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現(xiàn)代智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)廣泛采用了現(xiàn)場總線技術。現(xiàn)場總線的種類目前有40多種，但適合智能建筑且在我國推廣的主要有兩種：CAN(Control Area Network)總線和Lonworks總線。CAN總線技術以其可靠性高，結構簡單，傳輸距離長和成本低而具有巨大的應用潛力。 控制局域網(wǎng)CAN是現(xiàn)場總線技術中最成熟、最有發(fā)展前途的微處理器局域網(wǎng)絡。協(xié)議采用總線型拓撲結構，通過研究CAN2．0B協(xié)議規(guī)范，制定了符合智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議，并進行了通信節(jié)點軟件的設計。 1 基于CAN總線的智能建筑網(wǎng)絡拓撲結構 CAN總線的智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結構，如圖1所示。該系統(tǒng)由3部分組成：上位機、CAN通信節(jié)點和各個現(xiàn)場智能設備組成。通信節(jié)點的數(shù)量可根據(jù)建筑物的規(guī)模增減，CAN總線作為通信網(wǎng)絡將各個節(jié)點連接成一個分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)。 (1)上位機：由計算機和監(jiān)控軟件組成，對整個智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的管理和控制，是整個系統(tǒng)的中心。 (2)CAN通信節(jié)點：各通信節(jié)點功能相同，主要完成把現(xiàn)場設備采集到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，接收CAN總線發(fā)送來的控制信息。CAN通信節(jié)點的硬件由微處理器、CAN控制器SJAl000、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。 (3)現(xiàn)場智能設備：由微處理器、和現(xiàn)場功能裝置等組成。完成檢測、報警、控制、顯示等功能。智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場設備由照明、空調、電梯、安全監(jiān)控、消防監(jiān)控、給排水，配電等組成。 2 CAN總線通信協(xié)議的硬件基礎 CAN總線協(xié)議描述了信息在設備之間的傳遞規(guī)則，它對層的定義與開放系統(tǒng)互連模型OSI一致，CAN被分為應用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層3層，各層之間互相透明，每一層只與另一設備上相同的那一層通訊，實際的通訊是發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層之間，而各個設備只通過物理層的通信介質連接在一起。 CAN總線規(guī)范定義了模型的最下面的兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN總線驅動器和通信介質則實現(xiàn)了物理層的主要功能。CAN總線控制器實現(xiàn)了總線協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸任務。常用的CAN總線驅動器有PHILIPS公司的PCA82C250，總線控制器是SJAl000，通信介質是雙絞線或同軸電纜。 2．1 總線驅動器PCA82C250的工作原理 PCA82C250是CAN總線控制器與物理導線之間的接口，該驅動器可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。PCA82C250的驅動部分由1 個PNP的極管和1個NPN的三極管組成。這2個三極管根據(jù)TXD的信號導通或截止。當TXD=0時，2個三極管處于導通狀態(tài)時，總線上顯示為顯性電平。當TXD=1時，2個三極管處于截止狀態(tài)，總線上顯示為隱性電平，此時驅動器對總線的影響很小。因此，如果存在其他節(jié)點發(fā)送顯性電平，則總線的電平狀態(tài)就是顯性，只有所有的驅動器都發(fā)送隱性電平，總線的電平狀態(tài)才是隱性。實現(xiàn)了CAN總線物理層的線與功能。PCA82C250功能圖，如圖2所示。 2．2 基于線與功能多節(jié)點仲裁過程 通信節(jié)點訪問總線，對總線上信號進行檢測，只有當總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。當總線上有多個節(jié)點同時進行發(fā)送時，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有惟一的11位或29位ID。CAN總線的狀態(tài)取決于二進制數(shù)‘O’而不是 ‘1’，所以ID號越小，該報文擁有越高的優(yōu)先權。因此一個為全‘0’標志符的報文具有總線上的最高級優(yōu)先權。多節(jié)點仲裁過程如圖3所示。 2．3 CAN控制器SJAl000的功能介紹 CAN的通信協(xié)議由CAN控制器完成，CAN控制器由實現(xiàn)CAN總線協(xié)議的部分和實現(xiàn)與微處理器接口部分的電路組成。 SJAl000是PHILIPS公司推出的一種高性能的CAN總線控制器，它不僅和PCA82C200的基本CAN模式(BasieCAN)兼容，而且還增強CAN模式 (PeliCAN)，這種模式支持CAN2．0B協(xié)議。SJAl000以一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來實現(xiàn)這些功能，提供了與模塊控制器及微控制器的接口，通過對它的編程，CPU可設置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，與CAN驅動器PCA82C250進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。 3 CAN的幀結構 CAN協(xié)議規(guī)定了兩種不同的幀格式，不同之處為標識符的長度不同，具有11位標識符的幀稱之為標準幀，具有29位標識符的幀被稱為擴展幀。 3．1 CAN幀類型 報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示和控制 (1)數(shù)據(jù)幀：攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。 (2)遠程幀：由節(jié)點發(fā)送，請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀。 (3)錯誤幀：由任何節(jié)點發(fā)出，檢測到錯誤就發(fā)出錯誤幀。 (4)過載幀：用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間的附加延時。 3．2 CAN擴展幀的數(shù)據(jù)幀結構 擴展幀的數(shù)據(jù)幀結構，如圖4所示。 擴展幀的數(shù)據(jù)幀的主要結構有： (1)幀起始，標志幀的開始，它由單個“顯性”位構成，在總線空閑時發(fā)送，在總線上產生同步作用。 (2)仲裁域，仲裁域包括29位標識符、SRR位、IDE位、RTR位。29位標識符包括11位基本ID、18位擴展ID。基本ID按ID- 28到ID-18的順序發(fā)送，擴展ID按ID-17到ID-0的順序發(fā)送。基本ID首先發(fā)送，其次是SRR位和IDE位。擴展ID的發(fā)送位于IDE位之后。SRR是“隱性”位。IDE位在標準格式里為“顯性”，在擴展格式里為“隱性”。RTR位在數(shù)據(jù)幀里必為“顯性”，而在遠程幀里必為“隱性”。標識符用于提供關于傳送報文和總線訪問的優(yōu)先權信息，其數(shù)值越小，表示優(yōu)先權越高，發(fā)生沖突時優(yōu)先發(fā)送。 (3)控制域，由6位構成，前2位為保留位，為“顯性”。后4位為數(shù)據(jù)長度碼(DLC)，表示數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，必須在0～8范圍內變化。 (4)數(shù)據(jù)域，由被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，字節(jié)數(shù)為控制域中決定的0～8 bit，第一個字節(jié)的最高位首先被發(fā)送。 (5)CRC域，包括CRC(循環(huán)冗余碼校驗)序列(15位)和CRC界定符(1個“隱性”位)，用于幀校驗。 (6)應答域，由應答間隙和應答界定符組成，共2位。 (7)幀結束，由7位隱性位組成，此期間無位填充。 4 通訊協(xié)議的制定 在CAN的協(xié)議規(guī)范，規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，沒有規(guī)定應用層。所以用戶在設計通訊軟件時，必須首先設計合適的CAN總線通訊協(xié)議，才能完成數(shù)據(jù)準確可靠的傳輸。基于研究CAN2．OB規(guī)范的基礎上，采用自定義協(xié)議的方法，制定了智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議。通訊協(xié)議的制定主要包括以下3個步驟。 4．1 CAN總線網(wǎng)絡中信息傳輸類型 智能建筑中信息傳輸類型主要有以下幾種： (1)緊急信息，用以傳輸重要信息，優(yōu)先級最高，如報警信息。 (2)廣播信息，向總線上掛接的所有節(jié)點發(fā)送的信息。 (3)命令信息，控制節(jié)點向執(zhí)行節(jié)點發(fā)送的信息。 (4)狀態(tài)信息，執(zhí)行節(jié)點接收到命令執(zhí)行后，向控制節(jié)點反饋的信息。 (5)數(shù)據(jù)信息，負責采集數(shù)據(jù)的節(jié)點發(fā)送的信息，如傳感器采集到的信息。 4．2 根據(jù)標識符的分配方案確定各節(jié)點優(yōu)先級 標識符的分配方案首先滿足節(jié)點以及報文信息對優(yōu)先級的要求，同時利用標識符空問加載有關信息，減少在數(shù)據(jù)域內占用的空間。本系統(tǒng)采用有29位標識符的擴展幀格式，具體分配如下： (1)信息類型標識符(ID．28～ID．23)，000001—緊急信息，000010—廣播信息，000011—命令信息，000100—狀態(tài)信息，000101—數(shù)據(jù)信息。 (2)節(jié)點地址標識符(ID．22～ID．15)，0000000l—上位機節(jié)點，00000010—安全監(jiān)控節(jié)點，00000100—消防監(jiān)控節(jié)點，0000010l—配電節(jié)點，00000111—給排水節(jié)點，00001000—電梯節(jié)點，00001001—照明節(jié)點，00001010—空調節(jié)點。 (3)報文功能標識符(ID．14～ID．08)，如果一個節(jié)點發(fā)送多幀報文，在報文信息類型相同的情況下，可以用報文功能標識符來區(qū)分報文的優(yōu)先級。 (4)現(xiàn)場裝置地址標識符(ID．07～ID．00)。 4．3 組織各幀報文 明確各節(jié)點發(fā)送的報文，對系統(tǒng)中各類控制信號和數(shù)據(jù)進行分類，填充各報文的數(shù)據(jù)域。 5 通信協(xié)議的軟件實現(xiàn) 通信協(xié)議的軟件設計由3部分組成：CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收程序，其流程圖如圖5，圖6和圖7所示。 5．1 通信節(jié)點的初始化 初始化程序通過對CAN控制器SJAl000中的寄存器寫入控制字，確定CAN控制器的工作方式，包括模式寄存器的設置、接收濾波方式設置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設置、波特率參數(shù)和中斷允許寄存器的設置等，完成初始化設置后，SJAl000進行正常的通信。 5．2 數(shù)據(jù)發(fā)送程序 發(fā)送數(shù)據(jù)前，采用查詢方式先查看發(fā)送緩沖器狀態(tài)，滿足要求再把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照特定格式組合成一幀報文，送入SJAl000發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動SJAl000發(fā)送命令。 5．3 數(shù)據(jù)接收程序 接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，主程序中應開放接受中斷，單片機響應接收中斷后讀出CAN控制器中SJAl000的接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并保存，再清SJAl000的接收緩存器。 6 結束語 通過研究CAN2．0B協(xié)議規(guī)范，對報文格式的分析和標識符的分配，設計出了基于CAN總線的智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議。協(xié)議具有實現(xiàn)簡單、通用性強、可靠性高，便于擴展等優(yōu)點，通過驗證，該協(xié)議有效地解決了智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)多節(jié)點通信過程中的仲裁問題。 |
