基于CAN总线的某楼宇自动化系统的研究与设计

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摘 要

智能化建筑是建筑艺术与计算机和信息技术有机结合的产物，是适应社会信息化与经济国际化的需要，随着全球性信息高速公路的推进，发展智能化建筑已是一个必然的趋势。本文主要采用嵌入式与CAN总线技术对楼宇自动化系统进行较为详细的研究和设计。

【关键词】嵌入式 CAN总线 智能化 楼宇自动化

1 引言

随着现代科学技术、特别是计算机技术和微电子技术的迅速发展，楼宇设备系统的自动化程度也在不断地提高，自动化技术在越来越多的楼宇设备系统中得到了广泛的应用，人们对工作、生活环境的舒适性、经济性和安全性的要求日渐增长，智能建筑由此应运而生。智能建筑通常包括三部分―楼宇自动化系统（BAS）、办公自动化系统（OAS）和通信自动化系统 （CAS）。其中，楼宇自动化系统是智能建筑系统中一个重要的、基本的组成部分。本文将结合相应的CAN总线技术以及ARM控制器来实现某大楼的智能化控制。

2 系统总体结构的设计

整栋楼的管理对象主要是电气设备与空调设备。

l）电气设备：管理电气设备主要监视机械的动作状态、测量点及保护装置。管理的主要对象是对各配电系统的断路器、变压器、接触器、保险丝，电容器等的状态监视。测量主要是对电力系统的电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数的测量。

2）空调设备：管理空调设备要监视冷冻机、空调器、水泵等的状态；温湿度的测量，以及对空调系统所需的冷热源的温度、流量的调节。

各测控终端都是具有数据采集和自主控制功能的测控单元，能够在CAN总线网络中作为现场节点，整个系统的总体结构框图的设计如图1所示。

3 系统硬件电路的设计

整个系统的设计是基于can总线网络来进行的，主控制器部分所采用的是由三星公司生产的基于ARM9内核的芯片S3C2440处理器，CAN模块的电路部分主要是由SJA1000和82C250所组成的，在对整个系统的现场节点进行设计时，主要是通过相关的传感器和开关量控制信号来作为CAN的子节点，具体的各个模块的硬件电路的设计将在下面详细讲述。

3.1 主节点电路的设计

3.1.1 基于ARM9的S3C2440微处理器的设计

本设计中采用的基于ARM920T 核心核的微处理器S3C2440A。S3C2440A微处理器采用的是一种静态设计方式，所用到的内核是16/32 位的ARM920T RISC 处理器，该款处理器可以实现多种体系结构，如我们常用的哈佛结构、AMBA结构以及MMU结构，这些都是属于高速缓冲体系的结构，因此从数据缓存方面来说，该款芯片具有超高的指令缓存功能，同时还具有相当低的功耗，成本也相对较低。

3.1.2 外部存储器的设计

本系统采用的是Linux操作系统，一方面为了对从机所采集到的相关的数据进行存储以及控制信号的存储，另一方面为了整车的主控单元还能够存储其它的电子功能数据，方便日后的扩展，因而要求有较大的存储容量，在对外部存储模块进行具体的设计时，笔者所采用的是128M的NAND FLASH 与64M的SDRAM相互结合的这样一种双存储结构。

3.1.3 显示模块的设计

笔者在对本系统的显示单元进行设计时，所采用的是TFT LCD模块，该LCD模块是基于液晶光电效应的显示设备，它的分子晶体以液固态形势存在，使用 TFT 液晶屏符合智能化、数字化的发展趋势。

3.2 CAN模块的设计

CAN模块是本为重点部分，笔者在对该部分进行设计时，主要采用的是将一个CAN总线控制器SJA1000和一个CAN收发器PCA82C250相组成，使其共同构成一个CAN节点的收发模块。SJA1000具有独立数据和地址总线，采用分时复用的模式，ALE即Address Latch Enable，用来指示芯片的物理地址锁存的信号。PCA82C250 由恩智浦半导体公司生产，主要起到物理总线接口作用，用于连接CAN总线控制器。具体的CAN模块的电路图的设计如图2所示。

3.3 子节点电路的设计

3.3.1 从控制电路的设计

本设计中的从控制器采用的是MSPF149A单片机。MSPF149A单片机有60K的片内FLASH和1KB的片内RAM，并带有6个8位输入输出可配置且带中断的IO口和12位的高速多通道积分型模数转换电路。

3.3.2 温度采集电路的设计

本系统温度的测量采用是由美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源的温度传感器，其型号为AD590，它是已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。当需要测试的温度趋于稳定时，AD590主要起到恒定电流源的作用，首先要提供芯片输入范围之内的直流电压，接着要保证输出端的负载匹配，如串联1kΩ的精密电阻，那么，根据欧姆定律，可将温度转化成电流来表示，此时电阻两端的电压将会达到1mV/K。也就是说它的温度每增加1，它会增加1μA输出电流。

3.3.3 湿度采集电路的设计

在楼宇自动化系统中湿度也是一个比较重要的被测物理量，本系统湿度的测量所采用的是线性电压输出式集成湿度传感器HM1500，该传感器可靠性高、长期稳定性好，适用于3V～7V电压供电。

3.3.4 光照智能调节节点的电路设计

为了能够达到实效有效的智能节能和给室内的用户一个温馨的环境，本系统需要能够实现对一些照明灯进行相关的智能控制，这样就需要对光照强度进行检测。由于LED的发光亮度与流过 LED正向电流的大小基本上成正比例关系。利用它的这个特点，通过光传感器测量周围的环境亮度，根据测量值改变 LED的发光亮度，实现维持周围环境亮度在某个水平，本设计中的光传感器电路模块所采用的是TSL2561这款芯片来进行测量的。

4 系统的软件设计

整个系统的软件设计主要需要分三大部分来进行，分别是系统主节点的程序设计、CAN模块的程序设计以及各个现场子节点的程序设计，在本设计中CAN主节点要接收多个子CAN节点的信息，并做复杂的数据运算，同时根据运算结果向控制CAN子节点发出控制指令，而CAN子节点仅仅只需采集传感器的数据并通过CAN总线发送，或者接受CAN主节点的控制。由此可见，主节点与子节点的任务规模和复杂度相差很大，因而，本设计中主节点采用Linux操作系统的来实现，而子节点只需要采用传统的 循环加中断的裸机程序结构。

5 总结

本文结合具体科研项目的研究，针对某大楼的需求，选用CAN总线构建并设计了一个基于CAN总线技术的楼宇自动化系统，为楼宇自动化系统的研究提供了一定的借鉴作用。

参考文献

[1]Riedl R.Engineering of distributed control system.Industry Electronics， 2000.Proceedings of the 2000 IEEE International SymPosium，2010（02）.

[2]李中华.基于CAN总线的分布式温度模块设计[J].现代电子技术，2010.

[3]林勇.CAN总线在中央空调控制系统中的应用[J].电子技术应用，2011.

作者单位

宁波中交水运设计研究有限公司 浙江省宁波市 315000