro fc a n ，t h ef o r mo f m e s s a g ef r a m ea n dp r i n c i p l eo fm e s s a g ef i l t e r i n g t h e n ，a r t i c l ei si n t r o d u c e d t h eh a r d w a r ec o m p o n e n t so fs j a10 0 0i m p o r t a n t r e g is t e r s o fp e l i c a n ， c o m p o n e n t so ft x f i f 0a n dp r i n c i p l eo ff i l t e r i n g t h eh a r d w a r ep a r ti st h e s c h e m a t i co fp h o t o e l e c t r i c a ls m o k ed e t e c t o r , i n c l u d ec o n n e c t i o nm e t h o d b e t w e e ns j a l0 0 0a n dm c u ，c o m p o s i t i o no fp h o t o e l e c t r i c a ls m o k ed e t e c t o r , s e l e c t i o no ft e m p e r a t u r es e n s o ra n dd e s i g np r i n c i p l e so fc a ni n t e l l i g e n t a d a p t e r s o f t w a r ep a r ti sa b o u tt h ed e s i g no fc a ns y s t e ma n dr e l a t e dc o d e ， p r i n c i p l e so fl a b v i e wa n dt h ei n t e r f a c eo fs y s t e mo fm o n i t o r a tl a s t ，t h e e x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt ot e s ts o m ep a r a m e n t s s o m es u g g e s t i o n so ff u r t h e r r e s e a r c hi sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：c a nb u s ；f i r ea l a r m ；p h o t o e l e c t r i c a ls m o k ed e t e c t o r ；s j a l 0 0 0 ；m u c ； 插图清单 图2 1 总线位数值表示7 图2 2c a n 的i s o o s i 参考模型层结构9 图2 3 报文的数据帧结构9 图2 4 控制域结构1 0 图3 1c a n 总线火灾报警系统组成1 3 图3 2 散射光型光电感烟1 4 图3 3 减光型光电感烟一1 4 图3 4 散射光的散射角度一1 5 图3 5 烟雾探测的各个模块15 图3 6 光学探测室结构1 6 图3 70 p a 2 3 4 7 示意图17 图3 8 烟雾信号探测电路1 7 图3 9d s l 8 8 2 0 内部结构1 8 图3 1 0 初始化时序读写时序2 0 图3 1 1s t c l 2 5 a 6 0 s 2i o 口示意图2 2 图3 1 2c a n 总线控制器s j a l o o o 在系统中的位置2 5 图3 1 3c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 模块结构图2 5 图3 1 4 发送缓冲器的标准和扩展帧格式配置2 9 图3 1 5 接收扩展帧报文的单滤波器配置3 1 图3 1 6s j a l 0 0 0 与s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 连接电路3 2 图3 17p c a 8 2 c 2 5 0 接口电路3 2 图3 18 节点电源模块一3 3 图3 1 9c a n r s 2 3 2 转换结构示意图3 5 图3 2 0c a n 总线协议和r s 2 3 2 协议转换示意图3 5 图4 1u v i s i o n 3 运行调试图3 7 图4 2 系统总体流程图。3 8 图4 3c a n 总线初始化流程图一4 0 图4 4c a n 总线发送数据包结构4 2 图4 5c a n 总线发送数据流程图一4 3 图4 6c a n 总线数据接收程序流程图一4 4 图4 7c a n 转r s 2 3 2 流程图4 6 图4 8 火灾判断流程图4 8 图4 9 串口配置模块4 9 图4 10v i s a 写入4 9 图4 1 lv i s a 读取4 9 图4 1 2v i s a 关闭4 9 图4 13v i s a 串口基本配置图5 0 图4 1 4 火灾监控系统主界面5 l 图5 1 烟雾探测时光电传感器输出波形图5 2 图5 2c a n 总线通信距离与可靠性测试5 3 表格清单 表2 1c a n 总线任意节点之间的最大距离8 表3 1d s l8 8 2 0 数字温度对照。1 9 表3 2d s18 8 2 0 指令代码19 表3 3s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 管脚功能表2 2 表3 4p l a s f 寄存器2 3 表3 5a d cc o n t r 寄存器2 3 表3 6 各个c a n 总线控制器的比较2 4 表3 7p e l i c a n 地址分配2 8 表5 1 光电探测模块参数测试5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金星垦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：1 矸 签字日期：少o 年乒月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：1 奸 签字日期：山年笋月硝名 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： ， 导师签名：莎z 撕蜘睥y 旷 电话： 邮编： 致谢 时间飞逝，三年的研究生学习生活即将结束，内心感慨颇多。从本科 入学开始到研究生毕业，在合肥工业大学学习生活了七年的时间，内心对 合肥工业大学已经产生了非常深厚的感情。回想当年进入大学还是懵懂少 年，经过这么多年的学习，我变的更加成熟和自信，我对未来充满了信心 和勇气。这些都是合肥工业大学给我创造的环境和条件，我非常感谢我的 母校。 三年的研究生学习生活中，我的导师刘士兴老师严谨的工作作风和扎 实的科研功底使我受益匪浅。在此，我特别感谢刘老师三年来对我在学习 上，生活中的悉心指导，这些经验将是我在以后的工作和生活当中的宝贵 的财富。 感谢实验室的所有同学们，我们在一起学习、生活，彼此之间已经产 生了深厚的感情，希望你们在以后的学习、工作中能够一帆风顺，生活幸 福美满。 最后，我要感谢我的家人，是你们的辛勤劳动和无私的奉献，让我顺 利完成学业。是你们让我懂得了什么是爱和奉献，谢谢你们! 作者：刘轩 2 0 1 0 年4 月1 0 日 第一章绪论 1 1 火灾自动报警技术的发展 火灾给人类社会带来了非常多的灾难，对人们的生命和财产造成了难 以弥补的损失。社会在不断的发展，人类的生活也愈加集中化和多元化， 面临的发生火灾的隐患也越来越严重，一旦发生火灾其后果将不堪设想。 为了减少火灾产生的危害，必须要对其进行有效地预防和控制，并在火灾 发生的初期就能发现并及时扑灭火灾，将火灾造成的损失降到最低。 火灾报警系统用于探测火灾并给出报警信号，由安装在现场的火灾探 测节点、数据传输线路和监控室的控制器组成。现场探测节点感受物质燃 烧时产生的各种参数，通过现场总线传回控制器，控制器做进一步处理后 给出报警信号。 火灾报警技术的发展过程一般可分为三个阶段【1 1 ： 第一阶段是多线型火灾报警系统，每个多线型火灾探测器都需要接两 根电源线和一根信号线，此种探测器在探测节点比较少时能够迅速响应火 灾报警信号并作出反应，当探测节点较多的情况下会造成布线过多且检修 复杂，过多的安装节点也使得工作量比较大。 第二阶段为总线型火灾报警系统，采用微处理器作为控制核心，各个 探测器节点之间由总线实现信号的传输。探测器的输出值多为开关量，各 个节点的地址均采用地址编码形式。该类报警系统具有价格低，安装简便， 目前该类探测器仍在国内大量的使用。 第三阶段为智能型火灾报警系统，是结合了微电子技术、计算机技术、 自动化技术而发展起来的新一代火灾报警系统。此类系统能对传感器探测 的火灾信息进行智能化处理，根据使用的环境的不同和时间的不同由软件 来设定不同火灾环境下的判据参数，因此，能够提高系统的稳定性和可靠 性，减少火灾误报的概率。 1 2 火灾探测器的类型和原理 根据火灾探测方式的不同火灾探测器可以分为很多种类型，例如根据 火灾探测器的结构的不同可以分为点型和线型两大类 1 1 。线性火灾探测器 是响应一段连续线路周围火灾参数的探测器，其体积较大，一般用于大面 积的空间。目前使用范围较广的是点型探测器，点型探测器响应周围某一 点范围内的火灾参数，其体积小，安装方便。根据火灾探测的参数的不同， 还可以把火灾探测器分为感温、感烟、火焰、气体和复合式等几大类： 1 感温火灾探测器：通过探测感温元件探知环境周围传递来的热量， 把环境温度的变化转化成电压，电流的变化，根据输出信号判断火灾是否 发生，达到火灾报警的目的。它又可以分为定温火灾探测器、差温火灾探 测器和差定温火灾探测器：定温火灾探测器通过感知温度是否达到或超过 设定预定值时作出响应；差温火灾探测器是探测升温的速率是否超过设定 预定值来作出响应；差定温火灾探测器是兼有定、差温两种功能的火灾探 测器。 2 感烟火灾探测器：是一种探测火灾发生初期时燃烧或热解的固体或 液体微粒的火灾探测器。火灾发生初期一般会释放出大量的烟雾，因而烟 雾颗粒是火灾的早期重要的特征之一，是研究感烟火灾探测的基础，通过 感知烟雾的浓度能够判断火灾是否发生。感烟火灾探测器根据探测的方式 不同可以分为离子感烟探测器、光电感烟探测器、电容式和半导体型等。 3 。火焰探测器：是一种探测火灾燃烧火焰的探测器，火焰探测器感应 火焰辐射出的红外、紫外以及可见光的电磁波，具有响应速度快，探测范 围广等优点。 4 气体火灾探测器：气体也是火灾的早期特征之一，响应火灾发生时 产生的气体的探测器称为气体火灾探测器。目前，用于检测火灾的气体主 要有c o 、c 0 2 、h 2 、甲烷、水蒸汽、胺等。针对不同的应用场合，使用 的检测气体的方法也不同。目前主要的检测气体的传感器有红外吸收式气 体传感器、半导体气体传感器、电化学传感器等等1 2 j 。 5 复合式火灾探测器：这是一种响应两种及以上火灾参数的火灾探测 器，主要有感温感烟火灾探测器、感光感烟火灾探测器、感光感温火灾探 测器等。 2 1 3 论文的内容安排 第一章： 绪论 介绍了目前火灾自动报警技术的发展概况，简要介绍了火灾探测的种 类及其探测原理。 第二章：c a n 总线网络技术 阐述了现场总线的基本概念和发展概况，分析比较了几种现场总线的 特点，详细介绍了c a n 总线协议的概念、特点及其体系结构，讨论了c a n 总线规范中几种报文帧的作用及其组成，标准帧和扩展帧的区别以及位仲 裁的概念等。 第三章：火灾报警控制器硬件设计 分析了火灾报警控制器的设计原理和系统组成，主要介绍了s j a l 0 0 0 和单片机s t c l 2 c s a 6 0 s 2 的连接方法，光电烟雾传感器的组成和原理，温 度传感器d s l 8 8 2 0 的使用以及电源和抗干扰设计。 第四章：系统软件设计 提出了系统软件的总体设计思路，详细论述了c a n 总线的初始化模 块、发送模块和接收模块的流程图以及主要的编程代码，另外给出了串口 通信的发送和接收模块的相关代码和流程。最后介绍了使用l a b v i e w 设 计后台界面的流程并给出了l a b v i e w 设计的用户界面。 第五章测试与展望 对光电感烟探测器进行了参数测试，给出了参数的测试表格。另外， 对c a n 总线的通信性能也进行了相关的测试，最后对本论文的工作进行 了总结并提出了改进方案，为该系统进一步研究提供了思路和建议。 第二章总线技术 2 0 世纪后半期，计算机技术的高速发展给人类社会带来了革命性的变 革，信息的传递和交流变得更加方便和快捷。在计算机网络技术的带动下， 工业上发展出了的现场总线技术。现场总线技术是计算机技术和自动化技 术相结合的产物，是工业控制的新领域。所谓现场总线技术是计算机控制 网络的一种，用来在工业现场中作为控制中心和现场设备之间的串行通信 网络总线。其中c a n 总线是目前使用较为广泛的现场总线标准之一，c a n 总线作为一种工业界流行的总线广泛应于控制设备、工业自动化、交通、 医疗仪器以及建筑、环境控制等各个行业中。 2 1 现场总线技术 现场总线是用于生产现场的一种总线型拓扑网络。这种总线用作现场 控制系统，直接与所有受控设备节点串联。现场总线的功能是把挂接在总 线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化功 能，是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合 技术。现场总线传输的信息帧都比较短小，实时性强可靠性高。信息帧短 小有利于提高实时性和降低受干扰的概率。经过十几年的发展，特别是与 计算机技术、嵌入式技术的结合，现场总线技术不断成熟，目前主要有基 金会现场总线、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 这几种现场总线p 。 2 1 1 基金会现场总线 基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是一种广泛应用于自动化控制 中的一种总线技术，它是以美国f s i h e r r o s e m o u n t 公司为首的多家公司制 定的一种现场总线协议。基金会现场总线分低速和高速两种通信速率，低 速的通讯速率为3 1 2 5 k b p s ，通讯距离可达1 9 0 0 m ，高速的通讯速率可为 1 m b p s 和2 5 m b p s ，通讯距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。该总线的传输介质支 持双绞线、光缆和无线传输，协议符合i e c l l 5 8 2 标准。 基金会现场总线的主要技术内容包括：f f 通信协议、用于完成开放 互连模型中第二到七层通信协议的通信栈、用于描述设备特征、参数、属 性及操作接口的ddl 设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控 制、工程量转换等应用功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能 的系统软件技术以及构筑集成自动化系统和网络系统的系统集成技术【3 j 。 4 2 1 2l o n 。w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年推出的，采用了i s o o s i 模型的全部通信协议，其特点是使用了面向对象的设计方法通过网络变量 把网络通信设计简化为参数设置。l o n w o r k s 的通信速率在3 0 0 b p s 到 1 5 m b p s 之间，通信距离最远可到2 7 0 0 m ，能够使用多种传输介质，如双 绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线等。 l o n w o r k s 技术采用的是l o n t a l k 协议，该协议被封装在n e u r o n 神经 元芯片中来实现。芯片中采用3 个8 位c p u ，第一个用于完成i s o o s i 模 型中媒体访问的处理与控制：第二个用于实现网络处理功能，实现网络变 量的处理、寻址、网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理，作 为操作系统服务与用户代码。 2 1 3p r o f i b u s p r o f i b u s 是由西门子公司在1 9 8 7 年推出的，主要应用于p l c 现场 总线标准。主要有三类的产品：可编程控制器、低压开关、现场信息规范 ( f m s ) 等；d p 型用于分散外设间高速数据传输，适合于加工自动化领 域的应用；p a 是用于过程自动化的总线类型，复合i e c l l 5 8 2 标准。 p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k b p s 到1 2 m b p s ，1 5 m b p s 时最大的传输 距离4 0 0 m ，1 2 m b p s 时最大传输距离1 0 0 m 。传输介质为双绞线和光缆， 可实现总线供电与本质安全防爆。 2 1 4h a r t h a r t 称为可寻址远程传感器高速开放通信协议( h i g h w a ya d d r e s s r e m o t et n a n s d u c e ) ，该协议是由r o s e m o u n t 公司开发的，该协议得到了多 家著名仪表公司的支持并于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。该协议的 特点是在现有模拟信号传输基础上实现了数字信号通信，是模拟系统向数 字系统转变过程中的过渡产品。h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。设 备开发商使用这种d d l 语言来描述设备特性，主设备采用d d l 技术来获 知设备的特性参数而不必为这些设备开发专门的接口。h a r t 还可以通过 总线供电，并可组成由管理系统主机与手写编程器作为主设备的双设备系 统。 2 2c a n 总线技术 c a n 全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应 用最广泛的现场总线之一【4 j 。c a n 总线最初由德国b o s c h 公司提出，c a n 总线最开始设计用作汽车控制系统中的微控制器通讯总线，在各种汽车电 子设备之间传递信息，形成汽车电子控制网络。由于汽车的功能越来越完 善，使得电子装置之间的通讯更加复杂，也意味着需要更多的连接信号线， 需要设计一个网络总线，所有的外围设备都可以被挂接在该总线上，挂接 在总线上的设备可以通过总线进行通信和控制，这是c a n 总线设计时的 起因【6 j 。到1 9 9 3 年，c a n 总线已发展成为拥有i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和 i s 0 1l5 19 ( 低速应用) 两种国际标准的总线。c a n 总线是一种多主方式的 串行通讯总线，设计时要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，且能够检测 出产生的任何错误。即使信号传输距离达到1 0 k i n 时，c a n 总线仍可提供 高达5 0 k b i t s 的数据传输速率1 4 】。由于c a n 总线具有很高的实时性和抗 干扰能力，c a n 总线已经在汽车行业、航空工业、工业控制、消防安全等 领域中得到了广泛应用。 由c a n 总线构成的网络中，理论上可以挂接无数个节点。在实际应 用中，节点的数目受网络硬件的电气特性所限制，例如采用p h i l i p sp 8 2 c 2 5 0 作为c a n 总线收发器时，同一总线上允许挂接1 l o 个节点。c a n 总线可 提供高达1 m b i t s 的数据传输速率，这使得易于实现实时控制【_ 7 1 。另外， c a n 2 0b 协议的增加的错误检定特性也加强了c a n 总线的抗干扰能力。 2 2 1c a n 总线的特点 c a n 总线是能够有效地支持分布式实时控制的多主试串行通信总线， 采用了许多专门的技术和独特的设计，和一般通信总线相比，它的数据通 信具有突出的可靠性、实时性和灵活性的特点。目前c a n 总线已经形成 了国际标准并公认为是最有前途的现场总线之一，其特点可概括如下【8 】： ( 1 ) c a n 总线是目前唯一有国际标准的现场总线。 ( 2 ) c a n 总线为多主工作方式，网络上的节点均可在任意时刻主动 地向总线上其他节点发送信息。 ( 3 ) 通过设置标识符把c a n 总线上的节点分为不同的优先级，以满 足不同的实时要求，优先级高的节点数据可以在第一时间得到传输。 ( 4 ) c a n 总线采用非破坏的总线仲裁技术。如果多个节点同时向c a n 总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而优先 级高的节点可不受影响地继续传输数据，节省了总线的冲突仲裁时间。尤 其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。 6 ( 5 ) c a n 总线节点只需通过对报文的标识符进行滤波即可实现点对 点、一点对多点以及全局广播等几种方式传送和接收数据。 ( 6 ) c a n 总线的通信距离最远可达1 0 k i n ( 5 k b s ) ；通信速率最高可 达1 m b s ( 通信距离4 0 m ) 。 ( 7 ) 标准报文帧标识符为1 l 位，而在扩展帧的报文标识符为2 9 位， 使得节点个数在理论上不受控制。实际应用中，c a n 总线上的节点个数取 决于c a n 驱动器，采用8 2 c 2 5 0 时可达到1 1 0 个。 ( 8 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了极低 的数据出错率。 ( 9 ) c a n 总线的每帧信息都有c r c 校验及其他的检验方式，有极好 的检错效果。 ( 1 0 ) 在出错严重的情况下c a n 总线具有自动关闭输出功能，使得 总线上的其他节点的操作不受影响。 利用c a n 总线的特点，可以有效地实现火灾报警系统的智能化、网 络化，实现分布式火灾报警系统，在总线传输的实时性、有效性，以及传 输的距离和速率上c a n 都能满足火灾报警的控制要求。 2 2 2c a n 总线的位数值表示与通信距离 c a n 总线采用c 显性和“隐性，来表示“0 ，和t l ，【9 1 。当在总线上同时出 现显性位和隐性位时，结果将是显性的，即“o ”和“1 ”同时作用的结果为“0 ”。 图2 1 反映了总线位上的数值表示，v c a n h 和v c a n l 为c a n 总线接口引 脚，信号以差分电压的形式出现在总线上。隐性时，两引脚的差分电压v d i f f 近似于0 。显性位以大于最小阈值的差分电压表示。 图2 1 总线位数值表示 c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与传输的位速率有关， 表2 1 表明了总线上位速率与最大距离的关系【2 1 。 l 位速率k b p s 1 0 0 05 0 0 2 5 01 2 51 0 05 02 01 05 l 最大距离m 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 0 3 3 0 0 6 7 0 01 0 0 0 0 表2 1c a n 总线任意节点之间的最大距离 2 3c a n 总线通信协议 c a n 总线通信协议主要描述的是不同c a n 总线设备之间的信息传递 方式，协议定义了设备连接方式，不同c a n 总线设备之间依靠物理层的 物理介质相互连接，c a n 总线协议被划分为不同的层次，每一层与另一设 备上的相对应的层进行通信。c a n 总线协议规范定义了互联模型的最下面 两层：数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 和物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 。 2 3 1c a n 的i s o 分层结构 i s o o s i 参考模型的结构如图2 2 所示，i s o o s i 模型包括了数据链路 层和物理层。物理层定义信号的位编码、位定时以及同步的解释，其作用 是在不同的c a n 总线设备之间根据电器特性进行位的实际传输，在同一网 络中所有c a n 总线节点的物理层是相同的【l0 1 。物理层没有定义驱动器的 特征，可以根据实际的应用状况作出相应的改进。c a n 总线传输媒介能够 使用多种物理介质，如光纤、双绞线等，常用的是双绞线。c a n 总线信号 的传输使用差分电压，即“c a nh ”和“c a nl ”之间的差值，在静态时二者 均是2 5 v 左右，状态表示为逻辑“1 ”，也可以叫做“隐性”，当c a nh 比 c a nl 高时表示逻辑“0 ”，此时为“显形”。通常电压值为：c a nh = 3 5 v 和c a nl = 1 5 v 。 数据链路层分为介质访问控制子层m a c 和逻辑链路控制子层l l c 。 介质访问控制子层m a c 是c a n 的控制核心部分，它把接收到的报文传递 给l l c 子层，并接收l l c 子层发送来的报文。m a c 子层用来进行报文的 分帧处理、报文优先权的仲裁、报文的应答、错误检测和错误标定等。逻 辑链路控制子层l l c 用来报文滤波、过载通知、恢复管理【l 叭。 2 3 2 报文的概念 图2 2c a n 的i s o o s i 参考模型层结构 总线上的信息以几种不同的固定的报文格式进行发送，有数据帧、远 程帧、错误帧、过载帧四个不同类型的帧【3 】，在使用过程中还有1 1 位标识 符的标准帧和2 9 位标识符的扩展帧的区别。 数据帧：将数据从发送器传输至接收器。 远程帧：总线单元通过发送远程帧请求具有同一标识符的节点发送数 据帧。 错误帧：总线上节点检测到总线错误时会发送错误帧，该帧是由各个 发送站的错误标志叠加在一起的结果。 过载帧：当接收器需要延迟下一个数据帧或者远程帧时，用过载帧来 在相邻数据帧之间提供附加的延时。 1 数据帧 主要由7 个不同的位域组成，这7 个部分包括帧起始、仲裁域、控制 域、数据域、c r c 效验域、应答域、帧结尾，结构图如2 3 所示。 图2 3 报文数据帧的结构 9 帧起始：为一位的显性位，标志着数据帧和远程帧的起始。只有当总 线空闲时c a n 总线才允许节点发送帧起始信号，发送数据帧时总线上所 有的节点必须同步于帧起始的前沿。 仲裁域：分为标准帧和扩展帧。在扩展帧格式中，仲裁域包括2 9 位 标识符、s r r 位、i d e 位和r t r 位。标准帧中，仲裁域有1 1 位标识符和 r t r 位。其中，r t r 位是“远程发送请求位”，r t r 位为“0 ”时表示数据帧， 为“1 ”时表示远程帧。s r r 位是“替代远程请求位”，在扩展帧中代替标准帧 的r t r 位。i d e 位为“标识符扩展位”，用来区别标准帧和扩展帧，在标准 帧中为“0 ”，扩展帧中为“1 ”。 控制域：由6 个位组成，包括数据长度代码位d l c 3 ，d l c 2 ，d l c l ，d l c 0 ， 以及订，r 0 两个保留位，其结构如图2 4 所示。数据长度代码规定了数据 域中的数据的大小，如果我们在长度代码中写入1 0 0 0 ，则我们的数据长度 就是8 位。 骂i 卜兰堕一i 拦 l d l c 2 i d l c ， c 。 c r c 塌 r 1lr od l c 3 i 保留位数据长度代码 图2 4 控制域结构 数据域：由数据帧里的发送数据组成。可以为0 8 位字节，每字节包 含8 位。需要发送的数据放在数据域当中，接收节点接收到该数据帧后， 在相应的位置取出数据信息。 c r c 域：采用循环冗余码检查序列。为进行c r c 计算的多项式系数 采用帧起始、仲裁域、控制域、数据域的位流给定。将多项式除以多项式 发生器得到的余数就是发送到c a n 总线上的c r c 序n t 9 1 。 应答域：当接收节点接收到有效报文时，该节点就会在应答间隙期间 向发送节点发送一个显性位以表示应答。应答域包含应答间隙和应答界定 符，接收到c r c 序列的节点会在在应答间隙中发送一个显性位以表示应 答，应答界定符由一个隐形位组成，表示c r c 和应答的界定。 帧结尾：帧结尾由7 个隐性位的序列组成，数据帧和远程帧都由该序 列界定结尾。 l o 2 远程帧 数据接收节点通过发送远程帧来启动相应的目标节点传送自身的数 据，远程帧由6 个位域组成，即帧起始、仲裁域、控制域、c r c 域、应答 域、帧结束。 3 错误帧 错误帧由两个不同的域组成。第一个域是错误标志，由总线上不同的 节点提供的错误标志的叠加：第二个域是错误界定符，由8 个隐形位组成。 4 超载帧 包括两个位域，过载标志和过载界定符。当接收器内部需要延时下一 个数据帧时，节点就会发送一个过载帧。 5 帧间空间 数据帧和远程帧与前述的任何帧用帧间空间的位域隔开。帧间空间包 括间歇域和总线空闲域。间歇域由三个“隐性”位构成，间歇期间不允许节 点开始发送数据帧或远程帧，仅起标注超载条件的作用【3 1 。总线空闲时任 何节点均可访问总线以便发送。在其他帧发送期间，等待发送的帧在紧随 间歇域后的第一位启动，如果在总线空闲期间检测到总线上“显性”位将视 为帧起始。 2 3 3 标准c a n 模式与扩展c a n 模式 标准c a n 总线的标志符长度是1 l 位，而扩展格式c a n 总线的标志 符长度达到2 9 位。c a n 总线协议的2 0 a 版本规定c a n 控制器有一个1 1 位的标志符。在c a n 2 0 b 版本中规定，c a n 控制器的标志符长度可以是 1 1 位或2 9 位。采用c a n 2 0 b 协议的c a n 控制器可以发送和接收1 1 位标 识符的标准格式报文或2 9 位标识符的扩展格式报文。如果禁止c a n 2 0 b ， 则c a n 控制器只能发送和接收l l 位标识符的标准格式报文，而忽略扩展 格式的报文结构。p h i l i p s 公司主要推广的c a n 总线独立控制器均支持 c a n 2 0 b 协议，即支持2 9 位标识符的扩展格式报文结构。 2 3 4 消息i d 的分配 c a n 协议并没有规定报文i d 的分配原则，因此，c a n 高层协议的主 要内容之一就是如何分配i d 的标识。可以根据不同场合优先级的需要分 配不同的i d ，i d 是c a n 帧的唯一标识，i d 越小则优先级越高。如何分 配好i d 是影响系统利用率，工作效率、报文滤波的关键。 2 3 5c a n 总线的位仲裁 c a n 总线是一个多主总线，c a n 网络中任意一个节点均可以作为主 节点与其他节点交换数据，这样就有可能产生数个节点同时要求发送数据 的情况，这时采用c s m a c d 技术进行总线仲裁，c s m a c d 是“载波侦听 多路访问冲突检测”( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t ) 的缩写，利用c s m a 访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处 于空闲状态时，才允许发送【3 j ：当总线上有两个节点同时进行发送时，须 通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的报文优先发送，无损逐位 仲裁的原理是根据c a n 报文i d 来分配优先级。由于在c a n 总线中总线 的状态取决于“0 ”而不是“l ”，因此，当总线在响应报文传输时，逐次比较 传输报文的节点i d ，当某一节点发送的i d 段中的某一位为l ，而其他节点 发送的相应位为0 时，发送1 的节点便失去仲裁退出竞争，故i d 越小则 优先级越高，当节点的i d 全为“0 ”时，该报文具有总线上最高的优先级。 2 4 本章小结 本章首先分析了现场总线的含义，讲述了几种常用的现场总线的特点 和优越性，例如现场基金会总线、l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线、h a r t 总线以及c a n 总线。本课题使用了c a n 总线作为系统数据传输总线，此 章就c a n 总线的特点进行了讨论和总结，重点分析了c a n 总线协议，阐 述了底层的通信协议标准，报文帧的类型和构成，位仲裁的原理，最后对i d 的分配原则和位仲裁的原理进行了分析。 第三章总线型光电感烟探测器硬件设计 3 1 火灾报警系统的设计原理 系统从火灾报警的设计要求和成本等方面考虑，选择了c a n 总线做 为系统的数据传输通道，整个系统主要由智能节点、传感器、c a n 总线智 能适配卡、p c 机等部分组成，整体框图如3 1 所示。现场探测节点通过探 测传感器获得火灾数据信息，通过c a n 总线传输至c a n 智能适配卡中， c a n 总线智能适配卡主要作用是承担上位机和底层c a n 总线智能节点之 间的数据转发任务，即把c a n 总线上的数据采集到c a n 智能适配卡中转 发给上位机，并把来自上位机的控制命令传递到目标节点中。 r r 图3 1c a n 总线火灾报警系统组成 系统各个功能作用如下： ( 1 ) 智能节点：由单片机、c a n 总线控制器、c a n 总线收发器、 联动装置等组成。主要负责烟雾和温度数据的采集、c a n 总线接口的数据