基于CAN总线的楼字智能监控报警系统研究与设计 赵雨斌,苗满

第28卷第3期2008年S月核电子学与探测技术NucleaurElectronics&DetectionTechnologyVoL28Nn3May.2008基于CAN总线的楼字智能监控报警系统研究与设计赵雨斌,苗满香,陈宇(郑州航空工业管理学院机电工程系,河南郑州450015摘要:介绍了一种基于刚州总线的智能多路监控报警系统的设计方法。在信息传输的安全性、准确性、实时性方面达到了较高要求。本系统利用AT89C51单片机对多路监测信号进行采集和处理,并控制CAN总线控制器对A1000/收发器P(A82c250构成的CAN总线通信系统进行数据传输,通过串行接口MAx232将主控机与各控制节点相联,实时监控各设备状态,并可实现监控方案下载更新。文章介绍了系统工作流程及主要功能模块设计原理。通过实验,监测报警率可达100%,有效地实现了楼宇智能监控报警。系统提供了较好的硬件平台,方便移植智能算法,以满足更多监控需要,具有良好的应用前景。文章详细介绍了系统总体设计方案,部分软硬件设计方法。关键词:智能建筑;AT89C51;CAN总线;监控报警中图分类号:TP387文献标识码:A文章编号:0258.0934(200803-0657-05随着我国城市建设的发展,出现了大量的高层楼字建筑[1]。而这些建筑一旦出现事故没有及时发现,极易造成人员的伤害。因此,对其进行有效的监控报警是人们长久以来研究的重点之一。本系统利用现场总线网络传递相关的报警信息,构成基于现场总线的安全系统,具有可靠性高、价格适中、易于安装等特点。CAN(Controller舡eaNetwork是一种应用广泛的现场总线,它有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络,它在可靠性、实时性和灵活性方面具有突出的优点:支持多主节点,各节点通过总线仲裁获得总线使用权;可靠性高,总线协议具有完善的错误处理机制;通信速率高,最快可达lMbps[矧。因此,基于CAN总线的楼宇智能监控报警系统具有良好的性价比。收稿日期:2007-09-18作者简介:赵雨斌(1968一,男,汉族,河南郑州人,硕士.郑州航空工业管理学院机电工程系,高级工程师,主要研究方向:电子、通讯与自动控制技术。1系统组成与工作原理分布式楼宇智能监控报警系统由上位PC机、CAN总线接口通信适配卡和多个监测控制节点组成。监控节点的数量根据楼宇监测现场而定。系统组成如图1所示。终端电阻终端电阻监控设备l8路传感器组I执行装置l报警装置1…I监控没各nCAN适配卡PC上位机监控报警状态显示图1系统组成框图系统监控包括:温度监测,烟雾监测,一氧化碳监测,电子密码锁监测,红外入侵监测等功能。温度、烟雾、一氧化碳监测用于检测室内环境状态,当其值超过设定值时启动报警装置;电子密码锁正确输入密码后,门锁自动打开同时657鬯厩●●自动关闭红外入侵探测报警功能,若密码连续输错三次,启动现场报警装置。若小偷人侵住宅在房间内走动,红外探测器产生电信号启动现场报警装置报警。同时,通过CAN总线向控制室发送信息,启动控制室报警器并显示报警位置。PC机通过串口与节点上的单片机控制器通信,实现数据信息在C心总线上的发送与接收。PC机负责网络上所有监控报警装置的集中管理功能;同时向各控制器装置下传工作模式控制信息。多路报警控制节点及外围电路原理框图如图2所示。RAMPc卜MAX232驱动Il▲看门狗卜.器-报警L^继电》器多路薯佃行T报警-薯并监测c|接口电路__报警装置●一I副川oooHsM,,H陀舭:晒。削l∽图2监控系统组成框图某一功能传感器报警后,智能节点的控制器会对报警信号进行处理,判断是哪类传感器报警,然后置相应的报警输出,系统输出由报警继电器驱动相应的执行机构。系统中的每个节点由单片机和CAN总线接口电路组成。单片机主要进行信息计算以及处理等功能;CAN控制器主要用于系统的通信,CAN收发器主要用于增强系统的驱动能力。系统的发送过程是:单片机将外围设备或其它节点传送来的信息处理后,按cAN规范规定的格式将其写入CAN控制器的发送缓冲区,并启动发送命令,把数据发送到CAN总线上。接收过程是:Q埘总线上自动接收数据,并经过滤后存入CAN接收缓冲区,向单片机发出中断请求,此时单片机可从CAN接收缓冲区读取要接收的数据。另外,各监测控制节点可相互向对方发出报警信号,每个节点可接收另一节点发来的报警信号;系统能随时检测CAN通信的正确性,出错时报警,每个节点能够与上位机进行通信;同样,上位机也能够与每个节点通信。6582系统硬件设计系统现场控制单元以单片机A1、89C51为核心,[4]主要负责现场信息参数的检测和数据采集,对采集来的数据进行处理,并对CAN总线通信控制器进行操作与控制,系统硬件主要由多路监控报警电路以及Q埘总线通讯电路组成。2.1监控报警电路环境监测电路负责探测温度等环境参数,通过so~S7实现8路输入。分别包括:2路温度监测、2路烟雾监测、2路一氧化碳监测以及1路电子密码锁验证监测和1路红外入侵监测。8路报警信号均为开关量信号,采集到的信号首先经过光电隔离后进入三态总线收发器74IS245,对输入的信号进行整形,单片机AT89C51的P2.6口用来控制报警信号从单片机PO口的输入。电路如图3所示。图3监控报警电路2.2CAN总线通信电路CAN总线通信接口采用PHII。IPS公司的CAN控制器SJAJ000[引,C删总线收发器PCA82C250[w1和转换器MAx232[8】组成。SJAlooo是适用于自动化和通用工业环境的cAN控制器,具有CAN通信协议要求的全部特性,经过简单的总线连接就可完成CAN协议物理层和数据链路层的所有功能。PCA82C25l是CAN协议控制器和物理连接线路间的接口,可用高达1Mbit/s的位速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据,很方便地连接并实现信号的差动发送和接收,有较强的总线驱动能力。SJAlooO和PCA82C251之间加高速光电耦合器6N137,很好地实现了CAN总线上各节点间的电气隔离。电路如图4所示。sJAlooo作为AT89c51的外部扩展器件,通过并行扩展与AT89C51连接。这样,只需一般的单片机仿真器就可以进行硬件调图4CAN总线通讯电路试[9|。PCA82C250和SJAlooO可完成物理层和数据链路层的工作,应用层由AT89C51运行应用程序来实现。其中,P2.o口控制单片机判断和处理过的报警信号从单片机的Po口输出到CAN总线通信接口SJAlooo。sJAlooO的INT接AT89C5l的INTO,使AT89C51可通过中断方式访问SJAlooo,也可通过编写程序对SJAlooo进行查询方式的访问。sJAlooo的TXo和1lIⅨo通过高速光电耦合器6N137与PCA82C250相连。PCA82C250的Rs脚上接有一个斜率电阻,大小可根据总线通信速度适当调整,一般在16k~140k之间。本电路中接人的是一个47k的电阻,AT89C5l与SJAl000可以采用两个时钟晶振,又可以采用sJ趾ooo给AT89c5l提供时钟信号。采用同一时钟有利于cAN总线与AT89C51之间通信时序的同步,为使AT89C51在SJ舢000掉电时仍然可以正常工作,避免因此引起的系统瘫痪,保证系统在最坏情况下的稳定工作能力,采用了两个时钟晶振源,AT89C5l为12MHz,每个指令周期l弘s,SJAlooO为16MHz。另外,Pe能2c250与CAN总线接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。PCA82c250的a埘H和aⅢL引脚各自通过一个5Q电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护PCA82C250免受过流的冲击。Q埘H、CAM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cAN总线接人端与地之间分别反接了保护二极管,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过压保护作用。终端电阻可根据实际总线长度和电缆传输阻抗在100~300Q之间调整,本系统采用120Q[川。2.3看门狗电路为防止程序运行死循环,保证系统不受恶劣环境干扰。本系统选用美国ⅪCOR公司生产的标准化8引脚集成芯片比5045设计复位电路模块。芯片x25045具有上电复位、看门狗定时、减压管理、串行块保护功能EEPROM功能[1¨,有助于简化应用系统,减少印制板面积,降低成本和系统功耗,可靠性高。该芯片采用SPI总线结构,SI(串行数据输入、S0(串行数据输出、CLK(串行脉冲可与其它信号混用。电路原理如图5所示。图5看门狗电路在系统由于外界干扰或软件的错误执行,引起程序“跑飞”时,在可选的超时周期后,X25045看门狗将以RESET信号作出响应,重新热启动监测系统。并且,其内部EEPROM可用来存储保护整定值及其他参数。2.4分布式监控系统由于CAN总线传输距离远,传输速率快,有较强的抗电磁干扰能力,已成为国际应用最广泛的现场总线之一,成为一种国际标准(IS011898[10]。本设计将若干监测控制器、上位节点接口和PC机组成CAN总线通信系统,方便实现分布式楼宇多路实时监控、高速数据采集等。在控制系统领域具有非常广阔的应用前景,分布式智能监控系统原理框图如图6所示。图6分布式监控系统框图该系统采用串行通讯方式,单片机AT89C5l的TXD和RXD通过MA(:232与上位PC机相连。AT89c51通过MAX232与PC机实现串行通信,设置sJAlooO工作在Intel659模式[9],由PC机发送数据写入AT89C5l,再通过控制信号由AT89C5l将数据写入CAN总线控制器sJAlooo,并通过C州收发器P(A82C250发送。接收数据通过中断进行,CAN总线数据经PCA82C250接收并写入SJAlooo。然后通过中断提请AT89C51读取数据上传PC机。这种方式成本低,抗干扰能力强。3系统软件设计为了便于移植和资源共享,软件系统采用结构化程序设计方案,使其具有较好的模块性和可移植性,对于不同的系统功能或不同的应用环境,可以方便地进行编程重组。系统软件设计部分主要由以下几大模块组成:数据输入模块、报警处理模块、CAN总线通信模块等。系统软件设计的关键是CAN总线通信模块的设计,通信模块由3部分组成:初始化程序、发送程序及接收程序。由于系统中任意一个节点在任意时刻均可主动与其它节点通信。因此,各控制节点的通信程序相同。主程序流程如图7所示。660上电复位单片机复位掣ooo测试要吵\/等仞始化sJAl000l读Po值芽彳tY报警处理I启动SJAlOoo发送结束图7主程序流程框图Q必总线通信模块是指在AT89C51的控制下,将采集到的数据发送到cAN总线的上位机或其它节点使用,以及接收aⅢ总线上发送给各控制节点的数据并将其存人到缓冲区的程序。AT89西1向sJ趟000发送数据时采用查询方式,当SJAlooo里有新的报文时,AT89C51接收数据采用中断方式。3.1初始化程序AT89C51负责SJAlooo和X25045的初始化,通过控制sJAlooO实现数据的接收和发送等通信任务。单片机对S7A1000进行正确的初始化后,通过访问其内部寄存器实现对CAN的操作。初始化程序主要是在程序运行前通过对SJAl000的控制寄存器写入控制字,从而确定C州控制器的工作方式等,使其能够按照用户要求的工作方式进行CAN通信工作。在复位期间,初始化的寄存器包括模式寄存器、时分寄存器、接收代码寄存器、屏蔽寄存器、总线定时寄存器及输出控制寄存器等。3.2发送程序对SJ舢ooo进行初始化并建立CAN总线通信后,各节点可通过CAN总线发送和接收CAN数据包。数据包的发送是由sJAlooo根据CAN总线协议自动完成的。发送程序中AT89C51把要发送的数据帧送到sJAlooo的发送缓冲区,在命令寄存器中设置发送请求标识位。当有报警信号存在时,就向CAN总线上的其它节点以及上位PC机发送数据。当sJAlooo发送数据时,发送缓冲器禁止写操作,于是主控制器要检测状态寄存器中发送缓冲器的标识符,看发送缓冲器是否可以进行数据接收。3.3接收程序数据从cAN总线到CAN接收缓冲区是由C删控制器自动完成的。接收程序负责各节点报文的接收以及其它情况的处理,从接收缓冲区读取要接收的数据,在处理接收数据报文的过程中,同时要对CAN总线脱离、错误报警、接收溢出等异常情况进行处理。系统设计中采用中断方式接收数据。4实验及总结为了验证系统监测及通信的可靠性,对CAN总线上位PC机与各节点进行实验测试。通信介质采用屏蔽电缆,根据实际现场设备数量,采用多种传送数据帧结构,选用总线速率为10kbps,传送数据域长度为8字节的数据帧。分别进行PC与单节点的单帧通信,以及同时对多节点多帧通信。对CAN总线上各监控节点连续工作72小时,测试期间,反复进行不同类型报警测试。实验表明:实时报警准确率可达100%,报警信号分类、关联正确;有效地实现了楼宇多路监控报警。从主控状态显示情况来看,无数据传送错误和数据丢失,性能稳定,验证监控装置及通信系统均具有较强的可靠性。实验测试情况如表1所示。表1实验测试由于系统采用CAN现场总线技术,在信息传输的安全性、准确性、实时性方面都达到了较高的要求。另外,该系统提供了较好的硬件平台,可以方便移植监测算法,有效地实现系统分布式多路监测报警,满足现场监控需要,具有良好的应用前景。参考文献:[1]李权威,秦俊.基于C州总线的分布式智能火灾监控系统的设计与实现[J].消防设备研究.2006,1:70.[2]郭继峰,刘晶.基于cAN总线的楼字照明控制系统设计D].黑龙江水利科技.2006,5:18-19.[3]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社.1999,6—21.[4]PhmpsSemicorlductors.82bitFlaShMicro∞mrol-1erAT89C51RD2[DB/0L].2003.12.http://Ⅵ—哪.a乜neL00rn/literature.[5]P11ilipsSelniconducto氇DatasheetSJAlooo[DB/0L].2000.2.http://www.d鲫cu卿n[4]PHL如PssefniconductorsCANsPEcIFICATION[version2.o][s].1991.9.[5]sJAlooOCANControll盯.PtoductsPECⅢn~一TION.PHLIPSSeIllieonductors[S].2000.[6]PC地2C250∞NC0n仃oUerhlterfac己PrcductspecmcatiorLPhnipssemi∞ndllctors[s].2000.[7]PKlipsSerIliconductorS.DataSheetPCA82C251[DB/0L].1997.5.http://wwW.zlgm眦com[8]M』~(232MultichannelRS232DdversandReceiv-ers.MaximhtelmtedProducts[s].1997.[9]缪燕子,马勇,倪玲.基于Q悄总线的楼宇火灾监控系统[J].工矿自动化.2005,12:80一83.[10]饶运涛,邹继军,郑勇芸著.现场总线a埘原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003:11—85,154—155.[11]x25045,Pmgrammablewatchdogsuper、risory酽PROM,XlCOR[DB/0L].http://1jlm矾EE-worl正coln.crLStudy锄dDesigIlofBuildingIIltelligenceMonitor粕dAlannSyst哪BasedOnQ蝌BusTechnolo留ZHAOY小bin,MIAOMan_妊ang,CHENYu(Depar廿nelltofMechallicalandE1e耐ca王E119in能ring,zhengZh01lh18dtute0f灿舢uticalhdus乜yManagen姗t,压engzhou450015,chinaAbs打趾t:Animelligentmulti-inputmomtora11dalmnsystemisdesignedbasedonCANbustechJlology.Thedetect-onsignalisc0Uectedandprocessedbasedonthecore0f』虹、89C51a11dA,r89C5lcontrolstheCANbuscontroIlersJAlooO/transceiverPCA82C250toconstitute(MNbuScommunicationsystemtotranS船五tdat丑‰ughtheseriali11terfaceMAX232cQm-ectedrmhcontroller稍th魄chcontrolnode,(下转第513页,ContiIluedonpage513661基于CAN总线的楼宇智能监控报警系统研究与设计作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期:引用次数:赵雨斌,苗满香,陈宇,ZHAOYu-bin,MIAOMan-xiang,CHENYu郑州航空工业管理学院,机电工程系,河南,郑州,450015核电子学与探测技术NUCLEARELECTRONICS&DETECTIONTECHNOLOGY2008,28(30次参考文献(11条1.李权威.秦俊基于CAN总线的分布式智能火灾监控系统的设计与实现20062.郭继峰.刘晶基于CAN总线的楼宇照明控制系统设计[期刊论文]-黑龙江水利科技2006(53.阳宪惠现场总线技术及其应用19994.PHLIPSSemiconductorsCANSPECIFICATION[Version2.0]19915.SJA1000CANController.ProductSPECIFICA-TION.PHLIPSSemiconductors20006.PCA82C250CANControllerInterface.ProductSpecification.PhilipsSemiconductors20007.PhilipsSemiconductorsDataSheetPOA82C25119978.MAX232MultichannelRS232DriversandReceiv-ers,MaximIntegratedProducts19979.缪燕子.马勇.倪玲基于CAN总线的楼宇火灾监控系统[期刊论文]-工矿自动化2005(610.饶运涛.邹继军.郑勇芸现场总线CAN原理与应用技术200311.X25045,ProgrammableWatchdogSupervisoryE2PROM,XICOR相似文献(3条1.期刊论文赵雨斌.苗满香.陈宇基于CAN总线的楼宇智能监控报警系统研究与设计-安防科技2009(1介绍了一种基于CAN总线的智能多路监控报警系统的设计方法.在信息传输的安全性,准确性,实时性方面达到了较高要求.本系统利用AT89C51单片机对多路监测信号进行采集和处理,并控制CAN总线控制器SJA1000/收发器PCA82C250构成的CAN总线通信系统进行数据传输,通过串行接口MAX232将主控机与各控制节点相联,实时监控各设备状态,并可实现监控方案下栽更新.文章介绍了系统工作流程及主要功能模块设计原理.通过实验,监测报警率可达100%,有效地实现了楼宇智能监控报警.系统提供了较好的硬件平台,方便移植智能算法,以满足更多监控需要,具有良