基于以太網(wǎng)和CAN總線的樓宇自動化系統(tǒng)設計

顧俊卿，張福斌

（西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072）

隨著現(xiàn)代化城市建設的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的高層建筑，如何統(tǒng)一管理和監(jiān)控建筑內(nèi)公用的機電設備，成為當今樓宇自動化研究的熱點方向之一 。以“分散控制，集中管理”為基本思想，設計了一種基于以太網(wǎng)和CAN總線的樓宇自動化控制系統(tǒng)。采用分層管理和控制，與傳統(tǒng)控制結構相比，每個現(xiàn)場設備節(jié)點都具有通信和控制能力，各自可以獨立控制而不依賴于主控計算機，同時也具有簡單的故障自動修復功能，因而只要控制規(guī)律確定以后，平時主控機只需要監(jiān)視設備節(jié)點既可，這樣就提高了整個系統(tǒng)的自動化水平。所選的以太網(wǎng)和CAN總線的組合，相比其他總線，軟硬件技術成熟、安全可靠、傳輸速度快且成本低廉、易于擴展和維護。

1 網(wǎng)絡結構設計

系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)設計兩層網(wǎng)絡，第1層是以太網(wǎng)，由路由器和交換機組成，負責連接主控機和各個區(qū)域的上位機，各上位機內(nèi)嵌簡單的TCP/IP協(xié)議棧，通過以太網(wǎng)將其下的設備節(jié)點的狀態(tài)實時的反饋到主控機中，也可以接受主控機發(fā)送出的控制指令。以太網(wǎng)提供了冗余網(wǎng)絡結構，主控機的位置可以隨時移動，通過新的路由器接入網(wǎng)絡即可。第2層是CAN網(wǎng)絡，由CAN控制器和收發(fā)器組成，負責連接設備節(jié)點，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至上位機，并接收上位機的命令消息。由于上位機實際上起到了一個網(wǎng)關的作用，因此兩層網(wǎng)絡結構擴大了通信的帶寬，減輕了總線的負擔。再加上CAN特有的非破壞性總線仲裁技術，即使在網(wǎng)絡負重很大的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓情況。

2 硬件方案

上位機以NXP LPC2478為主芯片，由電源穩(wěn)壓模塊、以太網(wǎng)收發(fā)器，隔離變壓器、CAN收發(fā)器等組成。LPC2478以ARM7為內(nèi)核，它包括1個10/100以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、1個帶 4 kB終端 RAM的 USB全速設備/主機/OTG控制器、4個UART、兩路CAN通道、1個SPI接口、2個同步串行端口、3個I2C接口和1個I2S接口。同時還帶有1個4 MHz的片內(nèi)振蕩器、98 kB RAM、以及一個外部存儲器控制器來支持上述的各種串行通信接口[1]。電源穩(wěn)壓模塊將輸入電源電壓濾波并穩(wěn)定在3.3 V左右，可以防止電壓瞬時的下降導致的程序跑飛。CAN收發(fā)器采用PCA82C250，以太網(wǎng)接口用常見的的RJ45型網(wǎng)線接口。

設備節(jié)點使用STC89C52單片機作為微控制器，外擴SJA1000為CAN控制器，為便于調試，擴展電平轉換芯片MAX232作為備用調試通道。根據(jù)不同需要，還要連接不同的傳感器和其他執(zhí)行機構，比如中央空調系統(tǒng)，可連接DS18B20溫度傳感器將溫度采集并以數(shù)字量直接傳送給STC89C52[2]，STC89C52則按預先設置好的方案，控制壓縮機工作。必要時可以由主控機發(fā)送控制命令，修改預先設置的方案參數(shù)。

圖1 BAS網(wǎng)絡結構Fig.1 BAS net layout

將上位機的網(wǎng)口連接至交換機網(wǎng)口，路由器的LAN口也和交換器連接，路由器的WAN口連接進入樓宇局域網(wǎng)。

3 軟件架構

軟件由主控機人機接口界面、上位機軟件、設備節(jié)點軟件組成。上位機軟件包括嵌入式TCP/IP協(xié)議簇、以太網(wǎng)收發(fā)軟件包、CAN收發(fā)軟件包等，設備節(jié)點軟件包括CAN模塊、數(shù)據(jù)采集分析模塊等組成。

3.1 移植μC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)的方法

上位機既要和主控機通信，又要負責管理下屬的設備節(jié)點，負載較大。移植μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)可以使上位機具有多任務運行的功能。μC/OS-Ⅱ是一個完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務內(nèi)核。它包含了任務調度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務間的通信和同步等基本功能。μC/OS-Ⅱ采用的是可剝奪型實時多任務內(nèi)核，可剝奪型的實時內(nèi)核在任何時候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務。

在ARM下移植μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)主要是修改μC/OS-Ⅱ中一部分與CPU相關的匯編代碼，這里主要是任務上下文的切換代碼。

任務切換發(fā)生在任務調度的時候，μC/OS-Ⅱ下任務調度的時機主要有以下幾種情況：1）高優(yōu)先級的任務因為需要某種臨界資源，主動請求掛起，讓出處理器，此時將調度就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級任務并執(zhí)行。2）高優(yōu)先級的任務因為時鐘節(jié)拍到來，在時鐘中斷的處理程序中，內(nèi)核發(fā)現(xiàn)更高優(yōu)先級的任務就緒，獲得了執(zhí)行條件，則在中斷后直接切換到更高優(yōu)先級任務執(zhí)行[3-5]。

任務切換就是保存前一個任務的基本信息，同時讀取新任務在上一次被切換時保存的這些信息。調度器將前一任務的上述信息保存在該任務的棧空間中，其目的是為了下次運行時能夠恢復到被切換時的狀態(tài)，調度器將從該任務的棧空間中讀取上述信息，從而從該任務上次被中斷的位置繼續(xù)執(zhí)行，其基本過程如下[3-5]：

1）將當前任務的PC位置、通用寄存器數(shù)據(jù)、CPU狀態(tài)入棧。

2）將全局變量OSPrioCur（當前任務優(yōu)先級變量）的值修改為全局變量OSPrioHighRdy（最高優(yōu)先級任務優(yōu)先級）的值，即把最高就緒任務優(yōu)先級設置為新的當前任務優(yōu)先級。

3）將原任務TCB的第一個成員（指向棧頂?shù)闹羔?OSTC B-StkPtr）的值修改為當前SP寄存器的值，以便再次返回。

4）獲取最高優(yōu)先級的任務控制塊中第一個成員（指向堆棧棧頂指針*OSTCBStkPtr）的值并將其保存到SP寄存器中。

5）將OSTCBCur的值修改為新就緒最高優(yōu)先級任務的任務控制塊地址。

6）將新任務的PC地址、通用寄存器數(shù)據(jù)、CPU狀態(tài)出棧，開始執(zhí)行新的任務。

因為任務切換是將當前任務的基本信息保存起來（入任務棧），并加載新任務的基本信息（出棧），而這些信息很大一部分都被存儲在CPU的寄存器中，因此根據(jù)處理器的不同，此函數(shù)在實現(xiàn)上略有差異，一般都采用匯編語言實現(xiàn)。

3.2 編寫設備驅動程序

設備驅動程序主要包括以太網(wǎng)和CAN軟件包，以太網(wǎng)驅動主要是初始化LPC2478內(nèi)部以太網(wǎng)模塊的一些重要的寄存器如MAC配置寄存器、MAC地址寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷狀態(tài)寄存器等等。以太網(wǎng)模塊內(nèi)部采用DMA方式讀取數(shù)據(jù)，分別使用接收、發(fā)送描述符數(shù)組來表示接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)塊[6]。以太網(wǎng)模塊發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的流程如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程Fig.2 Sending and receiving process of Ethernet module

CAN的初始化包括初始化時鐘分頻寄存器，同時選擇能支持擴展幀的PeliCAN模式[7]，設置接收中斷，采用中斷來接收數(shù)據(jù)，設置總線時序寄存器、輸出控制寄存器等。初始化CAN流程圖如圖3所示。

圖3 初始化CANFig.3 Initialization of CAN

3.3 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法

嵌入式TCP/IP協(xié)議棧同樣由套接字來實現(xiàn)，主要包括IP、ARP、ICMP、TCP、UDP 協(xié)議等等。 TCP/IP 模型結構分為 4層，由上到下分別是：應用層、運輸層、網(wǎng)絡層、物理和數(shù)據(jù)鏈路層[8-9]。數(shù)據(jù)從應用層發(fā)出，經(jīng)過套接字封裝，傳輸至數(shù)據(jù)鏈路層，交由以太網(wǎng)發(fā)送模塊處理。同樣的，以太網(wǎng)接收模塊收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過解包，最終交由應用層接收。考慮到系統(tǒng)實時性，我們采用UDP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)和命令的傳送。編寫UDP通信的任務時分為服務器方式和客戶機方式兩種，服務器方式是先接收到數(shù)據(jù)再進行處理，而客戶機則是先發(fā)生數(shù)據(jù)，然后等待回應處理[10]。UDP進程的流程如圖4所示。

圖4 UDP進程流程圖Fig.4 UDP process

數(shù)據(jù)報的接收是通過一個任務來進行的。該任務優(yōu)先級較高，可以通過時間片來觸發(fā)，也可以通過中斷來觸發(fā)。Rec_Packet（）函數(shù)是底層的驅動程序函數(shù)，它在接收時調用了Rec_Ethernet_Packed（）函數(shù)進行以太網(wǎng)層處理，而Rec_Ethernet_Packed（）函數(shù)又調用了 IP_PROCESS（）函數(shù)。IP層的處理由IP_PROCESS（）函數(shù)執(zhí)行，它將UDP報通過消息隊列交給UDP處理任務去執(zhí)行。

數(shù)據(jù)報的發(fā)送與數(shù)據(jù)報的接收是一個相反的過程，是由上層協(xié)議函數(shù)調用下層協(xié)議函數(shù)來進行的。上層UDP處理函數(shù)或Socket接口函數(shù)都是通過調用Send_Ip_Frame（）函數(shù)來發(fā)送IP報的，而Send_Ip_Frame（）函數(shù)則調用Send_Ip_To_LLC（）函數(shù)來處理IP地址對應MAC地址的事情，然后 Send_Ip_To_LLC（）再調用 Send_Ethernet_Frame（）函數(shù)，把對應的MAC地址寫入發(fā)送區(qū)，最后調用驅動程序的發(fā)送函數(shù) Send_Packet（）。

4 關鍵部位實驗驗證

設備節(jié)點樣機如圖5所示，它帶有一個DS18B20數(shù)字溫度傳感器，實時將溫度數(shù)據(jù)通過CAN傳輸至上位機，再通過局域網(wǎng)傳至主控計算機；具有多路I/O接口（可外接繼電器），能接收上位機命令改變I/O口的輸出。上位機使用ARM核心板外擴通信接口作為實驗板，主控機使用路由器接入，控制界面由VC++編寫。實驗時將IP地址設為一固定的私有IP，網(wǎng)關IP設為內(nèi)置交換機的TP-LINK路由器IP，設置好路由器工作方式后即可運行。以溫度采集與繼電器控制為例，驗證了主控機對設備節(jié)點的監(jiān)控和管理功能，表明該方案技術切實可行。

圖5 設備節(jié)點樣機Fig.5 Control node for test

5 結束語

提出了一種實時性較高、實用性較強的樓宇自動化控制系統(tǒng)解決方案，并對關鍵技術進行了驗證。系統(tǒng)技術成熟，易于維護和擴展，可以將建筑內(nèi)各種機電設備的信息進行分析、歸類、處理、判斷，對各系統(tǒng)設備進行集中監(jiān)控和管理，使各下屬設備協(xié)調有序的工作，并及時處理故障。

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