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1、铜陵学院毕业论文（设计）学 号 0909211082 毕 业 论 文（设计）课 题基于智能灯光系统的软件设计学生姓名 赵李凤 系 别 电气工程系 专业班级 09自动化专升本 指导教师 朱云国 2011年 6月摘 要CAN总线是现场总线的一种，它最初被应用于汽车的控制系统中。由于其卓越的性能，CAN总线的应用范围已不再局限于汽车工业，被广泛应用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。目前大部分停车场都需要大量的长期照明,采用传统的照明控制,且会造成巨大的能源浪费和设备损耗。本文提出了一种基于CAN总线技术开发的分布式停车场灯光智能控制系统。文中详细介绍了该智能控制系统的软件、硬件设计方法。设
2、计内容基于CAN总线的现场控制器进行了深入的研究，提出以单片机P89C52X2B和CAN控制SJA1000为核心，组成CAN总线的智能节点。采用C语言对智能节点的初始化及发送和接收模块程序进行了编程，详细描述了控制器的软件实现细节以及在开发过程中的一些关键的技术问题及其解决方案。该系统较好地解决了停车场内智能控制照明回路，降低停车场内的布线复杂度，减少安装费用，节省了能耗并大大延长停车场内照明设备的使用寿命，具有良好的应用前景。关键词：CAN总线；照明；智能控制；P89C52X2BN；CJA1O00AbstractCAN bus is one kind of the Fieldbus, it
3、is applied initially to the control system of the car. Because of its remarkable performance, the range of application of CAN bus has already been no longer confined to the auto industry, applied to each field such as automaticallying control, automation of the building, medical apparatus extensivel
4、y. Most parking areas need the lighting for a long time of a large amount of at present, adopt the traditional illumination to control, and will cause the enormous energy to waste lossing with the apparatus. This text has proposed a kind of intelligent control system of the light of distributed park
5、ing area based on CAN bus technological development. Have introduced the software of this intelligent control system, hardware design method in the article in detail. Design the on-the-spot controller based on CAN bus of content to carry on deep research, propose controlling SJA1000 as the core with
6、 the one-chip computer P89C52X2B and CAN, make up the intellectual node of CAN bus. Adopt C language to the nodal initializing and sending and receiving the module procedure and carrying on programming of intelligence, have described the software of the controller realizes the detail and some key te
7、chnological problems and solutions in the course of developing in detail.This system has solved the lighting return circuit of intellectual control at the parking area well, reduce the wiring complexity at the parking area, reduce the mounting cost, has saved energy consumption and lengthened the se
8、rvice life of the lighting apparatus at the parking area greatly, have good application prospects.Keywords:CAN bus；Illumination；Intelligent control；P89C52X2BN； CJA1000目录第一章绪论11.1课题背景11.2国内外研究现状11.3研究主要内容及结构1第二章 停车场灯光智能控制的原理说明32.1停车场灯光智能控制的基本原理32.2系统的CAN-bus布线及智能节点具体工作原理32.3本章小结5第三章 系统硬件设计63.1系统智能节点方
9、案比较63.2系统智能节点的设计63.3 CAN适配卡123.4 CAN智能节点的外围硬件模块设计133.5 本章小结14第四章 系统软件设计154.1系统通讯程序设计154.2 CAN总线智能节点软件设计194.3现场可编程功能的实现294.4本章小结29结束语 30致谢 31参考文献 32附录：英文翻译 33插图清单图2-1系统结构图3图2-2车场内部CAN-bus布线及结构图4图3-1 SJA1000的引脚及封装7图3-2 PCA82C250引脚描述9图3-3 89C52引脚10图3-4 CAN总线系统智能节点硬件电路原理图12图3-5开关量输入电路原理图13图3-6电源原理图14图4-
10、1 CAN的分层结构15图4-2 SJA1000初始化流程图17图4-3 查询方式发送报文流程图18图4-4查询方式接收报文流程图19图4-5 CAN总线智能节点结构框图19图 4-6 SJA1000初始化流程图20图 4-7 CAN中断接收程序流程图22图 4-8 CAN发送程序流程图24图 4-9进出口节点程序流程图26图 4-10停车场内的智能节点程序流程图27图 4-11CAN232原理框图28图 4-12CAN适配器程序流程图28表格清单表3-1管脚排列及功能说明7表3-2 PCA82C250引脚功能说明9表4-1各节点逻辑关系29铜陵学院毕业论文（设计）- 1 -铜陵学院毕业论文（
11、设计）第一章 绪论1.1课题背景随着工业测控技术和生产自动化技术的不断进步，传统的RS-232、RS-485和CCITTV24通信技术已不能适应现代化的工业控制需要，而现场总线(Fieldbus)以其低廉的价格、可靠的性能而逐步成为新型的工业测控领域的通信技术。现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。汇集了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术(3C)的现场总线技术，从20世纪80年代开始发展起来，并逐步在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中得到了广泛的重视和应用。现场总线主要有以下几种类型1
12、-3：基金会现场总线(FF)、LonWorks、ProfiBus、CAN、HART，而其中CAN(Controller Area Network)即控制器局域网因为具有高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到关注，现已形成国际标准，被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线具有通信速率高、可靠性好、连接方便和性能价格比高等诸多优点，所以它的开发和应用发展迅速，已有国际上各大厂商比如INTEL、MOTOROI A、PHII IPS、SIEMENS等不断研制和推出新的CAN总线产品，并逐步形成系列。现在，在欧美等国CAN总线已被广泛地应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机
13、床、各种机械设备、交通管理、传感器、自动化仪表等领域。从“九五”开始，我国政府就投资支持现场总线的开发，其中CAN等总线在国内已经得到较广泛的应用，被大量地应用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控等。很多大专院校及科研单位也投入大量的人力和资金加强现场总线，尤其是CAN总线技术的研究和开发。1.2 国内外研究现状目前大部分的地下停车场都需要大量的照明设备进行长期照明采用传统的连续照明方式或声控照明方式很难实现照明的自动控制且会造成巨大的能源浪费和设备损耗。国外虽然有类似的灯光智能控制系统，但价格很高，限制了它的广泛应用。调查表明目前停车场的智能化程度不一，管理也缺乏有序性
14、，设施之间也通用性也较差，造成系统集成商和用户的设备选型品种较少，实现的功能不全，系统特点不鲜明等不足。按智能停车场的通讯方式分析，早期的一部分厂商采用了串行的RS-485总线或RS-232总线作为设备之间的通讯方式。但是随着停车场系统智能化程度要求越来越高，功能越来越强，总线的节点越来越多的情况下，RS-485的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等不足和缺陷逐渐体现出来；智能停车场的系统扩展也受到RS-485本身的制约，越来越不能适应大中型智能停车场的控制需要。先进的的CAN-bus总线通讯系统是智能
15、停车场的主流发展方向。使用这种工业级的通讯方式，可以保证通讯数据的可靠性、实时性；并且，实际建设中，CAN-bus总线成本和RS-485方式成本大体相当，甚至，在较大型的停车场系统中，CAN总线的整体成本还略低于RS-485系统。由于CAN总线容错性能好，可以大大降低后期的维护、维修、扩充成本。1.3 研究主要内容及结构安排本文提出了一种基于CAN总线技术开发的分布式停车场灯光智能控制系统，详细介绍了该智能控制系统的软件、硬件设计方法。设计内容基于CAN总线的现场控制器进行了深入的研究，提出以单片机P89C52X2B和CAN控制SJA1000为核心，组成CAN总线的智能节点，系统主要由多个智能
16、节点构成，再利用CAN总线将这些节点连接成一个可以相互联系的整体，系统便可以实现对停车场灯光的智能控制。该系统能够较好地实现该智能灯光控制系统所要求的功能，有效地解决停车场面临的能耗、材耗问题，降低停车场内的布线复杂度，减少安装费用并大大延长停车场内照明设备的使用寿命，具有非常广阔的应用前景。文中的第一章：叙述了本课题的研究背景及意义，第二章：对系统做详细得到原理说明，第三章：系统的硬件设计，第四章：系统的软件设计。第二章 停车场灯光智能控制系统的原理2.1停车场智能系统基本原理系统主要由上位机、CAN适配器、控制节点（包括出入口控制节点和现场控制节点）等部分构成，各节点间通过CAN总线进行通
17、信。该智能控制系统的结构如图2-1所示。入口节点 出口节点停车场内节点1 停车场内节点N图2-1系统结构图当有车辆进入停车场时，可以根据车牌号决定该车入库时的行车路线及车位，根据预定的行车路线，选择相应的照明控制方案。入口通道处的控制节点检测是否有车辆进入，当检测到车辆时，该控制结点通过CAN总线向网络上的其他相关节点发布消息；那些相关节点根据接收到的消息以及事先预定的控制方案打开有关的照明回路。出口通道处的控制节点检测是否有车辆或人离开，当检测到车辆或人离开时，该控制结点通过CAN总线向网络上的其他相关节点发布消息；使相关节点此时控制的照明回路复位，关闭停车场内的照明灯。在出入口的控制节点可
18、以实时监测，并通过CAN适配器将各个照明回路的开关状态送给上位机以方便管理人员观察停车场内的照明情况。同时出入口节点也可根据需要进行手工控制，实现对停车场内每一个回路的开关控制，以应付一些紧急事件。为了让系统能够适应不同的使用环境，同时能够根据用户的需要随时改变照明方案，该系统采用现场可编程技术，可由上位机通过CAN总线，将各个节点的控制方案下载到各控制节点，实现照明方案的现场编辑、现场修改及现场下载。系统中CAN适配器的作用是将CAN总线上的命令通过串口或USB口传给上位机，也可以将上位机的命令转换成CAN命令发送给系统中的其它节点。2.2 系统的CAN-bus布线及智能节点具体工作原理2.
19、2.1系统的CAN-bus布线智能照明系统的主要功能是车辆导向、空位检测和照明控制等。如图2-2所示，可设车场分为4个停车区域：A区、B区、C区和D区。4个区的区位引导系统统一安置在车场入口处，指示区域的方向和当前所剩的空位数。该区位引导系统由一个控制器控制，带一个CAN-bus总线接口。 图2-2车场内部CAN-bus布线及结构图这一个系统中，使用CAN-bus总线方式进行通讯，网络显得非常简单、可靠。如图2-2所示，每个停车区有一个单独的区控制器，均带CAN-bus接口，用于管理该区的照明和车位检测。按图2-2中所示，圆圈表示照明灯，通过区控制器来直接控制该区灯的亮灭。车库后的小矩形表示车
20、位探测器，用于检测汽车是否到库。当有车辆或车主进出某一个相关区域的时候，该区域的照明才点亮，在车辆或车主离开后，灯自动熄灭，并且和当前进出不相关区域的照明灯将不会点亮，这样可以最大限度的节约能源，延长设备寿命，这在较大型停车场中的作用会更加突出。在车辆进出后，车场的停车数量发生变化，系统可以及时地探测到这个变化并向主控制器和区位引导指示牌报告，使其刷新当前的记录和显示。2.2.2智能节点的工作原理 该系统主要是由多个智能节点组成，各节点间通过CAN总线进行通信。上位机将系统中所有节点的控制方案下载到相应的节点中后，各节点将根据这些从上位机下载的节点间的互联关系表完成与有关节点的交互。基本节点与
21、一定数量的传感器回路和照明回路相连。当车场内的基本节点接收到从CAN总线送过来的信息后，根据从上位机下载的本节点与照明灯的互联关系，开启与之相关联的灯；当基本节点的传感器检测到车到库时，基本节点将向CAN总线发送相关信息。这样所有节点就会按照使用者制定的方案打开预期的照明回路，从而实现照明控制的智能化。出入口控制节点位于停车场的出入口处。控制节点随时监听CAN总线上的各种消息。 (1)基本节点中存储着该节点控制的照明设备与其它节点的传感器的互联关系。当某一基本节点接收到其它节点发送的传感器信息时，该基本节点搜索本地的互联关系，并打开与此传感器相关的照明设备；(2)当基本节点接收到上位机发送的下
22、载命令时，基本节点将与之相关的控制方案下载到本地；(3)基本节点利用与之相连的传感器监测车辆、人员的情况。当监测车辆、人员时，该基本节点便通过CAN总线向系统中的其它节点发送相关的传感器的信息；(4)主控节点随时监听CAN总线上的各种命令，并通过状态指示灯随时反映停车场的各个照明回路的状态。2.3 本章小结本章对停车场智能灯光系统作了总体原理说明，设计了整个系统的工作流程。配以框图较为详细的分析了车辆进出车库、停库等的设计思路，提出系统由上位机、CAN适配器、包括出入口控制节点、现场控制节点等部分构成，各节点间通过CAN总线进行通信。并且对整个设计中的重点控制节点作了较明确的说明分析，为整个设
23、计提供了一个很合适很易行的研究方向。 第三章 系统硬件设计3.1系统智能节点方案比较本系统中的智能节点可选用两种设计方案。方案一：CAN控制器SJA1000和32位ARM微处理器S3C44BOX构成的CAN通讯节点。对SJA1000的操作是通过对其内部寄存器的设置和读写来完成的，由于其内部寄存器具有连续地址，所以可以把SJA1000当作一个外部RAM器件，对其操作即可以看作对外部RAM的操作。S3C44B0X是SAMSUNG(三星)公司一款基于ARM7TDMI的32位精简指令集(RISC)微处理器。该处理器对外设的扩展可以采用两种方式：一种是直接采用CPU的总线进行扩展，另一种是采用I/O口扩
24、展。S3C44BOX的总线是非复用的，地址和数据总线分别可以被设置为8位、l6位或者32位模式，其外部地址最大为256MB，分为8个BANK，每个BANK32MB，分配一根片选信号线CS。总线读写方式和一般的CPU基本相同。但是SJA1000与S3C44BOX之间的接口信号时序不是完全兼容的，所以必须对S3C44BOX的读写时序进行变换，使其满足SJA1000的接口要求。主要包括地址数据复用总线的设计、地址锁存信号ALE的设计、读写信号RD、WR的设计和片选信号CS的设计。方案二:采用8051+SJA1000+82C250组合的方式实现CAN的通信。由于8051的时序和SJA1000的工作时序
25、是一样的，所以只需将SJA1000的各个引脚与8051的相应引脚相连即可。SJA1000的AD0AD7连接到8051的P0口，/CS连接到8051的P2.7，P2.7为0的CPU片外存贮器地址可选中SJA1000，CPU通过这些地址SJA1000执行相应的读写操作。SJA1000的/RD、/WR、ALE分别与8051的对应引脚相连，/INT 接8051的/INT0。从上面两个方案分析可知，方案二比方案一易于实现，使用灵活，对于本课题只是该系统中的一部分，如果选择方案一，可能会在整个系统中S3C44B0X资源缺乏。选用方案二只需使用时将该模块的UART接口与需要主控制器的UART接口相连可，所以
26、本设计中选用方案二。3.2 系统智能节点的设计3.2.1 主要器件介绍(1) SJA1000SJA1000是一种应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器，经过简单总线连接可完成CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能。其硬件与软件设计和PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN兼容。同时新增加的增强CAN模式PeliCAN还可支持CAN2.OB协议。SJA1000的主要特性如下 扩展接收缓冲器(64字节FIFO);采用24MHZ时钟频率;位通讯速率为1Mbps; 支持CAN2.OB时，支持11和29位标识符; 增强CAN模式(PeliCAN); 支持多种微处理器接口; 可编程CA
27、N输出驱动配置; 工作温度范围为一40-125C:图3-1 SJA1000的引脚及封装表3-1 管脚排列及功能说明符号引脚说明AD7-AD02,1,28-23多路地址/数据总线。ALE/AS3ALE输入信号（Intel模式）,AS输入信号（Motorola模式）。/CS4片选输入低电平允许访问SJA1000。/RD /E5微控制器的/RD信号（Intel模式）或E使能信号（Motorola模式）。/WR66微控制器的/WR信号（Intel模式）或RD/（/WR）信号（Motorola模式）。CLKOUT7SJA1000产生的提供给微控制器的时钟输出信号；时钟信号来源于内部振荡器且通过编程驱动；
28、时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚。CLKOUT7SJA1000产生的提供给微控制器的时钟输出信号；时钟信号来源于内部振荡器且通过编程驱动；时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚。VSS18接地。XTAL19输入到振荡器放大电路；外部振荡信号由此输入。XTAL210振荡放大电路输出；使用外部振荡信号时左开路输出。MODE11模式选择输入。1=Intel模式，0=Motorola模式。VDD312输出驱动的5V电压源。TX013从CAN输出驱动器0输出到物理线路上。TX114从CAN输出驱动器1输出到物理线路上。VSS315输出驱动器接地。/INT16中断输出，用于中断微控制器；/INT在内
29、部中断寄存器各位都被置位时低电平有效；/INT是开漏输出，且与系统中的其它/INT是线或的；此引脚上的低电平可以把IC从睡眠模式中激活。/RST17复位输入，用于复位CAN接口（低电平有效）;把/RST引脚通过电容连到VSS ,通过电阻连到VDD可自动上电复位(例如C=1u F;R=50k)。VDD218输入比较器的5V电压源。RX0 RX119，20从物理的CAN总线输入到SJA1000的输入比较器；支配控制电平将会唤醒SJA1000的睡眠模式；如果RX1比RX0的电平高，就读支配（控制）电平，反之读弱势电平；如果时钟分频寄存器的CBP位被置位，就旁路CAN输入比较器以减少内部延时（此时连有
30、外部收发电路）；这种情况下只有RX0是激活的；弱势电平被认为是高而支配电平被认为是低。VSS221输入比较器的接地端。VDD122逻辑电路的5V电压源。SJA1000内部结构主要由接口管理逻辑IML、信息缓冲器(含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIFO)、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL,错误管理逻辑EML、内部振荡器及复位电路等构成。IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向主控器提供中断信息及状态信息。BTL始终监视CAN,当检测到有效的信息头时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器BSP处理，并由ASP过滤，只有当接收到的信息的识别码与ASP检验
31、相符时，接收信息才最终被写入RXB或RXFIFO中。RXFIFO最多可以缓存64字节的数据，该数据可被CPU读取。CAN控制器工作模式的设定、数据的发送和接收等都是通过它的寄存器来实现的。通常在系统初始化时，先使CR.0=1, SJA1000进入复位模式。在此模式下IR, ACA,AMR, BTRO,BTRI及OCR均可读可写，此时设置相应的初值。当退出复位模式时，SJA1000即按复位时设定的相应情况工作于工作模式，除非再次使芯片复位，否则上次设定的值不变。当需要发送信息时，若发送缓冲器空闲，由CPU控制信息写入TXB,再由CMR控制发送:当接收缓冲器RXFIFO未满且接收信息通过了ASP，
32、则接收到的信息被写入RXFIFO。可通过两种方法读取接收到的信息。一种方法是，在中断被使能的情况下，SJAI000向CPU发中断信号，CPU通过SR及IR可以识别该中断，并读取数据释放接收缓冲器:另一种方法是直接读取SR,查询RXFIFO的状态，当有信息接收时，读取该信息并释放接收缓冲器。当接收缓冲器中有多条信息时，当前的信息被读取后，接收缓冲器有效信号会再次有效，通过中断方式或查询方式可以再次读取信息，直到RXFIFO中的信息被全部读出为止。当RXFIFO已满，如还有信息被接收，此接收信息不被保存，且发出相应的缓冲器溢出信号供CPU读取处理。(2) PCA82C250收发器物理信令子层和数据
33、链路层之间的连接是通过集成的协议控制器实现的，这些产品有像Philips的PCA82C200、SJA1000等。而媒体相关接口负责连接传输媒体，譬如将总线节点连接到总线的连接器，像Philips的TJA1050或PCA82C250等收发器。PCA82C250收发器是协议控制器和物理传输线路之间的接口，如在SOI1898标准中描述的，它们可以用高达1Mbps的位速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据。它的特性主要有：完全和IS011898标准兼容;高速(高达1Mbps):在自动化环境中，总线保护瞬变;斜率控制降低射频干扰(RFI);不同的接收器都具有宽共模范围，有很强的抗电磁干扰EMT的能力;
34、热保护;对电池和地的短路保护;低电流备用模式;一个没有上电的节点不干扰总线;至少可挂110个节点;表3-2 PCA82C250引脚功能描述管脚号管脚名描述1TXD发送数据输入2GND地3Vcc电源电压4RXD接收数据输出5Vref参考电压输出6CANL低电平CAN电压输入/输出7CANH高电平CAN电压输入/输出8Rs斜率电阻输入图3-2 PCA82C250引脚描述管脚8Rs有三种不同的工作模式:高速，待机，斜率控制。把管脚8接地就选择了高速工作模式。在此模式下发送器输出级晶体管被尽可能快地启动和关闭，由于没有措施用于限制上升和下降的斜度，建议使用屏蔽电缆可避免RFI。对于低速或较短的总线长度
35、，可使用一种没有屏蔽的双绞线或平行线。对于降低RFI，上升和下降的斜率是个w定值，通过从管脚8接一个电阻至地，上升和下降的斜率能够被编程，这个斜率和管脚8 的电流输出成比例。如果高电平被接至管脚8，电路进入低电流保护模式。在这种模式下，发送器被关闭，接收器开至低电流。如果控制位被检测(不同的总线电压0.9v ),RXD将被拉至低电平。(3)CAN节点控制器P89C52此单片机是采用先进CMO5工艺的8位微控制器，是80C51微控制器系列的派生，和80C51指令相同。P89C52片内程序存储器为8K，数据存储器为256字节。其主要的特点有: 8051中心处理单元; 速度可达33MHz，全静态操作
36、; 片内FLASH程序存储器，可扩展到64K字节，4级中断，6个中断源,4个8位1/0口，全双工增强型UART, 3个16位定时器，双DPTR寄存器; 电源控制模式:时钟可停止和恢复:空闲模式;掉电模式。外部中断可以从掉电模式中唤醒; 可编程时钟输出: 低EMI(禁止ALE);P89C51RD2将原有的对外部数据和程序存储器的16位寻址机制加以利用，把片长的RAM扩展到1K字节，片上的FLASH EPROM扩展到64K字节，满足当今用嵌入式高级语言编程对片上大存储器容量的需要。它的独特之处在于: 新增加片内16位寻址ERAM(扩展RAM)，四个I/0口均有复用功能，嵌套中断系统增强为7源4优先
37、级; 新增加片内程序存储器采用非易失FLASH，同时提供BOOTROM固件实现ISP(在系统中编程)和IAP(在运行中编程); 增强定时器2具有捕捉、自动+1/-1重装、计数器、波特率发生器、编程时钟输出模式; 5模块PCA，支持上下沿捕捉、PWM输出、软件定时器、看门狗定时器等模式;下面是这两种芯片的引脚图，随后是对这些引脚的功能的一个简单介绍。 图3-3 89C52引脚RST: 复位。当晶振运行时，只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位，内部电阻己连接到Vss，仅需要一个外部电容接到Vcc上。ALE: 地址锁存使能。在访问外部存储时，输出脉冲用来锁存低地址的字节，在正常情况下，输出1/6的振荡频率可以当作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据一个ALE脉冲将被忽略。ALE可以被设置为禁止，设置后ALE只能在MOVX指令时被激活。程序时，PSEN每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器器和内部程序存储器时PSEN都无效。EA/Vpp :外部寻址使能/可编程电压.在访问整个外部程序存储器时，EA必须置低。如果EA为高时，将执行内部程序，除非程序计数器可以大于OFFFH可以访问4K器件，1FFFH可以访问8K器件，3FFFH可以访问16K器件，7FFFH可以访问32K器件.该引脚在编程时接1