基于CAN总线的停车场智能灯光系统的软件设计.docx

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基于CAN总线的停车场智能灯光系统的软件设计

基于智能灯光系统的软件设计

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；CJA1O00

Abstract

CANbusisonekindoftheFieldbus,itisappliedinitiallytothecontrolsystemofthecar.Becauseofitsremarkableperformance,therangeofapplicationofCANbushasalreadybeennolongerconfinedtotheautoindustry,appliedtoeachfieldsuchasautomaticallyingcontrol,automationofthebuilding,medicalapparatusextensively.

Mostparkingareasneedthelightingforalongtimeofalargeamountofatpresent,adoptthetraditionalilluminationtocontrol,andwillcausetheenormousenergytowastelossingwiththeapparatus.ThistexthasproposedakindofintelligentcontrolsystemofthelightofdistributedparkingareabasedonCANbustechnologicaldevelopment.Haveintroducedthesoftwareofthisintelligentcontrolsystem,hardwaredesignmethodinthearticleindetail.Designtheon-the-spotcontrollerbasedonCANbusofcontenttocarryondeepresearch,proposecontrollingSJA1000asthecorewiththeone-chipcomputerP89C52X2BandCAN,makeuptheintellectualnodeofCANbus.AdoptClanguagetothenodalinitializingandsendingandreceivingthemoduleprocedureandcarryingonprogrammingofintelligence,havedescribedthesoftwareofthecontrollerrealizesthedetailandsomekeytechnologicalproblemsandsolutionsinthecourseofdevelopingindetail.

Thissystemhassolvedthelightingreturncircuitofintellectualcontrolattheparkingareawell,reducethewiringcomplexityattheparkingarea,reducethemountingcost,hassavedenergyconsumptionandlengthenedtheservicelifeofthelightingapparatusattheparkingareagreatly,havegoodapplicationprospects.

Keywords:

CANbus；Illumination；Intelligentcontrol；P89C52X2BN；CJA1000

第一章绪论·································································1

1.1课题背景······························································1

1.2国内外研究现状························································1

1.3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·······································3

2.1停车场灯光智能控制的基本原理··········································3

2.2系统的CAN-bus布线及智能节点具体工作原理······························3

2.3本章小结······························································5

第三章系统硬件设计························································6

3.1系统智能节点方案比较···················································6

3.2系统智能节点的设计·····················································6

3.3CAN适配卡····························································12

3.4CAN智能节点的外围硬件模块设计········································13

3.5本章小结·····························································14

第四章系统软件设计·······················································15

4.1系统通讯程序设计······················································15

4.2CAN总线智能节点软件设计··············································19

4.3现场可编程功能的实现··················································29

4.4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3-1SJA1000的引脚及封装··················································7

图3-2PCA82C250引脚描述···················································9

图3-389C52引脚···························································10

图3-4CAN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4-1CAN的分层结构······················································15

图4-2SJA1000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4-5CAN总线智能节点结构框图············································19

图4-6SJA1000初始化流程图················································20

图4-7CAN中断接收程序流程图·············································22

图4-8CAN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3-2PCA82C250引脚功能说明···············································9

表4-1各节点逻辑关系······················································29

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CCITTV．24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[1-3]：

基金会现场总线（FF）、LonWorks、ProfiBus、CAN、HART，而其中CAN（ControllerAreaNetwork）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、MOTOROIA、PHIIIPS、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，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

2.2.1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AD0～AD7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