基于CAN總線的客房通信控制器的設(shè)計

1 引言
    隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對智能建筑的功能、環(huán)境和管理水平提出了更高的要求。賓館、酒店的客房控制和管理作為智能建筑樓宇自控系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其發(fā)展方向是更加安全、舒適、高效、便利和節(jié)能。賓館、酒店的客房控制和管理具有分散控制和集中管理的特點，整個系統(tǒng)涉及對象繁多，且分布在不同位置，控制要求也各不相同。如果采用傳統(tǒng)的一對一接線，則建筑物內(nèi)的布線復(fù)雜、維修困難，系統(tǒng)成本高、可靠性低、可擴(kuò)展性差。因此，現(xiàn)代智能建筑樓宇自控系統(tǒng)廣泛采用了現(xiàn)場總線技術(shù)。
    本文結(jié)合賓館、酒店的客房控制和管理實例，介紹了基于CAN總線的客房通信控制器的設(shè)計。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    客房控制和管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)包括三層：現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和管理層?，F(xiàn)場控制層主要是賓館內(nèi)的各客房控制器或其它控制設(shè)備；以一個客房節(jié)點為例，每個客房控制器可對客房內(nèi)部的空調(diào)、燈、背景音樂、門鈴、報警等各種設(shè)備進(jìn)行控制，還可接收客戶的需求信息，并將信息上傳給監(jiān)控層的通信控制器。監(jiān)控層通信控制器的主要任務(wù)是過濾信息量，并將信息上傳給管理層，同時接收管理層的控制指令，對記錄數(shù)據(jù)和各節(jié)點進(jìn)行操作。各樓層的中繼器則可增加節(jié)點的最大數(shù)目，擴(kuò)大通信距離。管理層主要由中央服務(wù)器、總臺PC、工程部PC、服務(wù)中心PC等組成，主要用于信息的綜合管理與控制，具有匯總各個節(jié)點上傳信息、綜合決策、數(shù)據(jù)查詢及處理、故障診斷、通信管理等功能。
 

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

由于現(xiàn)場控制層具有節(jié)點多、分布廣的特點，其通信系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可靠性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和簡單的連接方式，并能滿足長距離傳輸和現(xiàn)場調(diào)試方便的需要。因此，現(xiàn)場控制層采用了使用簡單靈活、可靠性高、實時性強(qiáng)且成本低的CAN總線。管理層的中央服務(wù)器PC、總臺PC、服務(wù)中心PC等相互之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。而監(jiān)控層的CAN通信控制器則提供管理層中央服務(wù)器PC與現(xiàn)場控制層CAN總線的接口，即把中央服務(wù)器PC的數(shù)據(jù)和命令傳送給指定的CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給中央服務(wù)器PC以做進(jìn)一步處理。

3 硬件電路結(jié)構(gòu)
    CAN總線通信控制器的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括主控制器、時鐘保持電路、非易失性EEPROM存儲器、CAN總線接口電路和RS232接口電路。主控制器采用性價比高、結(jié)構(gòu)簡單、便于編程的AT89C51單片機(jī)，主要用于對CAN控制器SJA1000 及RS232串口的初始化，并通過對CAN控制器SJA1000 及RS232串口的控制操作實現(xiàn)現(xiàn)場CAN總線與管理層中央服務(wù)器PC的數(shù)據(jù)交換等通信任務(wù)。

         CAN總線接口電路主要由CAN通信控制器SJA1000、高速光耦6N137和CAN總線驅(qū)動器82C250組成。SJA1000作為CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的控制器，它內(nèi)建BASIC CAN協(xié)議，并提供對CAN2.0B協(xié)議的支持。通過對片內(nèi)寄存器的讀、寫操作，主控制器單片機(jī)能夠設(shè)置CAN總線通信模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。
    SJA1000在邏輯上實現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)的編碼和解碼，若要與物理線路連接，還必須借助總線驅(qū)動器82C250，以增強(qiáng)CAN總線的差動發(fā)送和接收驅(qū)動能力。為了增強(qiáng)CAN 總線節(jié)點的抗干擾能力，防止線路間串?dāng)_，SJA1000 的TX0 和RXO 并不是直接與82C250 的TXD 和RXD 相連，而是通過高速光耦6N137 后再與82C250 相連；另外，CAN總線驅(qū)動器采用帶隔離的DC/DC模塊單獨供電，實現(xiàn)了通信控制器與CAN總線的隔離，提高系統(tǒng)的可靠性。
    82C250的CANH和CANL引腳各自通過一熱敏電阻與CAN總線相連，當(dāng)過流時電阻發(fā)熱阻值變大，保護(hù)82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。
    RS232接口電路主要用于主控制器單片機(jī)與管理層中央服務(wù)器PC的雙向數(shù)據(jù)傳送。由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。
    控制器的其它外圍電路還有電源模塊、非易失性EEPROM存儲器、時鐘保持電路、LED指示燈和看門狗等。非易失性EEPROM存儲器采用具有2KB容量的AT24C02，用于保存系統(tǒng)配置參數(shù)及各節(jié)點的最新信息，便于管理層的查詢。時鐘保持電路選用涓流充電時鐘芯片DS1302，其內(nèi)部含有實時時鐘和日歷，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，用于給各節(jié)點控制器校時。同時,控制器還配置了4個LED指示燈，分別用于系統(tǒng)上電、CAN通信、RS232通信和系統(tǒng)通信故障的指示，以方便系統(tǒng)的調(diào)試和對控制器運行狀況的監(jiān)測。

4 系統(tǒng)軟件
    CAN通信控制器的主要任務(wù)是過濾信息量，將現(xiàn)場層信息上傳給管理層，同時接收管理層的控制指令，對記錄數(shù)據(jù)或各CAN節(jié)點進(jìn)行操作。CAN通信控制器同時還具有數(shù)據(jù)記錄和零點校時功能。因而控制器軟件設(shè)計主要包括四大部分：CAN通信、RS232通信、EEPROM數(shù)據(jù)的讀寫和系統(tǒng)時鐘DS1302的讀寫。其程序主流程圖如圖3所示。

圖3 控制器軟件流程圖

    CAN通信軟件包括CAN初始化、報文的接收和報文發(fā)送三部分。當(dāng)控制器上電后，首先對CAN控制器SJA1000進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括工作方式的設(shè)置、接受濾波方式的設(shè)置、接受屏蔽寄存器和接受代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置，SJA1000的初始化只能在復(fù)位模式下進(jìn)行。完成SJA1000的初始化設(shè)置后即返回工作狀態(tài)，開始循環(huán)監(jiān)聽CAN總線上的信息。報文的接收采取中斷方式，以便系統(tǒng)的即時響應(yīng)。在報文接收的過程中同時要對總線關(guān)閉、錯誤報警、接受溢出等情況進(jìn)行處理。報文的發(fā)送相對比較簡單，只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)組成一組報文送入SJA1000的發(fā)送緩存器中，啟動發(fā)送即可。RS232通信軟件包括RS232初始化和與管理層中央服務(wù)器PC機(jī)的通信；控制器采用查詢方式接收中央服務(wù)器PC的數(shù)據(jù)。
   EEPROM24C02存儲器數(shù)據(jù)和時鐘芯片DS1302的讀寫均簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信。當(dāng)控制器收到節(jié)點的信息后，即將此信息上傳給管理層，同時將此信息寫入AT24C02存儲器，作為歷史信息保存，便于管理層的查詢?？刂破鞯牧泓c校時功能是通過讀取DS1302的時鐘，當(dāng)時鐘為零點整時，即統(tǒng)一對各現(xiàn)場CAN節(jié)點進(jìn)行校時，避免了各CAN節(jié)點時鐘誤差的積累。

5 結(jié)束語
    基于CAN總線的客房通信控制器已在賓館的客房控制和管理系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。實踐證明，由于采用了CAN總線技術(shù)，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，而且CAN總線以其分時多主、非破壞性總線仲裁和自動檢錯重發(fā)的技術(shù)特點有效地提高了通信的可靠性，從而使現(xiàn)場調(diào)試更加方便、縮短了開發(fā)周期。