基于 CAN 总线的楼宇自控系统设计

中心议题：
    *  基于 CAN 总线的楼宇自控系统设计
解决方案：
    *  采用通用的PC机作为上位机监控中心
    *  由采集模块、主控模块和通信模块组成监测节点

0 引 言

CAN总线最初是德国BOSH公司为汽车检测、控制系统而设计的。现在，它已经成为一种国际标准，在电力、石化、空调、建筑等行业均有应用。CAN总线信息传输采用短帧结构，每一帧仅8 Byte，传输时间短，抗干扰性强；支持多种校验形式，具有强大的纠错能力；采用总线仲裁技术，数据处理能力强。它采用了OSI中的3层网络结构 —— 物理层、数据链路层和应用层，对应用层却未作规范。

由于目前国内还没有CAN通信的应用层协议标准，而国外的应用层协议较为昂贵，在一些利用简单的通信协议就可以满足要求的情况下，采用复杂的协议会造成资源浪费，用户在应用时也会感觉诸多不便，反而限制了CAN的灵活性。 所以，在一些情况下制定适合要求的通信协议，对于CAN的开发和应用至关重要。

本文针对楼宇自控系统的需要，结合CAN的协议规定，从CAN总线的帧结构人手，对应用层作了相应的规定。

1 系统总体设计

基于CAN总线的楼宇自控系统主要由上位机监控中心和各网络监测节点组成。

上位机采用通用的PC机，负责对整个系统中的监测节点进行监控，发送控制命令和一些参数配置信息，并接收来自各个节点的状态信息和测量数据。

监测节点主要由采集模块、主控模块和通信模块组成。监测节点通过参数传感器采集楼宇的温度、CO 浓度、水箱液位、电压、电流等，并采集照明、电梯、中央空调的工作状态，经过微处理器的信号处理，由CAN控制器生成协议报文，并由CAN收发器将数据发送到上位机，同时接收来自上位机的控制命令和参数配置信息，及时给予反馈。


1．1 主控模块

主控模块采用基于ARM 的32 bit微处理器芯片LPC2378。72 MHz的时钟周期，高达512 KB的片内Flash程序存储器，具有在系统编程和在应用编程功能。片内包含了10 bit A／D转换器，4个通用定时器，2个CAN控制器。通用I／0接口外接继电器，检测状态变量。传感器与A／D转换器相连。CAN通道外接 CTM1050CAN收发器，实现与CAN总线的数据通信。



具体使用接口如图2所示，P4．0～P4．14作通用I／O端口；P0．23～P0．26接A／D转换接口，外接放大电路的输出管脚；P0．4、P0．5 接CAN接口；P2．0～P2．5作为6路PWM输出；P2．6作为PWM的捕获输入；Po．19～P0．20接i2C—E PROM来扩充RAM。



1.2 数据采集模块

数据采集模块包括输入／输出模块、A／D采样放大电路两部分。输X／输出模块用于系统中名子系统前端各信号的接入、输出，如电梯状态、水泵运行状态、水箱液位、照明状态、中央空调运行状态、低压配电柜的电流、电压、负荷状态信号等。上述信号可分为两类：开关量输人输出和模拟量输入输出。该电路设计了4路模拟量输入、15路开关量输入和4路输出。开关量如阀门的开启和关闭、电机的起动和停止、继电器的吸合和释放等信号从15路开关量输入口输入，经上板的光电隔离器件送给下板的PLC2378芯片处理。模拟量经放大电路放大后输入到LPC2378的模／数转换器转换成数字量。模／数转换放大电路如图3所示。



该部分主要由4块仪表放大器INA128和1块OP-07运算放大器构成，分别为LPC2378提供4路信号用于A／D转换。INA128是内部集成了3 个运放的低功耗、高精度仪用差分放大器。为抑制供电电源噪声和高阻抗的影响，在器件的引脚4、7附近接0．1 I．LF的去耦陶瓷电容。考虑到静电释放对该芯片的损坏，在两输入端增加压敏电阻进行保护。INA128的输入阻抗极高，需要为两输入端的输入偏置电流提供一条路径，在两输人端接人10 kQ的偏置电阻，并用 ，匹配，使两输入尽可能保持平衡，更好地提高高频率共模抑制。对于输出基准端(Ref)，由于LPC2378的A／D转换部分采用VDDA 3．3 V作为参考电压，为使模拟信号在差分输入为负值时也能进行A／D转换，令U =1．65 V。因此，当引脚1、8不接增益电阻时，输出电压为

采用OP-07系列运放作电压跟随器实现提高共模抑制比的目的。所有输入的开关量和模拟量经微处理器MCU处理后通过LPC2378内部集成的CAN控制器发送给总线，等待总线的接收与处理。



1．3 通信模块

通信模块主要采用CTM1050 CAN收发器与LPC2378的CAN通道。CTM1050是一款带隔离的高速CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件，这些都被集成在一块不到3 cm 的芯片上。 片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC 2 500 V的隔离功能及静电放电(ESD)保护作用。

将PLC2378的两个引脚CANTxD和CAN—RxD分别与CAN收发器CTM1050的引脚TxD、RxD相连。CTM1050的引脚CANL和 CANH分别接到CAN总线的CANL和CANH，在这两线之间需要一个合适的终端电阻连接。其电路原理图如图4所示。



2 CAN总线通信协议的制定

在基于CAN总线的楼宇控制系统中，楼宇的电梯状态、水泵运行状态、水箱液位、照明状态、CO 浓度、温度、压力、中央空调运行状态，以及低压配电柜的电流、电压、负荷状态信号等均通过总线进行交换。根据系统的特点，结合CAN的协议规定，对29位扩展标识符重新定义。

2．1 CAN总线的帧类型

(1)数据帧。将通信数据从发送器到接收器传送。
(2)远程帧。请求对方传送制定报文标志符的数据帧。
(3)错误帧。表明一个节点检测到了总线／网络故障。
(4)超载帧。在帧的发送之间提供一个延时来控制数据的流动。

本文将对29位标识符的数据帧重新定义，以提高信息的传输效率。

2．2 数据帧标志符ID的定义

在CAN扩展格式中，标志符位由ID28一ID0组成。标志符分配要满足节点及报文对优先级的要求，同时尽可能地利用标志符加载有关信息，以减少在数据域占用的空间，还要为消息滤波提供便利。本文根据CAN仲裁的特点和楼宇自控系统的需要，对CAN的29 bit标志符作重新设计。为了解决节点同时发送信息的冲突，采用帧优先原则，将标志符的前3位DI28、DI27、DI26定义为信息类型，分别表示控制命令、配置命令、状态信息和数据信息，把控制命令定义为最高优先级，依次数据信息最低。同时，采用源／目的地址方案，将标志符DI25～DI16定义为源地址。DI15～DI6定义为目标地址，DI1 1～DIIO定义为单帧／多帧。将上位机PC地址设为0，作为CAN总线的主节点。





CAN协议将29 bit ID分为5部分功能：(1)信息类型标志。该系统信息类型分为4种：控制命令、配置命令、状态信息和数据信息。

① 000— — 控制命令，是主节点PC向监测节点发送的命令。控制中央空调的运行、继电器的开关、电梯的上下等，用来传输最重要的信息，优先级最高。
② 001— — 配置命令，是主节点PC向监测节点发送参数配置信息，用来调整CO 浓度、温度、压力等。优先级仅次于命令信息。
③ 0l0——状态信息，是监测节点反馈给主节点的执行命令的结果。
④ 0ll— — 数据信息，是监测节点发送到上位机PC的信息，包括楼宇的电梯状态、水泵运行状态、水箱液位、照明状态、CO 浓度、温度、压力、中央空调运行状态、低压配电柜的电流的、电压、负荷状态信号等。数据信息分为模拟量和开关量。
⑤ 100—— 查询命令，是上位机查询监测节点是否在线和设备是否正常。

(2)源地址标识。该标识显示的是发送信息的节点地址。由于LPC2378的CAN控制器可接多个设备，所以采用10位ID表示，以满足设备扩展的需要。发送节点因重要性不同而各有优先级，反映在ID标识符中。越重要的设备ID的二进制值越小。地址标识分为两部分：ID25～ID22为设备代码，0000～1lO1分别表示压力监测、水泵监测、中央中央空调监测等l3个监测模块；ID21～ID16表示设备类型号，具体定义了每个监测模块下的设备地址。例如水泵监测包括汲水泵、排水泵和消防泵，分别用000000～000010表示。

(3)目标地址标识。该标识显示的是接受信息的节点地址。当目标地址标识为F时，定义为广播信息。其地址定义格式同(2)，高四位为设备代码，低四位为设备类型号。

(4)单帧/多帧标志。可用于区分单帧或多帧连续传送，可作为接收节点判断停止接收数据的依据。其中ID1 1用于区分点对点还是广播信息。具体含义如表2所示。



2．3 数据域格式的定义

由于信息类型不同，并且每个节点采集的信号也不一样，因此需要自定义数据域的格式。其格式定义如表3所示。



一个CAN数据帧最多可传输8 Byte的数据。数据域的第一个字节用来区分信息类型：00H表示控制命令，01H表示配置命令，02H表示状态信息，03H表示数据信息。若传输的数据属于控制命令配置参数和状态信息，则之后的2～ 8 Byte用作数据的传输；若为数据信息，则第二个字节用来定义数据信息的类型。低2位D0～D1用来区分开关量和模拟量：00表示采集的数据为开关量，01表示采集的数据为模拟量。由于监测节点采集的数据包括温度、CO 浓度、湿度、水位、电梯的运行状态、照明状态等，种类很多，所以用高6位D2～D7来定义数据的类型。之后的3～8 Byte用来传输数据。

 

2．4 CAN协议的优点

(1)采用信息类型优先级、发送节点优先级相结合的方法，详细划分了所有报文的优先权，较好地解决了总线仲裁问题，保证了重点方向、重点目标的优先。
(2)将通信的控制信息全部放在报文标志符中，用7位ID来区分各个设备，而最多8 Byte的数据域全部用来存放通信数据；并且设定应答请求，使系统可以通过硬件检测消息是否成功发送，不需要使用软件查询，从而提高通信效率。
(3)预留了保留位，为今后系统功能的扩展奠定了基础。

3 CAN协议的软件实现

LPC2378芯片包含全局验收滤波器模块，为所有的CAN控制器提供了对接收标志符的查找(CAN术语中称之为验收过滤)。验收滤波器包含一个 512×32(2 KB)RAM，软件可以在其中存放1～5个标志符表。这个RAM可以容纳多达1 024个标志符或5l2个扩展标志符或者两种类型混合的标志符。节点在接收数据时可以通过查找RAM中的ID索引表来决定接收或舍弃数据。本文在ID中定义了帧类型，可作为接收停止的依据，这样保证了多帧的连续接收。该协议在ADS集成开发环境下编译运行。接收节点的软件设计流程图如图5所示。



4 结语

本文简单介绍了基于CAN总线的楼宇控制系统的电路设计，并根据楼宇自控的需要制定CAN应用层协议，定义了包含4部分功能的标志符ID，规定了数据格式，从而提高了数据传输的可靠性和通信效率。