以CAN總線為基礎(chǔ)的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

康麗君

摘 要：針對(duì)中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展問(wèn)題和特點(diǎn)，形成了一種基于CAN總線的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)。本文具體分析了CAN總線和PCI總線的技術(shù)特點(diǎn)和通信體制。研究了獨(dú)立CAN控制SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)的工作原理，實(shí)現(xiàn)了通信卡的硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)；CAN總線；PCI總線

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0078-02

1 緒論

1.1 空調(diào)系統(tǒng)研究背景及意義

由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)智能建筑的需求也在不斷上升。智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多。需要監(jiān)控的對(duì)象越多，系統(tǒng)必須形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，高可靠性，靈活的構(gòu)造，良好的可擴(kuò)展性，易維護(hù)性以及構(gòu)建系統(tǒng)的高性價(jià)比。所以，作為智能建筑的主要組成部分，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)也是研究的主要對(duì)象。

中央空調(diào)控制系統(tǒng)作為智能建筑的組成部分。傳統(tǒng)的控制方法是通過(guò)DDC（直接數(shù)字控制器）將溫度和濕度檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)連接到一個(gè)或多個(gè)DDC，進(jìn)行了多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。因?yàn)榇罅楷F(xiàn)代智能建筑樓層，多個(gè)空調(diào)處于不同樓層，溫度和濕度檢測(cè)點(diǎn)分布在不同房間。比較低。

在不同通信方式中，工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是改善工業(yè)控制領(lǐng)域數(shù)據(jù)通信問(wèn)題的最佳解決方案?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期獲得的先進(jìn)工業(yè)控制技術(shù)。它結(jié)合了數(shù)字通信，智能儀器，微電腦技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它從根本上解決了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”模擬或數(shù)字到模擬信號(hào)控制的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)的“分散控制和集中管理”提供技術(shù)幫助?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種以智能儀器和執(zhí)行器為基礎(chǔ)的全數(shù)字實(shí)時(shí)通信傳輸系統(tǒng)，可以使用在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字設(shè)備與工業(yè)或其他生產(chǎn)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)之間的通信。它也被叫做底層控制網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字和多點(diǎn)通信。它在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用前景比較多，包括制造，加工工業(yè)，運(yùn)輸和建筑。

現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議架構(gòu)以ISO提供的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型（ISO/OSI）為前提。該系統(tǒng)中用到的CAN總線是中國(guó)使用的第一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線。它通過(guò)ISO/OSI七層框架中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)多主模式，網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)都能夠主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求，將網(wǎng)絡(luò)工作點(diǎn)改變?yōu)椴煌膬?yōu)先級(jí)。數(shù)據(jù)鏈路層使用每幀8個(gè)字節(jié)的短幀結(jié)構(gòu)，這比較容易改變。在傳輸過(guò)程中丟失仲裁或錯(cuò)誤的幀可以自動(dòng)傳遞，故障節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)與總線分離。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全雙工通信。傳輸介質(zhì)就是雙絞線和光纖。傳輸速率為1Mbps，節(jié)點(diǎn)數(shù)為110個(gè)。其主要特征是改變傳統(tǒng)的站地址編碼，并將其改變?yōu)橥ㄐ艛?shù)據(jù)塊的編碼。它具備很好的容錯(cuò)能力和抗干擾能力，傳輸安全性提升了。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展

因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，高層建筑BAS產(chǎn)品的空調(diào)系統(tǒng)（包括冷熱系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)）的控制系統(tǒng)已在20世紀(jì)50年代得到使用。在20世紀(jì)60年代，它可以改進(jìn)為電動(dòng)單元組合儀表。美國(guó)哈特福德第一臺(tái)微機(jī)分布式控制系統(tǒng)的出現(xiàn)表面智能建筑時(shí)代的產(chǎn)生。分布式（集中管理，分散控制）自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展比較成熟，主要技術(shù)特征是DDC的使用。

在1980年之后，分布式控制系統(tǒng)（DCS）可以用在中國(guó)的智能建筑系統(tǒng)中。它在20世紀(jì)90年代得到了廣泛使用，而且在中國(guó)的智能建筑中獲得發(fā)展。但是，市場(chǎng)管理和技術(shù)管理出現(xiàn)一定程度的問(wèn)題，暴露出的問(wèn)題更為廣泛、深入、嚴(yán)重。因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，有很多的智能建筑使用計(jì)算機(jī)來(lái)管理不同的建筑系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)控制和管理中的應(yīng)用得到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已在許多項(xiàng)目中得到體現(xiàn)了。

目前，信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)廣泛地應(yīng)用于空調(diào)產(chǎn)品和空調(diào)系統(tǒng)中。如果通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制空調(diào)機(jī)組，那么可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性將是比較明顯的，其用戶將增加。目前，不同的制冷機(jī)組都具有計(jì)算機(jī)控制裝置，可通過(guò)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)冷卻水量，促進(jìn)節(jié)能和優(yōu)化運(yùn)行。

2 CAN總線技術(shù)研究

CAN總線是20世紀(jì)80年代初通過(guò)德國(guó)博世開(kāi)發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，改善現(xiàn)代汽車中許多測(cè)量和控制儀器之間數(shù)據(jù)交換的缺陷。這是一輛多主公共汽車。通信介質(zhì)表現(xiàn)為雙絞線、同軸電纜或光纖。通信速率為1MbPs。CAN總線通信接口可以結(jié)合CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。它能夠?qū)崿F(xiàn)通信數(shù)據(jù)的幀處理，包括比特填充，數(shù)據(jù)塊編碼，循環(huán)冗余校驗(yàn)，優(yōu)先級(jí)識(shí)別等。

CAN協(xié)議的一個(gè)重要特征是改變了傳統(tǒng)的站地址編碼和替換通信數(shù)據(jù)塊的編碼。這種方法的優(yōu)勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量在理論上可以不受到影響。數(shù)據(jù)塊的識(shí)別碼可以通過(guò)11位或29位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。也能夠以數(shù)據(jù)塊的方式同時(shí)獲得相同的數(shù)據(jù)。它在分布式控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，能夠滿足一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制命令，工作狀態(tài)和測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8字節(jié)不占用很多的總線時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議通過(guò)CRC測(cè)試并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，以促進(jìn)數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN總線的優(yōu)良特性，高可靠性和獨(dú)特設(shè)計(jì)特別能夠用在工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連。因此，它已被越來(lái)越多的行業(yè)所使用，并被認(rèn)為是比較有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

3 中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的主要功能

中央空調(diào)系統(tǒng)一般用在現(xiàn)代大型建筑物中。我們都知道，空調(diào)系統(tǒng)的作用是改變室內(nèi)空氣，使空氣溫度，流速和新鮮度，清潔度等指標(biāo)符合使用場(chǎng)所的要求。因此，必須冷卻或加熱，冷卻或加濕空氣并過(guò)濾空氣。其配套設(shè)備主要有制冷機(jī)組，熱水器，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，風(fēng)道系統(tǒng)，水管系統(tǒng)等。例如，在空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻器由設(shè)施提供。它是由微處理器根據(jù)空調(diào)原理和空調(diào)規(guī)則自動(dòng)控制的。冷水機(jī)組包括壓縮機(jī)，冷凝器和蒸發(fā)器。壓縮機(jī)壓縮制冷劑并將壓縮的制冷劑輸送到冷凝器。冷卻水被冷卻并變成液體。沉淀的熱量被冷卻水帶走并排放到冷卻塔中的大氣中。液體冷卻劑通過(guò)冷凝器蒸發(fā)到蒸發(fā)器中，使冷卻水冷卻，然后冷卻水進(jìn)入冷卻風(fēng)扇盤管吸收空氣，從而在室內(nèi)循環(huán)熱量并從室內(nèi)帶走熱量。因此，可以從以下幾個(gè)方面分析中央空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)：

（1）設(shè)備基本參數(shù)的測(cè)量和設(shè)備的啟?？刂?。（2）基本能源調(diào)控。（3）冷熱源和水管系統(tǒng)的綜合調(diào)控。

因此，中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)是以PC機(jī)為主機(jī)，以CAN總線通信功能為主站，具有冷凍機(jī)、冷凍水控制系統(tǒng)，冷卻水控制系統(tǒng)和子控制系統(tǒng)，具有獨(dú)立的故障診斷和控制功能。CAN總線用在主站之間的通信介質(zhì)中。

3.2 中央空調(diào)控制整體結(jié)構(gòu)

中央空調(diào)控制系統(tǒng)上位機(jī)使用了IBM-PC兼容機(jī)，進(jìn)行接收和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，獲得控制命令，系統(tǒng)工作過(guò)程的實(shí)時(shí)顯示等。對(duì)于下位機(jī)，每個(gè)單元控制器用到Atmel A生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)，是微處理器。實(shí)現(xiàn)機(jī)組空調(diào)風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)和工作狀態(tài)控制。單元控制器中的CAN總線控制器SJA1000實(shí)現(xiàn)從CAN總線接收數(shù)據(jù)并通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)。上位機(jī)經(jīng)過(guò)插入PC總線擴(kuò)展槽的智能CAN總線通信適配卡連接到CAN總線，并經(jīng)過(guò)CAN總線連接每個(gè)單元控制器。也可以在主機(jī)上移除單元控制器以進(jìn)行手動(dòng)控制。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要是指智能CAN總線通信適配器和單元控制器。它實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與CAN總線之間的接口。高性能嵌入式微處理器80C188，CAN總線控制器82C200和CAN總線收發(fā)器82C250實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信處理。82C200是飛利浦產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。電子控制單元（ECU）的應(yīng)用層通過(guò)微處理器提供，而82C200則提出了多用途接口。雙端口RAM IDT7230充當(dāng)PC和CAN總線控制器之間的數(shù)據(jù)共享區(qū)域，并擁有兩個(gè)獨(dú)立端口。每個(gè)端口都出現(xiàn)了自己的地址線，數(shù)據(jù)線和控制線，并且有兩組獨(dú)立的中斷邏輯來(lái)進(jìn)行兩個(gè)CPU之間的握手控制信號(hào)。硬件和軟件設(shè)置用在將雙端口RAM映射到PC的物理存儲(chǔ)器，從而實(shí)現(xiàn)讀取和寫(xiě)入存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。從而在兩個(gè)CPU讀寫(xiě)過(guò)程中提高數(shù)據(jù)交換率并確保數(shù)據(jù)的正確性。而且，智能CAN總線通信適配卡還具有中斷選擇，主存儲(chǔ)器基本選擇，LED指示燈系統(tǒng)狀態(tài)和CAN收發(fā)器狀態(tài)等功能。

系統(tǒng)工作過(guò)程中，主機(jī)經(jīng)過(guò)ISA總線向智能CAN總線通信適配卡發(fā)送控制命令，并經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路寫(xiě)入雙端口RAM，然后產(chǎn)生中斷信號(hào)。CAN通信控制器82 C200獲得中斷信號(hào)后，數(shù)據(jù)從雙端口RAM中取出，輸出驅(qū)動(dòng)電路，光隔離電路和CAN總線收發(fā)器82 C250通過(guò)CAN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)紺AN總線。并輸出數(shù)據(jù)。NGE從主計(jì)算機(jī)到單元控制器完成。

微處理器通過(guò)ATMEL的AT89 C51微控制器生成，CAN總線控制器選擇SJA1000。CAN總線收發(fā)器仍然選擇82 C250來(lái)控制CAN總線的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CAN總線控制器SJA1000工作時(shí)，它在CAN總線獲得主機(jī)的命令和數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)中斷模式通知CPU 89C51。在獲得中斷信號(hào)后，CPU將SJA1000接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，并通過(guò)數(shù)據(jù)向I/O接口電路發(fā)出具體的命令。以控制風(fēng)扇單元、加濕器等的相應(yīng)操作。如果主機(jī)要求每個(gè)單元的狀態(tài)信息，則CPU啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序，并控制I/O接口電路檢查每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟通過(guò)上位機(jī)管理軟件和單元控制器控制軟件構(gòu)成的。上位機(jī)管理軟件是在Windows 98操作平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用Visual Basic 6.0，包括系統(tǒng)監(jiān)控，通訊管理，數(shù)據(jù)處理，控制命令，動(dòng)態(tài)顯示等模塊。它的界面友好，顯示直觀，操作方便。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的位置通過(guò)圖形方式顯示在上位機(jī)顯示屏上。檢測(cè)和控制數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示在它們各自位置的一側(cè)。操作者能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的訓(xùn)練對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制。單元控制器控制軟使用用8051匯編語(yǔ)言編程，并在89C51 EEPROM中固化。它主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通信，I/O接口控制和數(shù)字顯示控制等功能。對(duì)于每個(gè)季節(jié)室內(nèi)溫濕度的不同要求，在軟件中形成不同季節(jié)的控制參數(shù)，可以經(jīng)過(guò)鍵盤進(jìn)行修改。在實(shí)際操作中，濕度控制精度達(dá)到±0.5°C，濕度控制精度達(dá)到±2rh。

4 主程序設(shè)計(jì)

信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的主要功能是將溫度和壓力值轉(zhuǎn)換為傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)的模擬信號(hào)。同時(shí)，將工頻機(jī)的狀態(tài)提供給控制計(jì)算機(jī)，并通過(guò)命令控制工頻機(jī)的啟動(dòng)和停止。主程序主要完成微處理器初始化、SJA1000初始化、循環(huán)調(diào)用AD程序、CAN發(fā)送和CAN接收程序。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，中央空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展為該系統(tǒng)提供了非常實(shí)用的通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)體積小，功能強(qiáng)，響應(yīng)速度快，測(cè)試精度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大。它具有廣泛的應(yīng)用和巨大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

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