楼宇智能照明控制系统基于CAN总线的系统结构设计方案

楼宇智能照明控制系统基于CAN总线的系统结构设计方案智能照明系统一般由传感器(如光线感应器、面板开关等)、执行器(如调光电子镇流器)、网络通讯单元(路由器、中继器等)以及辅助单元(如电源)等组成，遵循统一的网络协议，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光亮度进行精确设置和合理管理。此外智能照明系统中还可对荧光灯进行调光控制，由于荧光灯采用了有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高了功率因数，降低了低压无功损耗。因此，在灯具制造工艺相同水平的情况下，在建筑物中采用智能照明系统不仅能操作简单，管理维护方便，还可以满足工作/生活多样性需求，并且可以有效地达到节能的目的。本系统主要可以划分为硬件设计部分和软件设计部分。其中硬件设计部分有：CAN接口控制器模块，控制面板（键盘和显示）模块，智能继电器模块，传感器模块，调光模块，远程控制模块。1.1CAN技术简介CAN（ControlAreaNetworker）即控制器区域网，是主要用于各种设备检测及控制的一种网络。CAN最初是由德国Bosch公司为汽车的检测、控制系统而设计的。由于CAN具有独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。由于CAN总线具有以上的一些特点，为工业控制系统中高可靠性的数据传送提供了一种新的解决方案。其在国外工业控制领域已经有了广泛的应用，现国内的许多工业控制领域也开始基于CAN的现场控制总线。CAN总线已成为最有发展前途的现场总线之一。CAN的技术特征：(1)数据信号采用差分电压传输,两条信号线“CAN_H”和“CAN_L”,它们在静态均1.5V,此时为逻辑状态“1”,也称作“隐性”；“CAN_H”比“CAN_L”高,一般为CAN_H=3.5V、CAN_L=1.5V,表示逻辑“0”,称为“显性”。(2)CAN总线传输介质可用双绞线、同铀电线或光纤,具有较强的抗干扰能力,同时可满足本安防爆要求等。直接通信距离最大可达l0km(速率小于5kbps),最高通信速率可达1Mbps(此时距离最长为40m)。(3)CAN可以以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活。(4)CAN可以点对点、点对多点及全局广播方式传送接收数据。(5)CAN网络上的节点信息可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求。(6)CAN采用非破坏性总线仲裁技术。(7)CAN采用短帧结构,每一帧为8个字节,保证了数据出错率极低。数据帧从一个发送节点传送数据以一个或多个接收节点,一个数据帧由七个不同的位场组成:帧起始、仲裁场、控制场、循环冗余校验(CRC)场、应答场、帧结束。它被公认为最有发展前途的现场总线之一。(8)CAN总线有一个公开的、全世界都遵从的国际标准,因而具有很好的开放性。CAN系统具有很好的数据兼容性。1.2基于CAN总线的控制系统网络拓扑结构网络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。网络拓扑结构按照几何图形形状可分为4种类型:总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑和网状拓扑，这些形状也可以混合构成混合拓扑结构。按照CAN总线协议，CAN总线可以是任意拓扑结构的，但一般来说，CAN总线主要有总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑和网状拓扑这4种常见的拓扑结构。在该系统的设计中我们采用总线式结构,总线拓扑结构是单根电缆组成，该电缆连接网络中所有节点。单根电缆称为总线，它仅仅只能支持一个通道，所有节点共享总线的全部带宽。在总线网络中，当一个节点向另外一个节点发送数据时，所有节点都将侦听数据，只有目标节点接收并处理发给它的数据后，其他节点才能忽略该数据。基于总线拓扑结构的网络很容易实现，且组建成本低，但其拓展性较差。当网络中节点增加时，网络性能将下降。此外，总线网络的容错能力较差，总线上的某个中断或故障将会影响整个网络的数据传输。因此，很少CAN总线网络采用一个单纯的总线拓扑结构的。1.3CAN总线系统的通信方式CAN总线系统根据节点的不同，可以采取不同的通信方式以适应不同的工作环境和效率。它可以分为多主式(Multi一masetr)结构和主从式(Infra-structure)结构两种。(1)多主式结构网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上地其他节点发送信息，而不分主从，不需占地址节点信息，通信方式灵活。在这种工作方式下，CAN网络支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。为避免总线冲突，CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术，根据需要将各个节点设定为不同的优先级，并以标识符(ID)标定，其值越小，优先级越高，在发生冲突的情况下，优先级低的节点会主动停止发送，从而解决了总线冲突的问题。这是CAN总线的基本协议所支持的工作方式，无需上层协议的支持。(2)主从式结构CAN总线在主从式通信方式下工作时，其网络各节点的功能是区分的，节点间无法像多主式结构那样进行平等的点对点信息发送。在主从式结构系统的通信方式下，整个系统的通信活动要依靠主站中的调度器来安排。如果系统调度策略设计不当，系统的实时性、可靠性就会很差，而且容易引起瓶颈向题，妨碍正常有效的通信。所以采取主从式结构的网络都需要采取必要的措施去解决瓶颈问题。目前的CAN网络一般采用多主式和主从式结合的结构，这种结构比较灵活又具有较高的实时性和可靠性。在该系统的设计中我们将这两种通信方式综合起来使用,来方便控制各个节点的工作,并适时的接受各节点传送的数据。1.4CAN总线的分层结构CAN总线遵循IS0/0SI标准模型，分为数据链路层和物理链路层。（1）数据链路层数据链路层包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC。逻辑链路子层LCC的作用范围如下:①为数据传送和远程数据提供请求服务。②确认由LLC子层接受的报文实际已被接收。③为恢复管理和通知超载提供信息。介质访问控制子层MAC的作用主要是传送的规则，也就是控制帧的结构，执行仲裁，错误检测，出错的标定，故障界定。MAC也要确定为新一次的发送，总线是否开放或者是否马上结束。定时特性也是MAC子层的一部分。（2）物理层物理层分为物理信号、物理媒体连接与介质从属接口三部分，完成电气连接，实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码功能。物理层规定了CAN总线电平的两种状态：“显性(Dominant)，和“隐性(Ressive)。“显性”数值表示逻辑“0”，“隐性”数值表示逻辑“1”。VCAN-H和VCAN-L为总线收发器与总线之间两接口引脚，信号以两线之间的差分电压形式出现。在隐性状态，VCAN-H和VCAN-L被固定在平均电压电平附近，Vdiff近似于0。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位，显性位以大于最小阀值的差分电压表示。1.5CAN总线报文格式与类型CAN报文有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有11位标识符的帧称之为标准帧，含有29位标识符的帧为扩展帧。但无论是哪种帧格式，都含有以下4种不同类型的帧:（1）数据帧(DataFrame):数据帧将数据从发送器传输到接收器。（2）远程帧(RemoteFrame):总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。（3）错误帧(ErrorFrame):任何单元检测到总线错误就发出错误帧。（4）过载帧(OverioadFrame):过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。1.5.1数据帧数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。l)帧起始:它标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位构成。只在总线处于空闲状态时，才允许节点开始发送。所有节点都必须同步于首先开始发送的那个节点的帧起始前沿。2)仲裁场:在标准格式中，仲裁场由11位标识符和远程发送请求位RTR组成，标识符为ID.28-ID.18。在扩展格式中，由29位标识符、替代远程请求SRR位、帧结构标识位IDE和RTR组成，标识符为ID.28-ID.0。标识符的最高位ID.28最先被发送RTR位在数据帧中必须是显位，而在远程帧中必须为隐位。SRR位为隐位，在扩展格式中，它在标准格式的RTR位上被发送并替代标准格式中的RTR位。IDE位在标准格式中以显性电平发送，而在扩展格式中为隐性电平。3)控制场:包括4位数据长度码DLC和两个保留位。两个保留位必须发送显性位，但接收器认可显位与隐位的全部组合。数据长度码DLC指出数据场的字节数目。一个数据帧允许发送的数据字节数目为0-8，不能使用其他数值。4)数据场:由数据帧中被发送的数据组成，它可包括0-8个字节，每个字节8位。首先发送的是第一个字节的最高位。5)CRC场:包括CRC(循环冗余码校验)序列，后跟随CRC界定符(l个隐性位)。6)应答场(ACK):为两位，包括应答间隙和应答界定符。在应答场中发送节点送出两个隐性位。一个正确接收到有效报文的接收器，在应答间隙，将此信息通过发送一个显性位报告给发送器，此时发送器发出的隐性位被改写为显性位，表明至少有一个接收器已经正确接收。后续的应答界定符为一个隐性位。因此，应答间隙被两个隐性位(CRC界定符和应答界定符)包围。7)帧结束:由7个隐性位组成的标志序列界定。1.5.1.远程帧当一个节点希望接收某些信息时，可以借助于传送一个远程帧启动信息源节点数据的发送。远程帧由6个不同的位场组成:帧起始、仲裁场、控制场、CRC场和帧结束。不同于数据帧，远程帧的RTR位是隐性位，也不存在数据场。DLC的数据值是独立的，它可以是0-8中的任何数值，这一数值为对应数据帧的DLC。1.5.3出错帧出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各节点的错误标志叠加得到，随后的第二个场是出错界定符。错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志(activeerrorflag)，一种是认可错误标志(Passiveerrorflag)。活动错误标志由6个连续的显性位组成，而认可错误标志由6个连续的隐性位组成，除非被来自其他节点的显性位冲掉重写。一个检测到出错条件的“错误激活”节点通过发送一个活动错误标志进行标注。这一出错标注形式违背了适用于由帧起始至CRC界定符所有场的填充规则，或者破坏了应答场或帧结束场的固定形式。因而，其他节点将检测到出错条件并发送出错标志。这样，在总线上被监视到的显性位序列是由各个节点单独发送的出错标志叠加而成的。该序列的总长度在6到12之间变化。一个检测到出错条件的“错误认可”节点试图发送一个错误认可标志进行标注。该错误认可节点自认可错误标志为起点，等待6个相同极性的连续位。当检测到6个相同极性的连续位后，认可错误标志即告完成。出错界定符包括8个隐性位。错误标志发送后，每个节点都送出隐性位，并监视总线，直到检测到隐性位。此后开始发送剩余的7个隐性位。1.5.4超载帧超载帧包括两个位场:超载标志和超载界定符。存在两种导致发送超载标志的超载条件:一个是接收器未准备好;另一个是在间歇场检测到显性位。由前一个超载条件引起的超载帧在检测到显性位的后一位开始。在大多数情况下，为延迟下一个数据帧或远程帧，两种超载帧均可产生。超载标志由6个显性位组成。全部形式对应于活动错误标志形式。超载标志形式破坏了间歇场的固定格式，因而，所有其他节点都将检测到一个超载条件，并且由它们开始发送超载标志。第6个显性位违背了引起出错条件的位填充规则。超载界定符由8个隐性位组成。超载界定符与错误界定符具有相同的形式。发送超载标志后，节点监视总线直到检测到由显性位到隐性位的发送。在此节点上，总线上的每一个节点均完成送出其超载标志，并且所有节点一致地开始发送剩余的7个隐性位。1.5.5错误检测CAN为了提高抗干扰能力和数据的可靠性，采用了多种错误检测手段。(l)发送监视。发送站时刻监测它发送的每一位数值，如监视到的总线数值与送出的数值不同时，则为位错误。(2)填充错误。在应用位填充方法进行编码的报文字段中，出现第6个连续相同的位电平。(3)CRC错误。接收站计算得出的CRC序列与接收到的不同。(4)格式错。固定格式的位场与规定不同。(5)应答错误。在应答位期间，发送站未检测到主控位。发现错误时，接收站将发送活动出错标志，而发送站将发送认可出错标志。1.6本系统结构及特点设计本系统的原则，是在保证系统可靠工作的条件下，力图降低成本。分析本系统的特点是数据传输较低，且各节点间的通讯规律性较强。如图1.1所示，网络拓扑结构采用总线式结构。通讯的主要方式是控制台向各控制器发送控制数据，各控制器向控制台发回应答信号和检测信息。各控制器之间没有数据传送要求；信息吞吐率较低，为降低系统成本提供了有利的条件。根据这个特点，总体上作如下选择：图1.1基于CAN总线的总线式结构（1）网络拓扑结构采用总线式结构。这种结构信息吞吐率低，结构简单且成本低，可靠性高。（2）由于CAN总线采用多主站仲裁结构，（分地址优先级，非破坏方式仲裁），支持主从或广播方式，经过扩展可支持95*8个节点，最高通讯速率1MBPS，最远通讯距离可达10公里（若接专用CAN中继器，传输距离会更远，但通讯速率将下降）。同时CAN控制器内部设有接收和发送缓冲区，通讯以帧为单位，最多8个字节的数据，硬件自动进行16位CRC检验，具有极强的总线和通讯错误的管理能力。(3)CAN遵循ISO标准模式。具体定义了数据链路层和物理层,在工程上,这两层通常由CAN控制器和收发器实现。CAN总线控制器通常有两类:一类是在片内的CAN微控制器,采用这种器件可以方便用户制作印刷板,电路图也比较紧凑;另一