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计算机网络与通信论文 院系： 电子信息工程学院 专业： 电气工程及其自动化 姓名： 张天宇 班级： 100413 学号： 100413160 时间： 2013年11月29日 摘要楼宇自动化控制系统是采用现代化的传感技术、计算机通信技术对建筑物内所有机电设施进行信号采集、控制，提供有效安全的物业管理，使其设备应用在最良好的状态。本次设计是基于一套CAN总线的远程控制装置，通过CAN总线完成对现场设备的控制操作，并与CAN总线上其他设备完成数据的传输。系统硬件部分主要由AT89S52单片机、SJA1000 CAN控制器等组成，系统在硬件和软件上进行模块化设计，具体实现了以单片机为控制核心，设计了4路数字量输入，4路模拟量输出模块，以及CAN接口电路模块。CAN总线的应用，提高了楼宇智能化水平并降低了设备的管理成本。CAN总线提供了标准网络协议的数据链路层，没有相应的高层通信协议。CANopen协议是一种基于CAN现场总线的开放的、标准化的高层协议。它是一种具有实时性的高速串行总线系统，它被广泛应用在嵌入式系统中。CANopen协议允许不同设备以标准化方式进行通信，使其具有互操性。关键词：楼宇控制；CAN总线；控制节点；CANopen协议Abstract Building automation control system consists of modern sensor technology, computer communication technology on buildings of all electrical and mechanical facilities for signal acquisition, control and provide effective security for property management, to equipment used in the best condition. The design is based on a CAN bus, the remote control device, through the CAN bus for control operation of field devices and other devices with the CAN bus for data transmission. Hardware of the system mainly by AT89S52 singlechip, SJA1000 CAN controller and other components, system hardware and modular software design based on single chip for the realization of the control core, designed 4 digital inputs, 4 analog output module, and the CAN interface circuit module. CAN bus applications, improve the level of intelligent building and reduce management costs of the equipment. CAN bus provides a standard network protocol for data link layer, there is no corresponding high-level communication protocol. CANopen protocol is an exoteric and standardized high layer protocol based on CAN field bus. It is a high speed serial bus system with real-time capabilities, CANopen protocol allows diffcate with each other in a standardized manner and makes them inter operable.Key words: Building control system; Controller Area Network; CANopen protocol 1.引言随着微电子技术与通讯技术的迅速发展，以及光纤通信（Fiber Communication）、卫星通信（Satellite Communication）、区域网络(Local Area Network)与广域网(Wide Area Network)等取得长足发展。根据国际电工委员会（international Electrotechnical Commision，IEC）标准和现场总线基金会（fieldbus foundation，FF）的定义，现场总线的概念一般为一种用于智能化现场设备，自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的底层通信总线。现场总线有:基金会现场总线（Foundation Fieldbus，FF）、控制局域网络（Controller Area Network，CAN）、局域操作网络（Local Operating Fieldbus ，LonWorks）、过程现场总线（Process Fieldbus ，PROFIBUS）等。但是由于各个行业的发展历史以及各个公司、企业的经济利益，导致一些总线逐渐被遗忘，一些总线在当今的市场上共存。CAN总线是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。在各种工业现场总线中CAN总线以成本较低、速度快、实时性、可靠性较高的特点适应于现代汽车电子、医疗、军事等领域的产业。CANopen协议定义了应用层和通讯子协议，为可编程系数、不同器件、借口及应用子协议定义了帧状态。为现场总线的全数字分布控制系统的广泛应用以及把系统一体化管理提供了有效的方案。CANopen协议是基于CAN串行总线系统和应用层CAL的高层协议。CAL提供了网络管理服务和报文的传送协议。CANopen在CAL基础上使用了CAL通讯和服务协议子集的一种实现方案，在保证网络节点互用性的同时，允许节点的功能随意扩展。在嵌入式系统用用的发展，许多总线已经不能满足高性能、高实时性系统的要求，CAN总线是当前比较有希望成功的。2现存的楼宇控制系统相关技术1在.基本型建筑物自动化控制系统中，基于窗口式的基本型建筑物自动化控制系统的工作站可以配置成文本显示中央操作系统,也可以配置成全具功能化的图形终端。它在Windows NT环境下操作,局域网可以是以太网或者令牌环网,在一个多建筑物的区域,可以配置多个分布式工作从站。2.综合型建筑物自动化系统：它是在基本型建筑物自动化控制系统的基础上建立一个自动化控制系统。通过监控来自系统的数据，同层总线、防火与保安总线、S总线设备等,可以将多个工作站连接至Novell LAN,以此提供与其它分支维护管理的接口。3.开放型建筑物自动化监控系统开放型建筑物自动化系统,它监控多种分布式子系统,如空调自控、防火与保安,可以把其它子系统综合在一个网络系统中。采用符合工业标准的操作系统、LAN通信、相关数据库和图形系统。4.楼宇自动化系统的主要组成楼宇自动化系统负责完成大厦中的空调制冷系统、变配电系统、照明系统、供热系统及电梯等的计算机监控管理。主要应用于(1)空调监控系统 (2)冷冻站监控系统 (3)给排水监控系统 (4)变配电监控系统(5)热力站监控系统 (6)照明监控系统 (7)安全防范监控系统 (8)背景音乐、消防广播系统等。3.CANopen协议概述3.1总述CANopen是一种构架在控制局域网络上的高层通讯协定，其中包括通讯子协定和设备子协定是工业控制中常用的一种现场总线，常在嵌入式系统中被应用。CANopen协议是Cia协会针对CAN协议不完整性开发出来的一个更高层次的协议。CANopen标准包括寻址方案、通讯子协定和其他由设备协定所定义的应用层。其能支援网络管理、设备监控和节点之间的通讯，包括一个简易传输层处理资料的分段传输和组合。资料连接层和实体层用CAN来实时工作。3.2设备模型 一个CANopen设备模块可以有三部分。如图1，通信接口和协议软件提供在总线上收发通信对象的服务。不同的CANopen设备都是通过交换通信对象完成之间的通信的，它直接面向CAN控制器进行实时操作的。对象字典用来描述设备是哦那个的所有数据类型、通信对象和应用对象。它位于通信程序和应用程序之间，为应用程序提供借口，CANopen通信通过应用程序对对象字典进行操作实现的。应用程序包括通信部分和功能不分，通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen的通信；功能部分则是根据应用要求来实现的。其对象字典结构如表1。应用程序、设备电子协议对象字典：数据类型、通讯对象、应用对象通讯接口：PDO，SDO,特殊功能对象，NMT 图 1 CANopen 设备对象字典结构索引 对象000 Not used001001F 静态数据类型002003F 复杂数据类型040005F 规定的复杂数据类型060007F 设备子协议规定静态数据类型080009F 设备子协议规定的复杂数据类型00A00FFF reserved10001FFF 通讯子协议局域20005FFF 特定子协议区域60009FFF 标准设备子协议区域A000FFF Reserved 表13.3 对象字典（Object Dictionary）CANopen网络的通信和管理都是通过不同的通信对象来完成的。对象字典（Object Dictionary）是一个有序的对象组，每个对象用一个16位的索引值来寻址，定义了一个8位的子引索来允许访问数据中的单个元素。在CANopen网络系统中每个节点都有唯一的对象字典。CANopen网络的通信和管理都是通过不同的通信对象来完成的。通讯对象分类：数据对象（PDO）：PDO被映射到单一的CAN帧中，用8个字节的数据字段把过程数据对象PDO映像到一单一的CAN帧传输应用对象。每一个PDO都有一个惟一的标识符，并且可以通过一个节点发送，但是可以有多个接受者。数据服务对象（SDO）:用来对对象字典进行读写操作。该对象可以传输大于8个字节的配置信息。接收者将确认收到的每个段信息，发送和接受者间将建立点对点之间的通信，被访问对象字典的设备是SDO通讯的服务器，一个设备可以支持多的SDO对象，但是至少有一个SDO会在一个设备中被支持。网络管理对象（NMT）:网络管理对象包括节点警戒对象。网络管理协议（NMT）提供了特定应用，网络同步，时间戳和紧急报文传输。NMT主要提供了以下功能：模块控制服务；配置控制服务和错误控制服务。特殊功能对象：CANopen还为同步，紧急状态表示以及时间标记传送三个特定对象。同步对象是同步制造者对网络进行周期性广播，为该对象提供基本网络时钟。紧急对象则是当设备发生严重的内部错误时，紧急客户机发送一个紧急状态对象。时间标记对象是将应用设备提供公共的时间帧作参考。4.1选择CANopen原因基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。泛应用于加工制造、过程和楼宇自动化等行业。其中PROFIBUS DP可以提供最大12Mbps的传输速率。由于优越的传输特性和高的传输速率，在可编程逻辑控制器PLC中被广泛采用。CAN 是Controller Area Network 的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议。在当今各产业中，为了给人和社会带来利益，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，因此有了CAN的通信协议。 现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。CAN总线是属于现场总线的范畴，它可一对串行通信网络进行分布控制或者实时控制。对于目前叫的的RS-XXX基于R线构建的分布控制来说。CAN总线具有下面优势：(1)CAN总线开发系统具有实时性强、传输距离远、抗干扰能力强。(2)CAN是到目前为止唯一具有国际认证标准且成本低的现场总线；(3)CAN总线废除传统的站地址编码，它以对通信数据块进行编码，可以不分主从，多主方式工作。(4)CAN采用非破坏性仲裁技术两个节点同时向网络上传送数据时，可判断优先级，先高后低使优先级高的节点在传输数据是不受影响，避免了总线冲突。(5)CAN采用短帧结构，每一帧只有8个有效字节，数据传输时间短，重新发送的时间短，受干扰的概率低。(6)CAN可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接收数据。传输距离可长达10km。(7)CAN的每帧信息都有通过CRC校验及检错措施，具有极好的检错效果(8)CAN的通信介质的选择上十分灵活，可选用双绞线、同轴电缆或光纤。(9)CAN节点在错误严重的情况下，能够自动关闭总线，切断它与总线的关联，使总线上其他操作不受影响； 基于上总线概述，又从成本以及工程上考虑，本次设计选择CAN总线。针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。用于实现测量、控制、工程量转换的应用模块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。过程现场总线（PROFIBUS）,PROFIBUS支持主从方式和多主通信方式。4.2 CANopen协议系统软件设计在基于CANopen的智能协议，从物理上分为：底层驱动程序借口和上层CANopen客户程序；从逻辑上可分为：底层动态连接库支持程序、收发报文高速缓存逻辑，报文分析、分析结果记录和GUI展示层。CANopen客户程序根据协议标准解释获得CAN报文，并根据报文类型，按HASH算法分类排序。在报文收发缓存处理上采用多线编程方法，解决多线程同步和互斥问题，从而达到较好的报文实时处理功能，逃避了线程的可重入性。客户程序既可以文本方式结合相应的参数显示CANopen的报文类型。也可以根据CANopen协议已对网络进行测试和分析。本次设计是CANopen设备节点，具有即用即插的功能，所以可以非常自如地用主站或者从站的身份收发报文。其传递的数据格式是自定义结构体，为本次设计显示报文内容提供了方便。CANopen协议软件是基于高级语言开发环境编写的上位机软件，它的界面实现协议分析结果直观性非常强。对本次设计的可视化配置，比特率设置，样本数设定，MASK掩码设定具有明显效果。除此之外，CANopen协议还提供一些基本功能，其总线通信量，单次或循环发送报文，及整个报文队列的在线观测，并对各类可变条件获得报文的记录以及在线监测总线负载。本次设计是一套完整的楼宇控制系统，现场过程参数与状态信息通过各自的传感器现场汇入其相应的现场空盒子节点。各个仿真子系统的现场节点通过CAN总线完成数据通信，各个仿真子系统通过以太网实现整个仿真系统的信息通信。CANopen协议作为本次通信的主要协议，将被控对象、智能节点、网关和上位机连成楼宇智能一体化。在运行与测试中，CANopen协议实时的处理CAN设备发送和接受报文的可行性，为本次系统的开发、调试提供了极大的方便。4.3软件设计系统流程CAN总线模块将在AT89S52的控制下采集的数据发送给CAN总线的上位