以CAN總線為基礎的中央空調系統(tǒng)設計探討

康麗君

摘 要：針對中央空調監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展問題和特點，形成了一種基于CAN總線的中央空調監(jiān)控系統(tǒng)。本文具體分析了CAN總線和PCI總線的技術特點和通信體制。研究了獨立CAN控制SJA1000和CAN總線驅動的工作原理，實現(xiàn)了通信卡的硬件設計和驅動程序設計。

關鍵詞：中央空調監(jiān)控系統(tǒng)；CAN總線；PCI總線

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0078-02

1 緒論

1.1 空調系統(tǒng)研究背景及意義

由于經濟的發(fā)展，對智能建筑的需求也在不斷上升。智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的應用越來越多。需要監(jiān)控的對象越多，系統(tǒng)必須形成統(tǒng)一的標準，高可靠性，靈活的構造，良好的可擴展性，易維護性以及構建系統(tǒng)的高性價比。所以，作為智能建筑的主要組成部分，樓宇自動化系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，空調監(jiān)控系統(tǒng)也是研究的主要對象。

中央空調控制系統(tǒng)作為智能建筑的組成部分。傳統(tǒng)的控制方法是通過DDC（直接數(shù)字控制器）將溫度和濕度檢測點和控制點連接到一個或多個DDC，進行了多點實時監(jiān)控。因為大量現(xiàn)代智能建筑樓層，多個空調處于不同樓層，溫度和濕度檢測點分布在不同房間。比較低。

在不同通信方式中，工業(yè)控制現(xiàn)場總線技術是改善工業(yè)控制領域數(shù)據(jù)通信問題的最佳解決方案。現(xiàn)場總線技術是20世紀80年代后期獲得的先進工業(yè)控制技術。它結合了數(shù)字通信，智能儀器，微電腦技術和網絡技術。它從根本上解決了傳統(tǒng)的“點對點”模擬或數(shù)字到模擬信號控制的問題。為實現(xiàn)的“分散控制和集中管理”提供技術幫助。現(xiàn)場總線是一種以智能儀器和執(zhí)行器為基礎的全數(shù)字實時通信傳輸系統(tǒng)，可以使用在現(xiàn)場數(shù)字設備與工業(yè)或其他生產領域的控制系統(tǒng)之間的通信。它也被叫做底層控制網絡，數(shù)字和多點通信。它在自動化系統(tǒng)中的應用前景比較多，包括制造，加工工業(yè)，運輸和建筑。

現(xiàn)場總線通信協(xié)議架構以ISO提供的開放系統(tǒng)互連模型（ISO/OSI）為前提。該系統(tǒng)中用到的CAN總線是中國使用的第一個現(xiàn)場總線。它通過ISO/OSI七層框架中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN總線標準通過多主模式，網絡上的任何節(jié)點都能夠主動向其他節(jié)點發(fā)送信息。針對系統(tǒng)的實時要求，將網絡工作點改變?yōu)椴煌膬?yōu)先級。數(shù)據(jù)鏈路層使用每幀8個字節(jié)的短幀結構，這比較容易改變。在傳輸過程中丟失仲裁或錯誤的幀可以自動傳遞，故障節(jié)點能夠自動與總線分離。CAN總線標準進行全雙工通信。傳輸介質就是雙絞線和光纖。傳輸速率為1Mbps，節(jié)點數(shù)為110個。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。它具備很好的容錯能力和抗干擾能力，傳輸安全性提升了。

1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展

因為計算機控制技術的進步，高層建筑BAS產品的空調系統(tǒng)（包括冷熱系統(tǒng)，通風系統(tǒng)）的控制系統(tǒng)已在20世紀50年代得到使用。在20世紀60年代，它可以改進為電動單元組合儀表。美國哈特福德第一臺微機分布式控制系統(tǒng)的出現(xiàn)表面智能建筑時代的產生。分布式（集中管理，分散控制）自動控制系統(tǒng)的技術發(fā)展比較成熟，主要技術特征是DDC的使用。

在1980年之后，分布式控制系統(tǒng)（DCS）可以用在中國的智能建筑系統(tǒng)中。它在20世紀90年代得到了廣泛使用，而且在中國的智能建筑中獲得發(fā)展。但是，市場管理和技術管理出現(xiàn)一定程度的問題，暴露出的問題更為廣泛、深入、嚴重。因為計算機控制技術的發(fā)展，有很多的智能建筑使用計算機來管理不同的建筑系統(tǒng)。計算機技術在空調系統(tǒng)控制和管理中的應用得到良好的經濟效益和社會效益，已在許多項目中得到體現(xiàn)了。

目前，信息技術和自動控制技術廣泛地應用于空調產品和空調系統(tǒng)中。如果通過計算機來控制空調機組，那么可靠性和運行經濟性將是比較明顯的，其用戶將增加。目前，不同的制冷機組都具有計算機控制裝置，可通過負荷的變化調節(jié)冷卻水量，促進節(jié)能和優(yōu)化運行。

2 CAN總線技術研究

CAN總線是20世紀80年代初通過德國博世開發(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合CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。它能夠實現(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，優(yōu)先級識別等。

CAN協(xié)議的一個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)勢是網絡中的節(jié)點數(shù)量在理論上可以不受到影響。數(shù)據(jù)塊的識別碼可以通過11位或29位二進制數(shù)構成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊。也能夠以數(shù)據(jù)塊的方式同時獲得相同的數(shù)據(jù)。它在分布式控制系統(tǒng)中經常使用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，能夠滿足一般工業(yè)現(xiàn)場控制命令，工作狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8字節(jié)不占用很多的總線時間，從而實現(xiàn)了通信的實時性。CAN協(xié)議通過CRC測試并實現(xiàn)相應的錯誤處理功能，以促進數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN總線的優(yōu)良特性，高可靠性和獨特設計特別能夠用在工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連。因此，它已被越來越多的行業(yè)所使用，并被認為是比較有前途的現(xiàn)場總線之一。

3 中央空調控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)的主要功能

中央空調系統(tǒng)一般用在現(xiàn)代大型建筑物中。我們都知道，空調系統(tǒng)的作用是改變室內空氣，使空氣溫度，流速和新鮮度，清潔度等指標符合使用場所的要求。因此，必須冷卻或加熱，冷卻或加濕空氣并過濾空氣。其配套設備主要有制冷機組，熱水器，風機盤管系統(tǒng)，風道系統(tǒng)，水管系統(tǒng)等。例如，在空調系統(tǒng)中，冷卻器由設施提供。它是由微處理器根據(jù)空調原理和空調規(guī)則自動控制的。冷水機組包括壓縮機，冷凝器和蒸發(fā)器。壓縮機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。液體冷卻劑通過冷凝器蒸發(fā)到蒸發(fā)器中，使冷卻水冷卻，然后冷卻水進入冷卻風扇盤管吸收空氣，從而在室內循環(huán)熱量并從室內帶走熱量。因此，可以從以下幾個方面分析中央空調系統(tǒng)的監(jiān)控設計：

（1）設備基本參數(shù)的測量和設備的啟停控制。（2）基本能源調控。（3）冷熱源和水管系統(tǒng)的綜合調控。

因此，中央空調監(jiān)控系統(tǒng)是以PC機為主機，以CAN總線通信功能為主站，具有冷凍機、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中。

3.2 中央空調控制整體結構

中央空調控制系統(tǒng)上位機使用了IBM-PC兼容機，進行接收和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，獲得控制命令，系統(tǒng)工作過程的實時顯示等。對于下位機，每個單元控制器用到Atmel A生產的AT89C51單片機，是微處理器。實現(xiàn)機組空調風機的現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測和工作狀態(tài)控制。單元控制器中的CAN總線控制器SJA1000實現(xiàn)從CAN總線接收數(shù)據(jù)并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C。上位機經過插入PC總線擴展槽的智能CAN總線通信適配卡連接到CAN總線，并經過CAN總線連接每個單元控制器。也可以在主機上移除單元控制器以進行手動控制。

3.3 硬件設計

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。它實現(xiàn)了PC機與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實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信處理。82C200是飛利浦產品，可實現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。電子控制單元（ECU）的應用層通過微處理器提供，而82C200則提出了多用途接口。雙端口RAM IDT7230充當PC和CAN總線控制器之間的數(shù)據(jù)共享區(qū)域，并擁有兩個獨立端口。每個端口都出現(xiàn)了自己的地址線，數(shù)據(jù)線和控制線，并且有兩組獨立的中斷邏輯來進行兩個CPU之間的握手控制信號。硬件和軟件設置用在將雙端口RAM映射到PC的物理存儲器，從而實現(xiàn)讀取和寫入存儲器中的數(shù)據(jù)。從而在兩個CPU讀寫過程中提高數(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)工作過程中，主機經過ISA總線向智能CAN總線通信適配卡發(fā)送控制命令，并經過驅動電路寫入雙端口RAM，然后產生中斷信號。CAN通信控制器82 C200獲得中斷信號后，數(shù)據(jù)從雙端口RAM中取出，輸出驅動電路，光隔離電路和CAN總線收發(fā)器82 C250通過CAN總線協(xié)議標準傳輸?shù)紺AN總線。并輸出數(shù)據(jù)。NGE從主計算機到單元控制器完成。

微處理器通過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來控制CAN總線的數(shù)據(jù)交換。當CAN總線控制器SJA1000工作時，它在CAN總線獲得主機的命令和數(shù)據(jù)，并經過中斷模式通知CPU 89C51。在獲得中斷信號后，CPU將SJA1000接收的數(shù)據(jù)存儲在RAM中，并通過數(shù)據(jù)向I/O接口電路發(fā)出具體的命令。以控制風扇單元、加濕器等的相應操作。如果主機要求每個單元的狀態(tài)信息，則CPU啟動數(shù)據(jù)采集程序，并控制I/O接口電路檢查每個檢測點的數(shù)據(jù)。

3.4 軟件設計

系統(tǒng)軟通過上位機管理軟件和單元控制器控制軟件構成的。上位機管理軟件是在Windows 98操作平臺上進行開發(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)運行過程中，每個檢測點和控制點的位置通過圖形方式顯示在上位機顯示屏上。檢測和控制數(shù)據(jù)動態(tài)顯示在它們各自位置的一側。操作者能夠通過簡單的訓練對整個系統(tǒng)控制。單元控制器控制軟使用用8051匯編語言編程，并在89C51 EEPROM中固化。它主要實現(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。對于每個季節(jié)室內溫濕度的不同要求，在軟件中形成不同季節(jié)的控制參數(shù)，可以經過鍵盤進行修改。在實際操作中，濕度控制精度達到±0.5°C，濕度控制精度達到±2rh。

4 主程序設計

信號采集節(jié)點的主要功能是將溫度和壓力值轉換為傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C的模擬信號。同時，將工頻機的狀態(tài)提供給控制計算機，并通過命令控制工頻機的啟動和停止。主程序主要完成微處理器初始化、SJA1000初始化、循環(huán)調用AD程序、CAN發(fā)送和CAN接收程序。

5 結語

總之，中央空調系統(tǒng)的發(fā)展為該系統(tǒng)提供了非常實用的通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)體積小，功能強，響應速度快，測試精度高，數(shù)據(jù)存儲容量大。它具有廣泛的應用和巨大的開發(fā)價值。

參考文獻

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