基于以太网和CAN总线的楼宇自动化系统设计

摘要：提出了一种使用以太网技术和CAN技术实现楼宇自动化的方案，并给出了软硬件的具体实现办法。该方案由主控计算机、以太网通讯节点以及现场CAN节点构成一个分层网络控制系统，其中以太网节点由路由器和嵌入了TCP／IP协议栈的嵌入式系统构成，现场CAN节点由单片机、AD／DA转换模块、CAN模块、传感器及执行机构组成。系统具有容错性好、实时性高，管理方便等优势，可实现智能遥控，故障发现，集中管理等功能。
关键词：以太网；CAN总线；楼宇自动化；控制系统

    随着现代化城市建设的发展，出现了越来越多的高层建筑，如何统一管理和监控建筑内公用的机电设备，成为当今楼宇自动化研究的热点方向之一。以“分散控制，集中管理”为基本思想，设计了一种基于以太网和CAN总线的楼宇自动化控制系统。采用分层管理和控制，与传统控制结构相比，每个现场设备节点都具有通信和控制能力，各自可以独立控制而不依赖于主控计算机，同时也具有简单的故障自动修复功能，因而只要控制规律确定以后，平时主控机只需要监视设备节点既可，这样就提高了整个系统的自动化水平。所选的以太网和CAN总线的组合，相比其他总线，软硬件技术成熟、安全可靠、传输速度快且成本低廉、易于扩展和维护。

1 网络结构设计
    系统结构如图1所示。系统设计两层网络，第1层是以太网，由路由器和交换机组成，负责连接主控机和各个区域的上位机，各上位机内嵌简单的TCP／IP协议栈，通过以太网将其下的设备节点的状态实时的反馈到主控机中，也可以接受主控机发送出的控制指令。以太网提供了冗余网络结构，主控机的位置可以随时移动，通过新的路由器接入网络即可。第2层是CAN网络，由CAN控制器和收发器组成，负责连接设备节点，将采集到的数据传送至上位机，并接收上位机的命令消息。由于上位机实际上起到了一个网关的作用，因此两层网络结构扩大了通信的带宽，减轻了总线的负担。再加上CAN特有的非破坏性总线仲裁技术，即使在网络负重很大的情况下，也不会出现网络瘫痪情况。

2 硬件方案
    上位机以NXP LPC2478为主芯片，由电源稳压模块、以太网收发器，隔离变压器、CAN收发器等组成。LPC2478以ARM7为内核，它包括1个10／100以太网媒体访问控制器(MAC)、1个带4 kB终端RAM的USB全速设备／主机／OTG控制器、4个UART、两路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口、3个I2C接口和1个I2S接口。同时还带有1个4 MHz的片内振荡器、98 kB RAM、以及一个外部存储器控制器来支持上述的各种串行通信接口。电源稳压模块将输入电源电压滤波并稳定在3．3 V左右，可以防止电压瞬时的下降导致的程序跑飞。CAN收发器采用PCA82C250，以太网接口用常见的的RJ45型网线接口。
    设备节点使用STC89C52单片机作为微控制器，外扩SJA1000为CAN控制器，为便于调试，扩展电平转换芯片MAX232作为备用调试通道。根据不同需要，还要连接不同的传感器和其他执行机构，比如中央空调系统，可连接DS18B20温度传感器将温度采集并以数字量直接传送给STC 89C52，STC89C52则按预先设置好的方案，控制压缩机工作。必要时可以由主控机发送控制命令，修改预先设置的方案参数。
    将上位机的网口连接至交换机网口，路由器的LAN口也和交换器连接，路由器的WAN口连接进入楼宇局域网。

3 软件架构
    软件由主控机人机接口界面、上位机软件、设备节点软件组成。上位机软件包括嵌入式TCP／IP协议簇、以太网收发软件包、CAN收发软件包等，设备节点软件包括CAN模块、数据采集分析模块等组成。
3．1 移植μC／OS-Ⅱ实时操作系统的方法
    上位机既要和主控机通信，又要负责管理下属的设备节点，负载较大。移植μC／OSⅡ操作系统可以使上位机具有多任务运行的功能。  μC／OS-Ⅱ是一个完整的，可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。它包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。μC／OS-Ⅱ采用的是可剥夺型实时多任务内核，可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。
    在ARM下移植μC／OS-Ⅱ操作系统主要是修改μC／OS-Ⅱ中一部分与CPU相关的汇编代码，这里主要是任务上下文的切换代码。
    任务切换发生在任务调度的时候，μC／OS-Ⅱ下任务调度的时机主要有以下几种情况：1)高优先级的任务因为需要某种临界资源，主动请求挂起，让出处理器，此时将调度就绪状态的最高优先级任务并执行。2)高优先级的任务因为时钟节拍到来，在时钟中断的处理程序中，内核发现更高优先级的任务就绪，获得了执行条件，则在中断后直接切换到更高优先级任务执行。
    任务切换就是保存前一个任务的基本信息，同时读取新任务在上一次被切换时保存的这些信息。调度器将前一任务的上述信息保存在该任务的栈空间中，其目的是为了下次运行时能够恢复到被切换时的状态，调度器将从该任务的栈空间中读取上述信息，从而从该任务上次被中断的位置继续执行，其基本过程如下：
    1)将当前任务的PC位置、通用寄存器数据、CPU状态入栈。
    2)将全局变量OSPrioCur(当前任务优先级变量)的值修改为全局变量OSPrioHighRdy(最高优先级任务优先级)的值，即把最高就绪任务优先级设置为新的当前任务优先级。
    3)将原任务TCB的第一个成员(指向栈顶的指针*OSTCB-StkPtr)的值修改为当前SP寄存器的值，以便再次返回。
    4)获取最高优先级的任务控制块中第一个成员(指向堆栈栈顶指针*OSTCBStkPtr)的值并将其保存到SP寄存器中。
    5)将OSTCBCur的值修改为新就绪最高优先级任务的任务控制块地址。
    6)将新任务的PC地址、通用寄存器数据、CPU状态出栈，开始执行新的任务。
    因为任务切换是将当前任务的基本信息保存起来(入任务栈)，并加载新任务的基本信息(出栈)，而这些信息很大一部分都被存储在CPU的寄存器中，因此根据处理器的不同，此函数在实现上略有差异，一般都采用汇编语言实现。
3．2 编写设备驱动程序
    设备驱动程序主要包括以太网和CAN软件包，以太网驱动主要是初始化LPC2478内部以太网模块的一些重要的寄存器如MAC配置寄存器、MAC地址寄存器、命令寄存器、状态寄存器、中断状态寄存器等等。以太网模块内部采用DMA方式读取数据，分别使用接收、发送描述符数组来表示接收和发送的数据块。以太网模块发送和接受数据的流程如图2所示。

    CAN的初始化包括初始化时钟分频寄存器，同时选择能支持扩展帧的PeliCAN模式，设置接收中断，采用中断来接收数据，设置总线时序寄存器、输出控制寄存器等。初始化CAN流程图如图3所示。

3．3 嵌入式TCP／IP协议栈的实现方法
    嵌入式TCP／IP协议栈同样由套接字来实现，主要包括IP、ARP、ICMP、TCP、UDP协议等等。TCP／IP模型结构分为4层，由上到下分别是：应用层、运输层、网络层、物理和数据链路层。数据从应用层发出，经过套接字封装，传输至数据链路层，交由以太网发送模块处理。同样的，以太网接收模块收到的数据，经过解包，最终交由应用层接收。考虑到系统实时性，我们采用UDP传输协议进行数据和命令的传送。编写UDP通信的任务时分为服务器方式和客户机方式两种，服务器方式是先接收到数据再进行处理，而客户机则是先发生数据，然后等待回应处理。UDP进程的流程如图4所示。

    数据报的接收是通过一个任务来进行的。该任务优先级较高，可以通过时问片来触发，也可以通过中断来触发。Rec_Packet()函数是底层的驱动程序函数，它在接收时调用了Rec_Ethemet_Packed()函数进行以太网层处理，而Rec_Ethemet_Packed()函数又调用了IP_PROCESS()函数。IP层的处理由IP_PROESS()函数执行，它将UDP报通过消息队列交给UDP处理任务去执行。
    数据报的发送与数据报的接收是一个相反的过程，是由上层协议函数调用下层协议函数来进行的。上层UDP处理函数或Socket接口函数都是通过调用Send_Ip_Frame()函数来发送IP报的，而Send_Ip_Frame()函数则调用Send_Ip_To_LLC()函数来处理IP地址对应MAC地址的事情，然后Send_Ip_To_LLC()再调用Send_Ethemet_Frame()函数，把对应的MAC地址写入发送区，最后调用驱动程序的发送函数Send_Packet()。

4 关键部位实验验证
    设备节点样机如图5所示，它带有一个DS18B20数字温度传感器，实时将温度数据通过CAN传输至上位机，再通过局域网传至主控计算机；具有多路I／O接口(可外接继电器)，能接收上位机命令改变I／O口的输出。上位机使用ARM核心板外扩通信接口作为实验板，主控机使用路由器接入，控制界面由VC++编写。实验时将IP地址设为一固定的私有IP，网关IP设为内置交换机的TP-LINK路由器IP，设置好路由器工作方式后即可运行。以温度采集与继电器控制为例，验证了主控机对设备节点的监控和管理功能，表明该方案技术切实可行。

5 结束语
    提出了一种实时性较高、实用性较强的楼宇自动化控制系统解决方案，并对关键技术进行了验证。系统技术成熟，易于维护和扩展，可以将建筑内各种机电设备的信息进行分析、归类、处理、判断，对各系统设备进行集中监控和管理，使各下属设备协调有序的工作，并及时处理故障。