基于AT89C51單片機(jī)和CAN總線控制器SJA1000設(shè)計(jì)中央空調(diào)控制系統(tǒng)

中央空調(diào)控制系統(tǒng)是智能建筑中不可缺少的組成部分。傳統(tǒng)的控制方法是采用DDC（直接數(shù)字控制器）方式，將各個(gè)溫度、濕度檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)連接到一臺(tái)或多臺(tái)DDC上，實(shí)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于現(xiàn)代智能建筑樓層較多，多個(gè)空調(diào)風(fēng)機(jī)位于不同樓層，溫、濕度檢測(cè)點(diǎn)分布于各個(gè)房間，采用DDC方式進(jìn)行控制具有引線過(guò)長(zhǎng)、施工不便、系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性不高等缺點(diǎn)。

在各種通信方式中，面向工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是目前解決工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信問(wèn)題的最佳方案?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是在二十世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制技術(shù)。它集數(shù)字通信、智能儀表、微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，從根本上突破了傳統(tǒng)？quot;點(diǎn)對(duì)點(diǎn)“式的模擬信號(hào)或數(shù)字－模擬信號(hào)控制的局限性，為真正的”分散式控制，集中式管理“提供了技術(shù)保證。

現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提供的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型（ISO/OSI）來(lái)制定的。本系統(tǒng)所采用的CAN總線是最早在我國(guó)得到應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，它采用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)采用多主方式，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可按系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求分成不同的優(yōu)先級(jí)。數(shù)據(jù)鏈路層采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個(gè)字節(jié)，易于糾錯(cuò)。發(fā)送期間丟失仲裁或出錯(cuò)的幀可自動(dòng)重新發(fā)送，故障節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)脫離總線。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)支持全雙工通信，傳輸介質(zhì)采用雙絞線和光纖，傳輸速率可達(dá)1Mbps，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。其最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。其容錯(cuò)能力和抗干擾能力強(qiáng)，傳輸安全性高。

1 、中央空調(diào)控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成

中央空調(diào)控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖中，上位機(jī)采用IBM-PC兼容機(jī)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送、系統(tǒng)工作過(guò)程的實(shí)時(shí)顯示等。各單元控制器作為下位機(jī)，采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)作為微處理器，負(fù)責(zé)本單元內(nèi)空調(diào)風(fēng)機(jī)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)以及工作狀態(tài)的控制等。單元控制器內(nèi)的CAN總線控制器SJA1000負(fù)責(zé)接收來(lái)自CAN總線的數(shù)據(jù)以及通過(guò)CAN總線向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過(guò)插在PC總線擴(kuò)展槽內(nèi)的智能CAN總線通信適配卡連接CAN總線

并通過(guò)CAN總線與各單元控制器相連接。單元控制器也可以脫離上位機(jī)，直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。

系統(tǒng)的工作原理為：各單元控制器對(duì)本單元的各檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巡回檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)按照CAN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)通過(guò)智能CAN總線通信適配卡接收各單元控制器上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)操作者的指令或系統(tǒng)軟件預(yù)先設(shè)定的控制程序向各單元控制器發(fā)送控制命令，由單元控制器對(duì)各空調(diào)風(fēng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。若脫離上位機(jī)，單元控制器將根據(jù)軟件設(shè)定的控制參數(shù)直接對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)控制。操作者可通過(guò)單元控制器上的小鍵盤對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改。

2、 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括智能CAN總線通信適配卡和單元控制器。圖2為智能CAN總線通信適配卡的原理框圖。

它提供了上位微機(jī)和CAN總線的接口，采用高性能的嵌入式微處理器80C188、CAN總線控制器82C200和CAN總線收發(fā)器82C250負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換和通信處理。82C200是PHILIPS公司的產(chǎn)品，可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。電子控制單元（ECU）的應(yīng)用層由微處理器提供，82C200為其提供一個(gè)多用途的接口。雙口RAM IDT7130作為PC機(jī)與CAN總線控制器的數(shù)據(jù)共享區(qū)，可提供兩路相互獨(dú)立的端口，每個(gè)端口均有各自的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，并且具有兩套相互獨(dú)立的中斷邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CPU之間的握手控制信號(hào)。通過(guò)軟硬件設(shè)置將雙口RAM映射成PC機(jī)的物理內(nèi)存，使收發(fā)數(shù)據(jù)相當(dāng)于直接向內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)，從而提高了數(shù)據(jù)交換速率，并保證兩個(gè)CPU同時(shí)對(duì)同一內(nèi)存單元進(jìn)行讀寫操作時(shí)數(shù)據(jù)的正確性。

此外，智能CAN總線通信適配卡還具有中斷選擇、主存基地址選擇、LED指示系統(tǒng)狀態(tài)及CAN收發(fā)狀態(tài)等功能。系統(tǒng)工作時(shí)，上位機(jī)將控制命令經(jīng)ISA總線發(fā)送至智能CAN總線通信適配卡，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路寫入雙口RAM，然后發(fā)出中斷信號(hào)。CAN通信控制器82C200收到中斷信號(hào)后，從雙口RAM中取出數(shù)據(jù)，并以CAN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路、光電隔離電路以及CAN總線收發(fā)器82C250發(fā)送至CAN總線，完成從上位機(jī)到單元控制器的數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的過(guò)程與發(fā)送命令的過(guò)程相似，但方向相反。

圖3為單元控制器電路的原理框圖。

圖中，微處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)，CAN總線控制器選用SJA1000，CAN總線收發(fā)器仍選用82C250，控制CAN總線的數(shù)據(jù)交換。工作時(shí)，CAN總線控制器SJA1000從CAN總線接收上位機(jī)發(fā)出的命令和數(shù)據(jù)，以中斷方式通知CPU89C51。CPU收到中斷信號(hào)后，將SJA1000接收到的數(shù)據(jù)存入RAM中，并根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)I/O接口電路發(fā)出相應(yīng)的命令，控制風(fēng)機(jī)機(jī)組、加濕器等執(zhí)行部件進(jìn)行相應(yīng)的操作。若上位機(jī)需要各單元狀態(tài)信息，則CPU啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序，控制I/O接口電路對(duì)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，并由CAN總線控制器發(fā)送至CAN總線，由上位機(jī)接收。I/O接口電路可提供８路數(shù)字量輸入、8路數(shù)字量輸出、16路模擬量輸入及4路模擬量輸出接口，用于接單元內(nèi)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)。

硬件看門狗電路X25045用于系統(tǒng)監(jiān)控，防止程序跑飛，并提供512字節(jié)EEPROM來(lái)保護(hù)重要的系統(tǒng)控制參數(shù)，提高了單元控制器的抗干擾能力。

數(shù)字顯示器可以顯示風(fēng)機(jī)的互回風(fēng)溫度、送風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、變頻器頻率、風(fēng)門開(kāi)度、水閥開(kāi)度、報(bào)警信號(hào)的類型及數(shù)量等系統(tǒng)狀態(tài)信息。小鍵盤用于修改設(shè)置參數(shù)、改變顯示類型，從而使單元控制器在脫離上位機(jī)的情況下仍然可以完成控制功能。

3 、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由上位機(jī)管理軟件和單元控制器控制軟件組成。上位機(jī)管理軟件是在Windows98操作平臺(tái)上，利用Visual Basic6.0開(kāi)發(fā)的，包括系統(tǒng)監(jiān)控、通信管理、數(shù)據(jù)處理、控制命令、動(dòng)態(tài)顯示等模塊，具有界面友好、顯示直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的位置以圖形方式形象地顯示在上位機(jī)顯示器上，檢測(cè)和控制數(shù)據(jù)在各自位置旁動(dòng)態(tài)顯示，操作者經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。單元控制器控制軟件采用8051匯編語(yǔ)言編程，固化于89C51的EEPROM中，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、I/O接口控制、數(shù)字顯示控制等功能。根據(jù)各個(gè)季節(jié)對(duì)室內(nèi)溫、濕度的不同要求，軟件中預(yù)先設(shè)置了不同季節(jié)的控制參數(shù)，并可通過(guò)小鍵盤隨時(shí)進(jìn)行修改。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，溫度控制精度達(dá)到±0.5℃，濕度控制精度達(dá)到±2%RH。

在中央空調(diào)控制系統(tǒng)上、下位機(jī)之間采用CAN總線進(jìn)行通信，可大大提高系統(tǒng)工作的可靠性、實(shí)時(shí)性及擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度、濕度控制，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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