（计算机应用技术专业论文）基于can总线的温湿度监控系统及cmac神经网络的应用.pdf

南京理t 大学铆， 学p 论定幕j - c a n 茁线的温m 惶犄拧系统厦c m a c 神锋嘲略的i 知用 摘要 c a n 现场总线具有可靠性高，实时性好，同时又具有价格低、容易实现的优 点，因此，得到了越来越广泛的应用。论文针对楼字温湿度自动控制的要求，设计了 基fc a n 总线的温湿度监控系统。论文对c a n 现场总线技术进行了分折和研 究。系统设计着藿考虑了系统的硬件结构、选型以及软件结构的优化。数据处理 单片机选用了p 8 9 c 6 6 4 h ，传感器选用了s h t l l ，选用了s a j l 0 0 0 芯片做c a n 控 制器。根据硬件设计，软件编写下位机主要采用c 语言，上位机软件则用d e l p h i 进行开发。 c m a c 是c e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r 的缩写，它是一种模拟小 脑功能的神经网络模型针对个人用户室内温湿度设定模糊性，差异性大的特 点，本论文根据实际应用情况设计了用c m a c 神经网络来实现智能设定的方法， 并且给出了相应算法，c 语言实现程序和测试实例。在实际应用中，c m a c 智 能设定方法取得了很好的使用效果。 关键词：c a n 总线，温湿度监控，c m a c 神经网络，智能设定 a b s t r a c t硕p 学位论芷 a b s t r a c t c a nb u sh a st h ea d v a n t a g e so fh i g h r e l i a b i l i t y , r e a l t i m ea n dl o w p r i c e ，s oi ti su s e d w i d e l y 。t h i sp a p e rd e s i g n e dad i g i t a ls y s t e mb a s e do nc a n b u sf o rm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y i nt h eb u i l d i n g t h i sp a p e ra n a l y s e dt h e t h e c h n o l o g yo fc a n i ns y s t e r md e s i g n ，i tw a sp a y e dm o r ea t t e n t i o nt od e s i g n i n g h a r d w a r es l m c t n r e ，c h o o s i n gm o d l eo fe l e m e n ta n do p t i m i z i n gs o f ts t r u c t u r e p 8 9 c 6 6 4 hw a sc h o o s e df o rd a t a d e a l i n g ，s h t l l w a sc h o o s e df o r s i g n a l m e a s u r i n g , s a j l 0 0 0w a sc h o o s e d a sc o n t r o l l e ro fc a n o r d e r i n gt oh a r d w a r e d e s i g n ，cw a su s e di nm c us o f tp r o g r a m m i n g ，p cs o f t w a r ew a sp r o g r a m m e dw i t h d e l p h i c m a ci sa b b r e v i a t i o no fc e r e h e l i a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e ra n di ti sak i n do f n e u r a ln e t w o r km o d e ls i m u l a t i n gc e r e b e l l a rf u n c t i o n t h i sp a p e r d e s i g n e das o l u t i o n b a s e do nc m a cf o ri n t e l l i g e n t l yt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e t t i n g , a st od e a l l i n g a m b i g u i t ya n do t h e m e s so ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e t t i n g t h i sp a p e ra l s o p r e s e n t e dt h er e l e v a n ta r i t h m e t i c ，p r o g r a mi nc a n d p r a c t i c a le x a m p l e t h es o l u t i o n h a sag o o de f f e c to np r a c t i c a la p p l i a n c e k e yw o r d s ：c a nb u s ，s h t l l ，c m a cn e u r a ln e t w o f ki n t e l l i g e n t l ys e t t i n g u 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谓 的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签夤：鱼隆鱼竖 ) 时年2 月1 5h 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：墨隆：鱼监。j 年2 月j 5 日 l 南京斗r 人中倾 学p 论史 基卜c a n0 钱的泓7 耵嚷惰婶系镜，乏c m a c 冲邛m 络的t 知嘲 1 绪论 1 1 引言 随着计算机、拧制、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域萨在迅速覆 盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车f u j 、工厂、企业乃 至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成 以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这一形式发展起来 的新技术。 随着现场总线技术的发展及其在工业领域的不断深入，现场控制系统( f i l e d c o n t r o ls y s t e mf c s ) 已成为控制系统发展的上流方向，它足分白式控制系统d c s 的 继承和进一步发展，传统的d c s 将会破耕一代的现场总线式集散控制系统或现场总线 式分角式控制系统( f i l e dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mf d c s ) 所取代。 1 2c a n 总线特点及国内外应用现状 目的现场总线在美国和欧洲等发达国家和地区发展迅速，并已有较多的应用范 例。在亚洲远东地区，许多大学和研究机构正利用他们自身的条件帮助用户提高对现 场总线技术的认识和理解。c a n 总线作为现场总线的一种正由于它的突出优点而被 越来越多地应用于各种现场分布式系统中。 国内的大学和一些公司也正致力于基于c a n 总线的系统开发。在汽车信号传输， 电力监控，楼宇智能化，工业测控，安防等领域有着广泛的应用，现场总线的主要优 点： ( 1 ) 增强了现场级信息集成能力； ( 2 ) 开放式、互操作性、互换性，可集成性； ( 3 ) 系统可靠性高、可维护性好； ( 4 ) 降低了系统及工程成本。 1 3 课题的提出和解决 随着科技的发展和人们生活水平的提高，楼宇大厦的管理也越来越智能化。楼字 自动化系统( b a s ) 是智能大厦的重要组成部分，它采用传感技术、计算机技术和现 代通信技术，实现对大厦内的空调、电力、电梯、供排水、防火、防盗和视频监控等 设备实行综合自动管理，具有各种安全保护、运行监控等管理功能，给用户提供舒适、 安全的内部环境。大厦的各个场所、各个房l 日j ，温湿度必须常年控制在某一特定的范 1 绪论 硕f 学忙论定 围内，实现温湿度控制智能化。时由于窜内温湿度设定的横糊性和个体差异性，需 要有一种智能化的殴定方法，柬实现温湿度没定值的自动匹配。 本文介绍的温湿度监控系统，基于can 总线，采用p 8 9 c 6 6 4 h 单片机作为智能 节点控制器，以s h t i i 为温湿传感器，系统通信可靠、快捷，硬件电路设计和软件 编程简单，能较好地满足智能大厦对环境温湿度监控的智能化要求。 本文结合神经网络技术，设计了基fc m a c 神经网络的温湿度智能设定方法及 温湿度设定自学习算法。 2 南京理r 夫学坝 p 论窆i 吝卜c a n0 吱的盘谢懂n 柠系统眨c m a ( 神卸m 略的小，旰j 2 现场总线控制系统概述 2 1 现场总线及分布式控制系统 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型网络集成式全分旬控制系 统，即现场总线控制系统。所谓的现场总线控制系统( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m 。简称 f c s ) 足指分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场的总线连为一体，并与控制 室的控制器和监视器共廿】构成的控制系统。它是继基地式控制系统、电动单元组合式 模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系统( d c s ) 后的新一代控制 系统，它顺应了控制系统的分散化、智能化的发展方向。 2 2 现场总线体系结构及分布式控制网络模型 2 2 1 体系结构 现场总线采用了三层网络结构物理层、数据链路层和应用层。为什么只采用 三层网络结构而不采用七层o s i 机构? 主要足因为：1 面向控制的信息通常非常有 限，当要求这种信息必须快速到达目的站时，七层模式使数据转换远远慢于实时操作 要求；2 现场总线设备并不需要o s l 地址：3 与o s l 系统有关的网络接口的造价对 现场总线系统来说显得过高，包括o s i 系统所有备层的总开销，对现场总线的应用 来说同样显得过高：4 觑场总线网络采用低成本的桥接器、路由选择器和网问连接器 等实现与其他开放式系统( 例如o s i 网络、m a p 网络) 的连接。这种网络结构具有 结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，同时性能又令人满意。因此，现场总线 是一种开放式实时系统，只具有简单的网络结构，而与有着七层协议的o s i 不完全 保持一致。现场总线体系结构模式如下图【1 i ： 3 2 鼬场心线拧制采壬奄擞述帧f 学f 论t 图2 2 1 1 f i e l db u s 体系结构模式 2 2 2 控制网络模型 现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础。和 i n t e m e t 、i n t r a n e t 等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此要求拥 有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准 的网络协议作了简化，一般只包括i s o o s i7 层模型中的3 层。此外，现场总线还 要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。综合自动化是现代工业自动化的发展 方向，在完整的企业网构架中，现场总线控制网络模型应涉及从底层现场设备网络到 上层信息网络的数据传输过程。统一的现场总线控制网络模型应具有三层结构，从底 向上依次为：现场智能设备层，现场总线监控层、远程监控层。 2 2 2 1 现场智能设备层 依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数 据采集、a d 转换、数字滤波、温度压力补偿、p i d 控制等各种功能。智能转换器 对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。此外，总线上应有p l c 接1 2 1 ，便于连 接原有的系统。 现场设备是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、可 靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。常见的现场总线网络拓 扑结构有：环形网，其特点是时延确定性好，重载时网络效率高，但轻载时等待令牌 产生不必要的时延，传输效率下降。总线网，其特点是节点接入方便，成本低。轻载 4 南京珲r 人学埘l 学p 冷艾革f - c a n 曹线1 1 盘m 疃n ”系境砭c m a ( 神邛州络的廊吲 时时延小，但网络通信负荷较重时时延加大，网络效率下降。此外传输时延不定。树 型网，其特点足町扩展性好，频带较宽，但节点i 日j 通信不便。令棹总线网，结合环形 刚和总线网的优点，即物理七是总线网，逻辑足令牌网。这洋，网络传输时延确定 无冲突，同时节点接入方便，可靠性好。 2 2 2 2 现场总线监控层 这一层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分 析等功能，另外还包括控制组态的设计。监控层的功能一般由上位计算机完成，它通 过扩展懵中网络接 1 板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信；或者通过等 门的现场总线接口( 转换器) 实现现场总线网段与以太网段的连接，这种方式使系统配 置更加灵活。这一层处于以太网中，因此，其关键技术是以太网与底层现场设备网络 问的接口，主要负责现场总线坍议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传 输。监控层除上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。 2 2 2 3 远程监控层 其主要目的足在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先要将中间 监控层的数掘库中的信息转入上层的关系数据唪中，这样远程用户就能随时通过浏览 器查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一 定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广域网范围内实现底 层测控信息的实时传递。目前，远程监控实现的途径就是通过i n t e m e t ，主要方式是 租用企业专线或者利用公众数据网。由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全， 可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等。在这方面，w o r l d f i p 现 场总线技术具有优势。在整个现场总线控制网络模型中，现场设备层是整个网绍模型 的核心，只有确保总线设备之白j 可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信 息以及实现监控功能。当前对现场总线的讨论多停留在底层的现场智能设备网段，但 从完整的现场总线控制网络模型出发，应更多地考虑现场设备层与中间监控层、 i n t e r n e t 应用层之间的数据传输与交互问题，以及实现控制网络与信息网络的紧密集 成。 5 3 c a n 鬯线( 拧制器域堕) _ 介绍硕 学p 论定 3 c a n 总线( 控制器局域网) 介绍 3 1c a n 的基本概念【1 1 c a n 总线即控制嚣局域( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) ，最早由德国b o s c h 公司提 出，目前已成为i s o l l 8 9 8 承1 1 s 0 1 1 5 1 9 因酗：标准现场总线。c a n 总线是一种串行数 据通信总线，通信介质町采用双绞线、同轴电缆或光纤。c a n 通信控制器集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能。 一个由c a n 总线构成的单一嗍络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中， 节点数目受网络硬件的电气特性所限制。c a n 可提供高达1 m b i t s 的数据传输速率， 这使实时控制变得| 乍常容易。另外，硬件的错误捡定特性也增强了c a n 的抗电磁干 扰能力。c a n 具有十分优越的特点，使人们乐于选择。 这蝗特性包括： t 低成本 + 相应器件的开发商多，可选择的范围大 + 极高的总线利用率 很远的数据传输距离( 长达1 0 k i n ) 高速的数据传输速率( 高达1 m b i t s ) 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和验错机制 发送的信息遭破坏后，可自动莺发 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。c a n 有两种协议：c a n 2 0 a , c a n 2 0 b 。c a n 2 0 a 是标准c a n ，标志符长度是1 1 位， c a n 2 0 b 足扩展格式c a n ，标识符长度可达2 9 位。c a n 中的总线数值为两种互 补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”“显性”( d o m i n a n t ”) 数值表示逻辑“矿，而“隐 性”( “r e c e s s i v e ”) 表示逻辑“1 ”。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为 “显性”在“隐性”状态下，v c a n - h 和v c a n l 背固定与平均电平，v d i f f 近似为0 。 在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。“显性”状态以大于最小阀值的差分电 压表示。c a n 系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关。位速率越 大，传输距离越近。 6 南泉珲 1 - 人学绚i 学p 论迂罐f c a n 鬯线的益搿它件系境哇c m a c 冲邛嗍络的m 嘲 3 2c a n 的层次结构 c a n 遵从o s l 模型，按照o s l 基准模型，c a n 结构划分两层【2 l = 数据链路层 和物理层。按i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路又划分为： 逻辑链路控制( l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制( m a c - - m e d i u m a c c e ! ；sc o n t r 0 1 ) 物理层又划分为： 物理信令( p l s - - p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 物理媒体附属装置( p m a - - p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ) 媒体相关接( m d i _ m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) m a c 子层运行借助称之为“故障界定实体( f c e ) ”的管理实体进行监控。故障 界定是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助检测和 管理物理媒体故障实体进行监控( 例如总线短路或中断，总线故障管理) 。 l l c 和m a c 两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据单元( p d u - - p r o t o c o l d a t au n i t ) 相互通信。 3 - 2 1 逻辑链路控制( l l c ) 子层 3 2 1 1l l c 子层功能 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理【2 】。 ( 1 ) 帧接收滤波：在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧 跃变无关。帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义， 每个接收器通过帧滤波确定此帧与其是否有关。 ( 2 ) 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个u c 数据帧或l l c 远程 帧，则通过u 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据 帧或远程帧。 ( 3 ) 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的的帧，u c 子层具有自 动重发送功能。在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。 3 2 i2l l c 帧结构 u c 帧是等同u c 实体( u d u ) 之间进行交换的数据单元，以下分别描述 u c 数据帧和远程帧的结构。 ( 1 ) l l c 数据帧 u 数据帧由三个位场，既标识符场、数据长度码( d l c - - d a t al e n g t hc o d e ) 场和u c 数据场。 7 3 c a n 乜 笺( 拧制器q 域阿) 介馏硕p 学忙论艾 ( 2 ) l l c 远程帧 l l c 远捍帧由两个位场( 标识符场和d l c 场) 组成。l l c 远程帧标识符格式与 l l c 数据帧格式相同，只是不存盘数据场。d l c 的数值足独芷的，此数据为对应数 据帧的数据长度码。 3 2 2 媒体访问控制( m a c ) 子层 m a c 子层功能由i e e e8 0 2 3 中规定的功能模型描述。 3 2 2 1m a c 帧结构 c a n 系统中，数据在结点间发送和接收以四种不同类犁的帧出现和控制其中： 数据帧将数据由发送器传至接收器；远程帧由节点发送，以清求发送具有相同标识符 的数据帧；出错帧呵由任何节点发送，以检测总线错误，而超载帧用于提供先前和后 续数据帧或远程帧之间的附加延时。另外，数据帧和远程帧以帧间空间隔同先前帧隔 开。 3 2 2 2m a c 帧编码和发送，接收 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列帧段均以位填充方法进行编码。 当发送器在发送位流中检测到5 个数值相同的连续位( 包括填充位) 时，它在实际 发送位流中，自动插入一个补码位。数据帧或远程帧的其余位场( c r c 界定符、a c k 场和帧结束) 为固定形式，不进行位填充。错误帧和超载帧也为固定格式，同样不使 用位填充方法进行编码。帧中的位流按照非归零( n r z , - - n or e t u r n - t o z e r o ) 方法编 码。这意味着，这就意味着一个完整位其位电平要么是“显性”，要么是“隐性”。一帧 应由其s o f 场开始逐个位场进行发送。在一场内应首先发送最高位对于发送器和接 收器一帧的有效时点足不同的。对于发送器，若在帧结束完成前不存在错误，则该帧 为有效。若一帧被破坏，则进行恢复处理。对于接收器，若在帧结束最后一位前不存 在错误，则该帧为有效。 3 2 2 3 媒体访问和仲裁 当检测到间歇场未被“显性”位中断后，认为总线被所有节点释放。总线一旦释放， “错误一活动”节点可以访问总线。总线一旦释放，接收当前或先前帧的“错误一认可” 节点可以访问总线一旦完成暂停的发送，并且其问没有其它节点开始发送，发送当 前帧或已发送完先前帧的“错误一人可”节点可以访问总线。当允许节点访问总线时， m a c 数据帧和m a c 远程帧可以起始。m a c 错误帧和m a c 超载帧如上述舰定被 发送。发送其间，发送数据帧或远程帧的每个节点均为总显主站。当许多节点一起开 始发送时，此时只有发送具有最高优先权帧的肯点变为总线主站。这种解决总线访问 8 南泉即丁，、学确卜学 _ 论定幕卜c a n0 线的盘埽电。掩拧系铳幢c m a c 种邛| 卅锦的小f i j 冲突的机理足基于竞争的仲钱。仲裁期f u j ，每个发送起将发送位电平总线上监测到 的电平进行比较。若相等，则节点町以继续发送。当送出一个“隐性”电平，而监测到 的为“显性”电平时，表明节点丢失仲战，并且不应再送更多位。当送出“慰性”电平， 而监测到“隐性”电平时，表明节点检测出位错误。基f 竞争的仲裁依靠杯识符和紧随 其后的r t r 位完成。具有不同杯识符的两帧中，优先权被标注于帧中，较高优先权 的杯识符具有较低的二进制数值。若具有相同杯识符的数据帧和远程帧刚时破仞始 化，数据帧较之远程帧具有较高优先权，它通过按照r t r 位数值标注达到。 3 2 2 4 错误检测 m a c 子层具有下列错误检测功能：监测、填充舰则校验、帧校验、1 5 位循环 冗余码校验和应答校验。 ( 1 ) 错误类型 位错误 填充错误 c r c 错误 形式错误 应答错误 在发送器a c k 隙期间未检测到“显性”位时，则检测到一个应答错误。当检测到 以上这些错误之一，l l c 子层被告之，并且，m a c 子层启动发送错误标志。当任 何节点检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由各自节点在下一位启动 发送错误标志。当检测到c r c 错误时，错误帧在仅随a c k 界定符后的那位启始发 送，除非另一个错误条件的错误帧已经准备好启动。 ( 2 ) 错误界定规则 网络中任何一个节点，根据其错误计数器数值，可能处于下列三种状态之一。 错误激活”节点；一个“错误一激活”节点可以正常参与总线通信。并在检测到错误 时，发出一个活动错误标志。活动错误标志由6 个连续显性位组成，并且遵守位填充 规则和在规定帧中出现的所有固定格式。 “错误一认可”节点：一个“错误一认可”节点不应发送活动错误标志。它参与总线通 信，但在检测到错误时，发送一个认可错误标志，认可错误标志由6 个连续的隐性位 组成。发送后，“错误一认可”节点在开始进一步发送前将等待一段附加时日j 。 “总线脱离”节点：当一个节点由于请求故障界定实体而对总线处于关闭状态时，其 处于“总线脱离”状态。在“总线脱离”状态下节点既不发送，也不接收任何帧。只有应用 户请求，节点才能解脱“总线脱离”状态。 争 3c a n 憩线( 挣制器e 5 域嗍) ，卜锅 坳t 学忙论定 3 2 3 物理层 物理层足将e c u 连接至总线的电路实现。e c u 的总数将受限丁：总线上= 的电气负 载。c a n 的物理层划分为三部分：物理信令子层、p m a 子层、m d i 子层物理信令实 现与位表示。定时和廿j 步相关的功能。p m a 实现总线发送接收的功能电路并提供总 线故障捡测方法。m d i 实现物理媒体和m a u 之| 日j 机械和电器接口。 3 3c a n 总线的应用 c a n 的第一层物理层负责物理信号传输、译码、位时序和位同步等功能，第二 层数据链路层负责像总线仲钱、信息分段以及数据安全、数据确认、错误检测、信号 传输和错误控制等功能。 c a n 标准没有规定应用层。实际上，即使在执行一些非常简单的基于c a n 的分 布式系统时，除了基本的二层服务以外，还要求或希望有更多的功能，如发送长于8 字节的数据块，响应或确定数据传送，标识符分配，网络启动或监控节点。由于这蝗 附加的功能直接支持应用进程，所以它可以被认作“应用层”。 本文所介绍的基于c a n 总线的温湿度监控系统就是结合项目实际对c a n 应用 层的开发。c a n 总线的第一层和第二层协议，即物理层和数据链路层协议一般都被 封装在具体的芯片中。即集成c a n 总线控制器，集成c a n 总线控制器按是否和微 控制器结合分为两类： 一种是独立的c a n 总线控制器：如i n t e l8 2 5 2 6 、8 2 5 2 7 ，p h i l i p s 的8 2 c 2 0 0 、 s j a l 0 0 0 ，n e c 的7 2 0 0 5 ，s i m e a s 的8 1 c 9 0 9 1 等。 一种是和微控制器结合的芯片：如p h i l i p s 的8 x c 5 9 2 ，8 x c e 5 9 8 ，p 8 7 c 5 9 1 ， m i c r o c h i p 的p i c l 8 f 8 6 8 0 6 6 ；o 和p i c l 8 f 8 5 8 5 6 5 8 5 ，m o t o r o l a 的6 8 h c 0 5 x 4 、 6 8 h a d 5 x 1 6 等。 负责集成c a n 总线控制嚣和物理传输线路之间的接口的器件足c a n 总线收发 器，该器件对总线提供差动发送能力。c a n 总线收发器有：p h i l i p s 的p c a 8 2 c 2 5 0 、 p c a 8 2 c 2 5 1 、高速的有t j a l 0 4 0 1 0 4 1 1 0 5 0 1 0 5 4 ，m i c r o c h i p 的m c p 2 5 5 1 等。 l o 南泉珲t 入学均 学p 论定单卜c a n0 缱的，雒席隹诲拧季壬竞幢( m a c 抻坪叫铬的，用 4 基于c a n 的分布式温湿度监控系统构建 4 1 分布式温湿度监控系统总体方案的设计 系统应用特点：应用f 搂宇室内温湿度的监视调节和报警。系统要求长期稳定 运行。实际操作上位机和下位机的使用人员，文化水平参差不一。室内的温湿度的设 定具有极大的个体差异和模糊性。需要考虑系统的升级能力，以后多种测控节点的接 入。需要考虑系统移用到其他类似应用上的移植性。 因此设计的原则遵循： 1 系统运行的长期稳定性 2 人机界面的易用性 3 温湿度设置的智能性 4 温湿度控制的精确性 5 设计的通用性，移植能力 6 设计和器件选用的经济性 4 2 监控系统硬件结构模型 整个监控系统由上位机，c a n 配设网卡，物理总线，和下位机节点几个部分组。 成。系统组成结构如图4 2 1 ： 口 图4 2 1 监控系统硬件结构 上位机负责整个系统的监视控制，对系统参数的设置，对c a n 节点的远程参数 1 1 4 堆 。c a n 的分布式盘澎度冁拧采士j c 构建 幼f 学付论定 设霄和查询，接收c a n 节点的数据和报警信弓。 下位机管点负责测磕温湿度，控制凋节机构( 电磁阀门) 调符温澎度，给用户提 供人机接口柬设黄窀内温湿度，进行相关数据记录，向上位机发送数据和报警信号。 4 3c a n 节点的硬件设计 c a n 节点的一差要器件由微处理器m c u ，c a n 总线控制芯片，c a n 收发芯片和 测景传感器组成。 目前巾场上比较流行的c a n 总线器件有两大类：一是独立的c a n 总线通信控制 器，如s j a l 0 0 0 等；二是集成了c a n 总线通信控制器的微处理器，如p 8 7 c 5 9 1 等。 从成本角度考虑，选择独立c a n 控制器，而没有用集成c a n 控制器的高性能微机 处理芯片。 4 3 1 微处理芯片选用p 8 9 c 6 “h 它的主要资源有： 1kr a m 。6 4 k r o m ， 4 个中断优先级； 7 个中断源； 4 个8 位i 0 口； 全双工增强型u a r t 一帧错误检测； 自动地址识别； 可编程时钟输出； 可编程计数器阵列( p c a ) p w m ； 一捕获比较。 内部硬件看门狗 异步端口复位； 低e m i ( 禁止a l e ) ： 每个机器周期为6 个时钟周期( 标准) ； 采用6 时钟周期时频率可高达2 0 m h z ( 相当于4 0 m h z ) ，采用1 2 时钟周期时 频率可达3 3 m h z ： 这款单片机，带硬件看门狗，有全双工u a r t ，不带a d 转换，但带年5 路的p w m 输出( 一路p c a 可选用傲看门狗) ，很适合本系统c a n 节点纯数字传感器采样，p w m 南泉绅t 大学埘，t 学p 论毕卜c a n 鬯线的出饵噎灯柠彖镜硬( m a c 砷邛叫络的h v 用 输出控制的特点。即仃经济性，又能满足功能需要。 4 3 2c a n 控制器选用s j a l o o o s j a i ( x ) o 是一种独立c a n 控制器1 4 l ，是p h i l i p s 半导体p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控 制器( b a s i c c a n ) 的替代产品。它增加了一种新的工作摸式( p e l i c a n ) ，这模式支 持具有很多新特性的c a n2 0 b 协议。它内部同化有c a n b u s 协议，能够独立执 行c a n 总线协议。 s j a l 0 0 0 特性1 5 1 引脚及电气特性和p c a 8 2 c 2 0 0 独芷c a n 控制器兼容 兼容p c a 8 2 c 2 0 0 模式即默认的b a s i c c a n 模式 扩展的接收缓冲器6 4 字节先进先出f i f o 和c a n 2 o b 协议兼容p c a 8 2 c 2 ( ) o 兼容模式中的无源扩展帧 同时支持1 1 位和2 9 位识别码 位速率最高可达1m b i t s s p e l i c a n 模式扩展功能： 可读写访问的错误计数器 呵编程的错误报警限制 最近一次错误代码寄存器 对每一个c a n 总线错误的中断 具体控制位控制的仲裁丢失中断 单次发送无重发 只听模式无确认无活动的出错标志 支持热插拔软件位速率检测 验收滤波器扩展4 字节代码4 字节屏蔽 自身信息接收自接收请求 e 2 4 m h z 时钟频率 对不同微处理器的接口 可编程的c a n 输出驱动器配置 增强的温度适应( - 4 0 + 1 2 5 ) s j a l 0 0 0 的封装形式及引脚功能见1 5 】 4 3 3c a n 收发器选用p c a 8 2 c 2 5 1 7 1 p c a 8 2 c 2 5 0 的土要特性有： o “t r _ 全符合“i s o l l 8 9 8 ”标准 高速率( 最高达lm b p s ) 1 3 4 擎卜c a n 的舒布j t 盐澍疃：喳拧系缝掏建 顺l 学位论定 具 r 抗汽车环境中的瞬f u jf 扰，保护总线能力 斜率控制，降低射频f 扰( r f i ) 差分接收器，抗宽范围的共模f 扰，抗电磁1 二扰( ( e m i ) 热保护 防止电池和地之问的发生短路 低电流待机模式 未上电的话点对总线无影响 町连接1 1 0 个节点 其主要功能有： 首先，8 2 c 2 5 0 驱动电路内部具有限流电路，可以防止输出级对电源、地或负载 短路，虽然在这种故障条件出现时功耗增加，但不致使输出级破坏。 其次，8 2 c 2 5 0 采用双线差动驱动，有助于抑制恶劣环境下的瞬变干扰。引脚r s 可用于选择三种不列的工作方式：高速、斜率控制和待机。在高速工作方式下，发送 器输出晶体管以尽可能快的速度启闭。在这种方式下，不采用任何措旌限制上升和下 降斜率，此时，建议使用屏蔽电缆以避免射频f 扰问题。通过将引脚p 0 0 接地可选择 高速方式。对于较低速度或较短总线长度，可用i e 屏蔽双绞线或平行线作总线。为降 低射频干扰。应限制上升和下降斜率，上升和下降斜率可通过由引脚8 至地连接的电 阻进行控制。斜率正比于引脚8 上的电流输出。若脚8 接高电平，则电路进入低电平 待机方式，在这种方式下，发送器被关闭，而接收器转至低电流。若检测到显j 畦位， r x d 将转至低电平，微控制器应通过引脚8 将发送器变为正常方式作为对此条件作 出的反应。由于在待机方式下，接收器是慢速的，因此第一个报文将被丢失。 对于c a n 控制器及带有c a n 总线接口的器件，8 2 c 2 5 0 并不是必须使用的器件， 因为多数c a n 控制器均具有配置灵活的收发器件，并允许总线故障，只是驱动能力 只允许2 0 一3 0 个节点连接在一条总线上f 1 2 1 而8 2 c 2 5 0 支持多达1 1 0 个节点，并能 以1m b p s 的速率工作于恶劣电气环境下。利用8 2 c 2 5 0 还可方便地在c a n 控制器与 收发器之间建立光电隔离，以实现总线上各个节点之间的电气隔离。 4 3 4 测量传感器选取数字温湿度传感器s l f r l l s h t l l 是瑞上s e n s i r i o n 公司生产的具有1 2 c 总线接口的单片全校准数字式相对 湿度和温度传感器。该传感器采用独特的c m o s e n st m 技术，具有数字式输出、免 调试、免杯定、免外围电路及全互换的特点。 传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和 杯定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往 南京理丁夫节蛳t 学p 论定擎卜c a n 色线的盟昂睦1 嗡拌糸镜殷c m a c 种邛| 叫络的m f j 往不尽人意。可以省去信号凋理电路和a d 转换电路，简化电路设计，提高町靠性和 稳定性。免去了考虑传感器和放大电路的温i 票和时漂的问题，利f 节点的长期稳定运 行。 由于s e n s i r i o n 公司的数字传感器，每个中部同化有其唯一的序列号，因此营系 统中每个节点均有1 个s h t l l 传感器的情况下，也可用此序列弓作为c a n 节点的识 别标志。； 4 341s h t l l 温湿度传感器的主要特性 将温湿度传感器、信号放大调理、a ，d 转换、1 2 c 总线接口全部集成于一芯片 ( c m o s c n s t m 技术) 7 1 呵给出全校准相对湿度及温度值输出： 带有工业标准的1 2 c 总线数字输出接口； 足肓露点值计算输出功能； 具有卓越的长期稳定性； 湿度值输出分辨；簪为1 4 位，温度值输出分辨率为1 2 位，并可编程为1 2 位和 8 位； 小体积( 7 6 5 x 5 8 0 x 2 3 5 m m ) ，可表面贴装； 具有可靠的c r c 数据传输校验功能； 片内装载的校准系数可保证1 0 0 互换性； 电源电压范围为2 4 5 5 v ； 电流消耗。测量时为5 5 0 u a ，平均为2 8 u a ，休眠时为3 u a 。 g n d d a t a s c x v d d n c n c n c n c 图4 3 4 1s h t l l 外形和引脚排列 由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传 感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保 证了传感器的长期稳定性，而a d 转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的 敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同 4 单卜c a n 的舒布j 弋 衙疃精挣系圣觅掏建颇i 一学f ，沧史 的功能，即具有1 0 0 的巨换性。最后，传感器町直接通过1 2 c 总线与任何类型的微 处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。 应用浣明 由于二大气的相对湿度与温度的关系比较密切，因此，测最大气温度时的要点足将 传感器与大气保持同一温度，如粜传感器线路板上有发热元件则无法准确测最。 s h t l l 应与热源保持良好的通风。为减少s h t l l 和p c b 之问的热传导，应使铜导线 最细并在其中加上窄缝，同时应避免使传感器在强光或阳光下曝晒。 传感器在白线时，s c k 和d a t a 信号平行且相互接近，或信号线长于1 0 c m 时， 均会产生干扰信息，此时应在两组信号之间放置v d d 或g n d 。 v c c ”恺 v d d 厄a 一吁 n 乱罩 n d 】q 3 0 p n 1 虚 - l 口 r 卫跖t - j0m 盈 v s s 圈4 3 4 2 单片机与s h t l l 连接电路 使用单片机通用i o 口线来虚拟1 2 c 总线，并利用p 1 0 来虚拟数据线d a t a ，利 用p 1 1 口线来虚拟时钟线，并在d a t a 端接入一只4 7 k 的上拉电阻，同时，在v d d 及g n d 端接入一只0 1 u f 的去耦电容。 南宁珲1 人学蛳f 学p 论定垠十c a n0 线的出郁蹙惰拧乐壬i 芒使c m a c 砷绅州略的瞄，咽 4 3 5 c a n 节点硬件结构 - c u 内9 5 l 静i 内部着门独 c , m i 总线 网呤 幽臼 图4 3 5 1c a n 节点硬件结构示意图 用1 2 8 x 6 4 液晶屏做为显示输出器件，用薄膜4 x 4 键盘做为输入器件，可实现菜 单全中文显示，方便用户操作。 p w m 接口用来控制调节机构，如供暖管道，通风管道，加湿器的电磁阀门等。 r s 2 3 2 接口做为扩展用接口，以做双机通讯之用，使得其他只具有r s 2 3 2 接口 的装置也可以通过c a n 节点与上位机通讯，或者与c a n 节点协调工作。并且可以 实现离线调试设置和离线数据读取。 e e p r o m 选用a 1 9 3 c 5 6 ，s p i 接口，有2 5 6 个字节的存储空间。 在设计c a n 节点时有几个方面需要注意： ( 1 ) 物理总线两端要匹配终端电阻黜，提高c a n 总线数据通信的抗干扰性及 可靠性： ( 2 ) p c a 8 2 c 2 5 0 为c a n 总线通信控制器与物理总线之间的接口，它可以提供 向总线的差动发送能力和c a n 控制器的差动接收能力，t x d 和r x d 引脚分别发送 经过驱动后的发送和接收信号。引脚8 ( r s ) 可以选择2 种不同的工作方式：当与地相连， 则系统将处于高速工作方式，在这种方式下，为避免干扰，最好使用屏蔽电缆作为总 线：而在低波特率且总线较短时，一般采用斜率控制方式，上升及下降的斜率取决于 r s 的阻值，而r s 的取值一般在1 k - 1 4 0 k ，在这种方式下可以采用双绞线作为总线的 物理介质。本系统采用的就是这种方式，r s 采用的是4 7 k 的电阻。 ( 3 ) s j a l 0 0 0 的t x i 脚悬空，r x1 引脚的电平必须维持在约0 s v c c 以上，否 则达不到c a n 协议要求的电平逻辑。 ( 4 ) 把p 8 9 c 6 6 4 h 的x 2 引脚接s j a l 0 0 0 的外部振荡输入引脚x t a l1 ，使其 1 7 4 幕卜c a n 的分布式盅m 噎犄捧彖镜掏建帧i 学伊论之 时钟m 步。将s j a l 0 0 0 的i n t 与p 8 9 c 6 6 4 h 的i n t 0 相连，这样p 8 9 c 6 6 4 h 和s j a l