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家庭智能控制系統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。根據智能終端設備傳輸數據和功能的不同可以把它分成兩類子網，一類是傳輸數據以數據量小、速率低的家庭自動化控制設備；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。家庭智能終端設備可以采用總線結構組建成有線子網和無線子網，因各設備分布在家中不同的地方，對于組建成有線子網布線比較復雜，但是如果采用PLC與CAN總線構建成網絡，將降低成本。 CAN(Controller Area Network，控制器局域網)是德國Bosch公司在20世紀80年代初為汽車檢測控制而開發的一種串行數據通訊協議，它是一種多主機總線，通訊介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通訊速率為1Mb／s。CAN總線具有卓越的性能，極高的可靠性和獨特的設計，廣泛應用于工業自動化、交通工具、醫療儀器以及建筑、環境控制等眾多部門。 1 家庭智能化控制系統的組成 家庭智能化控制系統是電視、洗衣機、空調及水表、電表、燃氣表等設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進行數傳通信，接收各種控制口令，完成對相應設備的實時控制。 控制系統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，實現數據交換和信息資源共享。這種設計具有以下優點：減少了通信端口、連接電纜；抗干擾能力強；配置靈活、系統擴展和升級方便；調試簡單，檢修方便。 由CAN總線組成的家庭智能化控制系統原理如圖1所示。 2 PLC與CAN總線的連接 現以GE FANUC系列90 PLC為例，給出一個PLC與CAN總線的連接方案。 GE系列90 PLC都帶有經轉換的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，規定+3～+15V之間的任意電平為邏輯“0”電平，-3～-15V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”，靜態時均為2．5 V左右，此時的狀態表示為邏輯“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=3．5V，CAN_L=1．5V。 RS 232串口的幀格式為：1位起始位，8位數據位，1位可編程的第9位(此位為發送和接收的地址／數據位)，1位停止位。而CAN的數據幀格式為：幀信息+ID+數據(可分為標準幀和擴展幀兩種格式)。因此，設計時就需要有一個微控制器來實現電平和幀格式等的轉換，其轉換方式如圖2所示。 用單片機AT89C52作為微處理器；用SJAl000作為CAN微控制器，SJAl000中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可被動局面對通信數據的幀處理；高速光電隔離用6N137實現，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電平的轉換。具體的硬件接口電路參見SJAl000的資料，但有以下幾點需要注意： (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，提高數據通信的抗干擾性及可靠性。但實際上只需保證CAN網絡中“CAN_H”和“CAN_L”之間的跨接電阻為60 Ω即可。 (2)SJAl000的20引腳RXl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，TXl的接法決定了串行輸出的電平。具體關系可參考輸出控制寄存器OCR的設置。 (4)AT82C250的RS引腳與地間接有1個斜率電阻。電阻大小可根據總線通信速度作適當調整，一般在16～140 kΩ之間。 (5)MAX232外圍需要4個電解電容C1，C2，C3，C4，這些電容也是內部電源轉換所需電容，其取值均為1μF／25 V，宜選用鉭電容并且位置應用量靠近芯片，電源Vcc和地之間要接1個0．1μF的去耦電容。 在微處理控制下，RS 232和CAN進行數據交換時，采用串口接收和CAN中斷方式可提高工作效率。SJAl000的初始化在復位模式下才可以進行，主要包括工作方式的設置、時鐘分頻和驗收濾波寄存器的設置、波特率參數的設置以及中斷允許寄存器的設置等。其主程序流程圖如圖3所示。 數據能否準確傳遞還取決于波特率和流量控制，這也是軟件設計時不可忽略的地方。因此接下來主要介紹CAN波特率的設置、串口波特率的自動檢測、串口數據流量控制。 CAN協議中的要素之一是波特率。可以設置位周期中的位采樣點位置和采樣次數，以使可以自由地優化應用網絡性能，但在優化過程中，要注意位定時參數基準參考振蕩器的容差和系統中不同信號傳播延遲之間的關系。 系統的位速率fbit表示每單位時間傳輸數據位的量，即波特率fbit=1／tbit。額定的位定時由3個互不重疊的段SYNC_SEG，TSEGl和TSEG2組成，這3個時間段分別是tSYNC_SEG，tTSEGl和tTSEG2。所以，額定位周期tbit是3個時間段的和：tbit=tSYNC_SEG+tTSEGl+tTSEG2。位周期中這些段都用整數個基本時間單位來表示。該時間單位叫時間份額TQ，時間份額的持續時間是CAN系統時鐘的一個周期tSCL，可從振蕩器時鐘周期tCLK取得。通過編程預分頻因數(波特率預設值BRP)可以調整CAN系統時鐘，即tSCL=BRP×2tCLK=2BPR／CLK。 對CAN位定時計算的另一個很重要的時間段是同步跳轉寬度(SJW)，持續時間是tSJW。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數量。此外，CAN協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TSEGl段末端的前面，之間相差一個TQ。上面所提到的BPR，SJW，SAM，TESGl，TESG2都可由用戶通過CAN控制器的內裝中寄存器BTR0和BTRl來定義。設置好BTR0和BTRl后，實際傳輸的波特率范圍為：最大=1／(tbit-tSJW)，最小=1／(tbit+tSJW)。 檢測轉換裝置的串口波特率，首先可對主機的接收波特率(以9600 b／s為例)進行設定，并在終端發送一個特定的字符(以回車符為例)，這樣，主機根據接收到的字符信息就可以確定轉換裝置的通信波特率。回車符的ASCII值是0DH，在不同波特率下接收到的值如表1所列。 數據在兩個串口之間的傳輸時，常常會出現丟失數據的現象。由于單片機緩沖區有限，如接收數據時緩沖區已滿，那么此時繼續發送來的數據就會丟失。而流控制能有效地解決該問題，當接收端數據處理不過來時，流控制系統就會發出“不再接收”的信號，而使發送端停止發送，直到收到“可以繼續發送”的信號再發送數據。因此流控制可以控制數據傳輸的進程，防止數據丟失。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／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來接收和發出起停信號。數據終端設備(如計算機)使用RTS來起始單片機發出的數據流，而單片機則用CTS來起動和暫停來自計算機的數據流。實現這種硬件握手方式時，在編程時根據接收端緩沖區的大小設置一個高位標志和一個低位標志，當緩沖區內數據量達到高位時，就在接收端將CTS線置低(送邏輯0)，而當發送端的程序檢測到CTS為低后，就停止發送數據，直到接收端緩沖區的數據量低于低位而將CTS置高為止。RTS則用來標明接收設備有沒有準備好接收數據。 以下是CAN接收子程序： 3 結語 通過對家庭智能控制系統的分析，采用PLC與CAN總線構建成控制性局域網，通過仿真系統的測試，該總線完全能完成對家庭智能終端設備實行控制，但要使它控制的穩定性和實時性得到進一步提高，還需在此基礎上作更加深入的研究。 |
