摘 要:家庭智能控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對家庭智能終端設(shè)備進行的遠程控制。對CAN總線在家庭智能化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了探討性研究，以GE FANUC 系列90 PLC為例，用單片機AT89C52微處理器作為中間橋梁，與用SJA1000作為CAN微控制器一起共同構(gòu)建控制性局域網(wǎng)，并通過仿真系統(tǒng)的測試，實現(xiàn)對家庭智能設(shè)備的實時控制。

關(guān)鍵詞:CAN總線; 家庭智能化; 控制系統(tǒng); PLC

中圖分類號:TP18 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0140-03

Application of CAN-bus in Family Intelligent Control System

CHENG Yue-ping， YUAN Yong

(Mechanical and Electrical Institute， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430074， China)

Abstract: Family intelligent control system is a remote control mainly for family intelligent remote terminal devices， the application of CAN-bus in the family intelligent control system is researched. Taking GE FANUC series 90 PLC as an example， the control local area network is constructed by AT89C52 microprocessor and SJA1000 micro controller. Through the test of simulation system， the family intelligent devices can be controlled real-timely.

Keywords: CAN-bus;family intellectualization; control system;PLC

0 引 言

家庭智能控制系統(tǒng)的主要功能集中在家庭安全報警、電話或電腦遠程控制、紅外遙控、自動抄表控制、燈光和濕度控制等方面[1]。根據(jù)智能終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)和功能的不同可以把它分成兩類子網(wǎng)，一類是傳輸數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)量小、速率低的家庭自動化控制設(shè)備;另一類是傳輸多媒體信息(視頻、音頻信號)，信號量大、速率快，如視頻會議、音頻點播等[2]。家庭智能終端設(shè)備可以采用總線結(jié)構(gòu)組建成有線子網(wǎng)和無線子網(wǎng)，因各設(shè)備分布在家中不同的地方，對于組建成有線子網(wǎng)布線比較復(fù)雜，但是如果采用PLC與CAN總線構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)，將降低成本。

CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))是德國Bosch公司在20世紀80年代初為汽車檢測控制而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，它是一種多主機總線，通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通訊速率為1 Mb/s。CAN總線具有卓越的性能，極高的可靠性和獨特的設(shè)計，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門[3]。

1 家庭智能化控制系統(tǒng)的組成

家庭智能化控制系統(tǒng)是電視、洗衣機、空調(diào)及水表、電表、燃氣表等設(shè)備的指揮通信和信息管理的核心，主要功能是與遠程控制系統(tǒng)進行數(shù)傳通信，接收各種控制口令，完成對相應(yīng)設(shè)備的實時控制。

控制系統(tǒng)中凡具有嵌入式微處理器或微計算機的單體均通過CAN總線相互連接，組成分布式局部網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息資源共享。這種設(shè)計具有以下優(yōu)點:

減少了通信端口、連接電纜;

抗干擾能力強;配置靈活、系統(tǒng)擴展和升級方便;

調(diào)試簡單，檢修方便。

由CAN總線組成的家庭智能化控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 PLC與CAN總線的連接

現(xiàn)以GE FANUC 系列90 PLC為例[4]，給出一個PLC與CAN總線的連接方案。

GE系列90 PLC都帶有經(jīng)轉(zhuǎn)換的RS 232串行通訊口，編程計算機通過此串口與PLC進行通訊和編程。RS 232標準電平采用負邏輯，規(guī)定+3～+15 V之間的任意電平為邏輯“0”電平，-3～-15 V之間的任意電平為邏輯“1”電平。而CAN信號則使用差分電壓傳送，兩條信號線稱為“CAN_H”和“CAM_L”，靜態(tài)時均為25 V左右，此時的狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”;用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯性”。顯性時，通常電壓值為:CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5 V。

圖1 控制系統(tǒng)組成原理

RS 232串口的幀格式為:1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程的第9位(此位為發(fā)送和接收的地址/數(shù)據(jù)位)，1位停止位。而CAN的數(shù)據(jù)幀格式為:幀信息+ID+數(shù)據(jù)(可分為標準幀和擴展幀兩種格式)。因此，設(shè)計時就需要有一個微控制器來實現(xiàn)電平和幀格式等的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換方式如圖2所示。

圖2 RS 232到CAN的轉(zhuǎn)換

用單片機AT89C52作為微處理器[5];用SJA1000作為CAN微控制器[6]，SJA1000中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可被動局面對通信數(shù)據(jù)的幀處理;高速光電隔離用6N137實現(xiàn)，其作用是防止串入信號干擾;MAX232用來完成RS 232電平到微控制器接口芯片TTL電平的轉(zhuǎn)換。具體的硬件接口電路參見SJA1000的資料，但有以下幾點需要注意[3]:

(1) CAN總線兩端接有一個120 Ω的電阻，其作用是匹配總線阻抗，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性。但實際上只需保證CAN網(wǎng)絡(luò)中“CAN_H”和“CAN_L”之間的跨接電阻為60 Ω即可。

(2) SJA1000的20引腳RX1在不使用時可接地，配合CDR.6的置位可使總線長度大大增加。

(3) 引腳TX0，TX1的接法決定了串行輸出的電平。具體關(guān)系可參考輸出控制寄存器OCR的設(shè)置。

(4) AT82C250的RS引腳與地間接有1個斜率電阻。電阻大小可根據(jù)總線通信速度作適當調(diào)整，一般在16～140 kΩ之間。

(5) MAX232外圍需要4個電解電容C1，C2，C3，C4，這些電容也是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為1 μF/25 V，宜選用鉭電容并且位置應(yīng)用量靠近芯片，電源VCC和地之間要接1個0.1 μF的去耦電容。

在微處理控制下，RS 232和CAN進行數(shù)據(jù)交換時，采用串口接收和CAN中斷方式可提高工作效率。SJA1000的初始化在復(fù)位模式下才可以進行，主要包括工作方式的設(shè)置、時鐘分頻和驗收濾波寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置以及中斷允許寄存器的設(shè)置等。其主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

數(shù)據(jù)能否準確傳遞還取決于波特率和流量控制，這也是軟件設(shè)計時不可忽略的地方。因此接下來主要介紹CAN波特率的設(shè)置、串口波特率的自動檢測、串口數(shù)據(jù)流量控制。

CAN協(xié)議中的要素之一是波特率?？梢栽O(shè)置位周期中的位采樣點位置和采樣次數(shù)，以使可以自由地優(yōu)化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)性能，但在優(yōu)化過程中，要注意位定時參數(shù)基準參考振蕩器的容差和系統(tǒng)中不同信號傳播延遲之間的關(guān)系。

系統(tǒng)的位速率fbit表示每單位時間傳輸數(shù)據(jù)位的量，即波特率fbit=1/tbit。額定的位定時由3個互不重疊的段SYNC_SEG，TSEG1和TSEG2組成，這3個時間段分別是tSYNC_SEG，tTSEG1和tTSEG2。所以，額定位周期tbit是3個時間段的和:tbit=tSYNC_SEG+tTSEG1+tTSEG2。位周期中這些段都用整數(shù)個基本時間單位來表示。該時間單位叫時間份額TQ，時間份額的持續(xù)時間是CAN系統(tǒng)時鐘的一個周期tSCL，可從振蕩器時鐘周期tCLK取得。通過編程預(yù)分頻因數(shù)(波特率預(yù)設(shè)值BRP)可以調(diào)整CAN系統(tǒng)時鐘，即tSCL=BRP×2tCLK=2BPR/fCLK。

對CAN位定時計算的另一個很重要的時間段是同步跳轉(zhuǎn)寬度(SJW)，持續(xù)時間是tSJW[8]。SJW段并不是位周期的一段，只是定義了在重同步事件中被增長或縮短的位周期的最大TQ數(shù)量。此外，CAN協(xié)議還允許用戶指定位采樣模式(SAM)，分別是單次采樣和三次采樣模式(在3個采樣結(jié)果中選出1個)。在單次采樣模式中，采樣點在TESG1段的末端。而三次采樣模式比單次采樣多取兩個采樣點，它們在TSEG1段末端的前面，之間相差一個TQ。上面所提到的BPR，SJW，SAM，TESG1，TESG2都可由用戶通過CAN控制器的內(nèi)裝中寄存器BTR0和BTR1來定義。設(shè)置好BTR0和BTR1后，實際傳輸?shù)牟ㄌ芈史秶鸀?最大=1/(tbit-tSJW)，最小=1/(tbit+tSJW)。

檢測轉(zhuǎn)換裝置的串口波特率，首先可對主機的接收波特率(以9 600 b/s為例)進行設(shè)定，并在終端發(fā)送一個特定的字符(以回車符為例)，這樣，主機根據(jù)接收到的字符信息就可以確定轉(zhuǎn)換裝置的通信波特率?；剀嚪腁SCII值是0DH，在不同波特率下接收到的值如表1所列。

表1 不同波特率下接收的字節(jié)

波特率/(b/s)接收字節(jié)(16進制)波特率/(b/s)接收字節(jié)(16進制)

1 200804 800E6

1 800F09 6000D

2 4007819 2000F

數(shù)據(jù)在兩個串口之間的傳輸時，常常會出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。由于單片機緩沖區(qū)有限，如接收數(shù)據(jù)時緩沖區(qū)已滿，那么此時繼續(xù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)就會丟失。而流控制能有效地解決該問題，當接收端數(shù)據(jù)處理不過來時，流控制系統(tǒng)就會發(fā)出“不再接收”的信號，而使發(fā)送端停止發(fā)送，直到收到“可以繼續(xù)發(fā)送”的信號再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此流控制可以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M程，防止數(shù)據(jù)丟失。常用的兩種流控制是硬件流控制(包括RTS/CTS，DTR/CTS等)和軟件流控制XON/XOFF(繼續(xù)/停止)，下面僅就硬件流控制RTS/CTS加以說明。

采用硬件進行流控制時，串口終端RTS，CTS接到單片機的I/O口，通過置I/O口為1或0來接收和發(fā)出起停信號[7]。數(shù)據(jù)終端設(shè)備(如計算機)使用RTS來起始單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)流，而單片機則用CTS來起動和暫停來自計算機的數(shù)據(jù)流。實現(xiàn)這種硬件握手方式時，在編程時根據(jù)接收端緩沖區(qū)的大小設(shè)置一個高位標志和一個低位標志，當緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量達到高位時，就在接收端將CTS線置低(送邏輯0)，而當發(fā)送端的程序檢測到CTS為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將CTS置高為止。RTS則用來標明接收設(shè)備有沒有準備好接收數(shù)據(jù)。

以下是CAN接收子程序:

;/////////////////////////

;//CAN數(shù)據(jù)接收/統(tǒng)一成2個字節(jié)ID的幀格式//

;/////////////////////////

RECAN:

MOV R0，#C_RE ;單片機內(nèi)緩沖區(qū)起始地址

MOV DPTR，#RXBUF;讀取并保存接收緩沖區(qū)的內(nèi)容

MOVX A，@DPTR;讀取CAN緩沖區(qū)的2號字節(jié)

MOV @R0，A;保存

JB ACC.7，EFF_RE;FF位，0-SFF，1-EFF

MOV R2，#0

SJMP SFF_RE;ID數(shù)目不同，截取“數(shù)據(jù)字節(jié)”的位置不同

EFF_RE:MOV R2，#2

SFF_RE:MOV R2，#2

SFF_RE:

JB ACC.6，EXIT_RECAN;RTR位判斷，1-遠程幀，則跳出

ANL A，#0FH

MOV R3，A;這時截取中間4位是數(shù)據(jù)長度

MOV C_NUM，A;R3，R5中存放接收幀的長度

RDATA0:

INC DPTR ;2個字節(jié)ID

INC R0

MOVX A，@DPTR

MOV @R0，A

INC DPTR

MOVX A，@R0，A

INC DPTR

MOVX A，@DPTR

MOV @R0，A

MOV A，R2;如果是EFF則跳過兩個字節(jié)ID

JZ DRATA1

INC DPTR

INC DPTR

DATA1:;數(shù)據(jù)字節(jié)

INC DPTR

INC R0

MOVX A，@DPTR

MOV @R0，A

DJNZ R3，RDATA1

EXIT_RECAN:

RET

3 結(jié) 語

通過對家庭智能控制系統(tǒng)的分析，采用PLC與CAN總線構(gòu)建成控制性局域網(wǎng)，通過仿真系統(tǒng)的測試，該總線完全能完成對家庭智能終端設(shè)備實行控制，但要使它控制的穩(wěn)定性和實時性得到進一步提高，還需在此基礎(chǔ)上作更加深入的研究。

參考文獻

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