基于arm的can總線智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 己的優(yōu)勢(shì)。 CAN 局域控制網(wǎng)是目前運(yùn)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，它是一種多主總線，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，節(jié)點(diǎn)之間有優(yōu)先級(jí)之分，因而通信方式靈活；CAN 可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)；CAN 采用非破壞性位仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)發(fā)送，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，在重負(fù)荷下表現(xiàn)出良好的性能。最早運(yùn)用于汽車工業(yè)，隨著 CAN 總線技術(shù)的不斷發(fā)展，其運(yùn)用領(lǐng)域也得到不斷的擴(kuò)展，如今，在機(jī)器人、數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)化儀表、航空工業(yè)等領(lǐng)域，都能看見 CAN 的影子。 課題的提出及意義自 1973 年世界上發(fā)生了第一次能源危機(jī)以來(lái)，國(guó)際上對(duì)照明節(jié)能的逐漸重視起來(lái)，并提出了“綠色照明”理念，在發(fā)展綠色照明工程的過程中照明控制起了非常重要的作用，這也在很大程度上促進(jìn)了照明控制技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的照明控制技術(shù)在照明的控制方式上以手動(dòng)為主，僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的開關(guān)控制與調(diào)光控制。利用設(shè)置在燈具回路的電氣參數(shù)（電壓、電流、頻率等） ，實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。這種傳統(tǒng)的的照明控制方式，功能簡(jiǎn)單，布線復(fù)雜遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等的發(fā)展，利用現(xiàn)場(chǎng)總線智能節(jié)點(diǎn)將照明設(shè)備構(gòu)成局域控制網(wǎng)絡(luò)，形成網(wǎng)絡(luò)化控制必將成為智能照明控制的發(fā)展趨勢(shì)。正因?yàn)檫@樣研究現(xiàn)場(chǎng)總線與照明控制相結(jié)合的技術(shù)，必將是未來(lái)發(fā)展的需要，因此，有必要研究照明控制在現(xiàn)場(chǎng)總線上的應(yīng)用。然而，CAN 總線又是現(xiàn)場(chǎng)總線的杰出代表之一，因此研究 CAN 總線對(duì)照明的控制有其重大的意義。這不僅促進(jìn)了智能照明控制技術(shù)的發(fā)展，也拓寬了現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域。還能實(shí)現(xiàn)“綠色照明” ，節(jié)約能源。考慮到照明控制技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的結(jié)合構(gòu)成智能網(wǎng)絡(luò)照明控制系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，因此我們有必要研究基于現(xiàn)場(chǎng)總線局域網(wǎng)絡(luò)的智能照明控制技術(shù)，本課題正是基于此而提出的基于 CAN 總線的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本課題主要任務(wù)是研究 CAN 總線在智能照明設(shè)備控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且開發(fā)出三個(gè)智能 CAN 總線節(jié)點(diǎn)，并利用這三個(gè)節(jié)點(diǎn)，搭建 CAN 總線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離多節(jié)點(diǎn)的照明控制方案，設(shè)計(jì)中采用一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)，通過主控節(jié)點(diǎn)，控制兩從節(jié)點(diǎn)上的兩盞照明燈，照明燈通過 AC220V 供電，并制作了繼電器控制模塊，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電弱電的隔離。并通過長(zhǎng)距離（20 米左右） 、多節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)控制測(cè)試，幾乎滿足實(shí)際照明控制系統(tǒng)的所有要求，具有重大的實(shí)際應(yīng)用意義。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 本題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于 CAN 總線的智能照明控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用主從節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，通過主節(jié)點(diǎn)對(duì)各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的照明燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，并模擬應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行試驗(yàn)研究。主節(jié)點(diǎn)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)從節(jié)點(diǎn)照明燈開關(guān)時(shí)間、狀態(tài)等的功能。在主節(jié)點(diǎn)上，主節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)設(shè)置所有從節(jié)點(diǎn)開關(guān)燈時(shí)間及狀態(tài)，從節(jié)點(diǎn)也可以隨時(shí)設(shè)置本節(jié)點(diǎn)燈設(shè)備的開關(guān)情況。并且，無(wú)論是在哪里改變了照明燈設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)或剩余時(shí)間，都能實(shí)時(shí)的更新主從節(jié)點(diǎn)上的顯示。此外，本系統(tǒng)還具有離線檢測(cè)，通訊指示，運(yùn)行指示等功能。當(dāng)某從節(jié)點(diǎn)設(shè)備人為的從總線上卸下或由于總線局部斷開而造成的節(jié)點(diǎn)離線，都能在主節(jié)點(diǎn)監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示。另外，系統(tǒng)具有通信故障指示，當(dāng)與主節(jié)點(diǎn)相連的總線斷開時(shí)，主節(jié)點(diǎn)將作出相應(yīng)的通信異常指示。 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)是一個(gè)基于 CAN 總線的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)中采用主從式總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)的信息交流。并且采用 CAN 總線的雙驗(yàn)收濾波技術(shù)，以保證同時(shí)支持 CAN總線的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和廣播通信方式，為節(jié)點(diǎn)間的正確通信打下良好基礎(chǔ)。系統(tǒng)工作流程如下：首先，在主節(jié)點(diǎn)利用觸摸屏輸入各從節(jié)點(diǎn)燈控制信息，點(diǎn)擊確定后，先依次將各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的設(shè)置信息，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式發(fā)送給各個(gè)從節(jié)點(diǎn)，緊接著用廣播方式將一個(gè)啟動(dòng)燈信號(hào)發(fā)送給所有的從節(jié)點(diǎn)，以保證同時(shí)啟動(dòng)所有從節(jié)點(diǎn)燈設(shè)備。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收到燈設(shè)置信息和確定信號(hào)后，從節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行解包翻譯，并產(chǎn)生照明燈開關(guān)控制信號(hào)和定時(shí)器控制信號(hào)以控制燈設(shè)備。在正常運(yùn)行模式(非設(shè)置模式)下，主節(jié)點(diǎn)通過不斷向各個(gè)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀，從節(jié)點(diǎn)只有接收到目標(biāo)地址為自己節(jié)點(diǎn)號(hào)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀，才會(huì)將本節(jié)點(diǎn)燈設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)和剩余時(shí)間發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新顯示，從而實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)將自身的燈控制信息更改后，由于主節(jié)點(diǎn)不斷的向從節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，故，各從節(jié)點(diǎn)的燈信息也能在主節(jié)點(diǎn)上動(dòng)態(tài)更新。對(duì)于離線檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，主節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，檢查各個(gè)從節(jié)點(diǎn)是否發(fā)送過數(shù)據(jù)給主節(jié)點(diǎn)，如果沒有發(fā)送過數(shù)據(jù)，則認(rèn)為該從節(jié)點(diǎn)已經(jīng)斷開了總線的連接即節(jié)點(diǎn)離線。否則，從節(jié)點(diǎn)在線。在運(yùn)行指示功能中，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)主程序停止運(yùn)行則指示運(yùn)行不正常。具體實(shí)現(xiàn)如下，首先定義一個(gè)全局變量 WorkCount，在主節(jié)點(diǎn)主程序的 while工作循環(huán)中自加，當(dāng) while 循環(huán)執(zhí)行一次，則該變量增加 1，當(dāng)該變量能達(dá)到某設(shè)定閾值則取反運(yùn)行指示燈狀態(tài)并清零 WorkCount 后重新自加計(jì)數(shù)，這樣當(dāng)主程序還在運(yùn)行，則運(yùn)行指示燈就一直在閃爍。 方案論證與比較考慮到實(shí)際因素的制約，所以不可能考慮高成本以及在實(shí)驗(yàn)室難以制作的設(shè)備，由于照明設(shè)備所處的環(huán)境差異較大，有些環(huán)境較為惡劣，在降低成本的同時(shí)還要保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，所以在選擇器件時(shí)就應(yīng)優(yōu)先考慮上述因素。 主控制器對(duì)于從節(jié)點(diǎn)單片機(jī)的選擇，我們采用比較常用的 STC89 系列單片機(jī)，如STC89C52。選用該型單片機(jī)的原因：（1）從節(jié)點(diǎn)的功能比較單一，程序量不大，采用該型單片機(jī)無(wú)須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。（2）起數(shù)據(jù)采集和輸出控制作用的智能從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都會(huì)及時(shí)發(fā)送出去，需要的本地存儲(chǔ)器容量也不大，采用該型單片機(jī)無(wú)須擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；（3）選用該類型單片機(jī)，可以采用由德國(guó)的 Keil 公司生產(chǎn)的，在代碼生成方面處于世界領(lǐng)先地位 Keil 軟件開發(fā)工具，該開發(fā)工具比較容易獲得，具有友好的界面，我們也比較熟悉。它內(nèi)部具有兼容于 MCS51 的頭文件，編程方便，開發(fā)周期短，開發(fā)效率高。故，我們選用 STC89C52 單片機(jī)作為從節(jié)點(diǎn)主控制器。（4）STC89 系列單片機(jī)具有較豐富的中斷和計(jì)數(shù)器資源；指令與 MCS51 兼容，在軟件編寫上比較方便。比較后選擇 STC89C52 單片機(jī)作為智能從節(jié)點(diǎn)主控制器芯片。對(duì)于主節(jié)點(diǎn)，由于要保存和處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)燈設(shè)備的數(shù)據(jù)，需要較大的 RAM 容量，而為了建立友好的人機(jī)界面，還需要彩屏、觸摸屏、SD 卡、串口、蜂鳴器、CAN 接口電路等外設(shè)，程序較為龐大，需要的 ROM 較大，另外，主節(jié)點(diǎn)需要處理大量的數(shù)據(jù)，需要較快的運(yùn)算速度，數(shù)據(jù)處理中常常要用到乘法運(yùn)算，為了提高數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，需要硬件乘法器的支持。然而通常的 STC89C52 單片機(jī)運(yùn)算速度較慢，RAM 和 ROM 都較小，內(nèi)部無(wú)集成硬件乘法器和 CAN 控制器等。因此，不選用 STC89C52 單片機(jī)作為主節(jié)點(diǎn)的主控制器。由于 LPC2119ARM 系列微處理器運(yùn)行速度較快，內(nèi)部有 16KRAM 和 128K 的Flash 存儲(chǔ)器能滿足主節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器要求，并且 LPC2119 內(nèi)部集成有硬件乘法器和 CAN控制器，選用該處理器作為主節(jié)點(diǎn)的住控制器，可以提高可靠性并降低制作成本，此外，LPC2119 處理器功耗較低，采用 和 供電就可以了，耗電較少。故，主節(jié)點(diǎn)采用 NXP 公司生產(chǎn)的 LPC2119 微處理器作為主控制器。 CAN 控制器選擇選擇哪種 CAN 控制器將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本產(chǎn)生較大的影響。目前市場(chǎng)上 CAN 控制器分為單片機(jī)（或 DSP）內(nèi)嵌式和獨(dú)立式二大類。(1)主節(jié)點(diǎn) CAN 控制器選擇由于主節(jié)點(diǎn)選用 LPC2119 處理器，其內(nèi)部集成有 CAN 控制器，故主節(jié)點(diǎn)無(wú)需再選有獨(dú)立 CAN 控制器。(2)從節(jié)點(diǎn) CAN 控制器選擇考慮到從節(jié)點(diǎn)控制任務(wù)簡(jiǎn)單，為降低成本選用常用的 STC89C52 作為主控制器，其內(nèi)部無(wú)集成的 CAN 控制器，故選用獨(dú)立的 CAN 控制器芯片。在這里我們采用 Philips公司的獨(dú)立式 CAN 控制器 SJA1000，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上最熱門，它與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，訪問 SJA1000 就像訪問單片機(jī)的外部 RAM 一樣，操作簡(jiǎn)單，方便。而且 SJA1000 還是一款支持 協(xié)議的 CAN 控制器芯片，并且其價(jià)格也不高，其可采用直列式封裝，制作簡(jiǎn)單。因此，我們選擇 SJA1000 作為從節(jié)點(diǎn)的 CAN 控制器。 CAN 收發(fā)器對(duì)于 CAN 收發(fā)器，只有 PCA82C250 最為適合了，盡管有 TJA1050，PCA82C252,CF15,Si9200 但是 PCA82C250 在市場(chǎng)應(yīng)用多，相關(guān)的設(shè)計(jì)較多，因此選擇 PCA82C250 作為CAN 收發(fā)器。 CAN 通信電纜為了提高 CAN 總線通信可靠性和抗干擾能力，我們采用雙絞線作為 CAN 總線通信電纜，雙絞線通過雙絞，減少自身對(duì)外界的電磁波輻射，同時(shí)也提高了外部電磁波輻射的抗干擾能力，另外，當(dāng)平行對(duì)線傳輸高頻信號(hào)時(shí)由于兩線之間存在的電容作用，引起信號(hào)相位相對(duì)滯后，當(dāng)平行線對(duì)雙絞時(shí)，就會(huì)在線對(duì)形成電容的同時(shí)形成一個(gè)串聯(lián)的電感，以抵消電容的影響，從而提高通信可靠性。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)主要采用主從式總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布線容易、成本低、編程容易等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中由 CAN 主節(jié)點(diǎn)、多個(gè) CAN 從節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和燈設(shè)備等構(gòu)成。在主節(jié)點(diǎn)上可以設(shè)置或監(jiān)視所有從節(jié)點(diǎn)的燈設(shè)備的開關(guān)燈狀態(tài)及剩余時(shí)間。從節(jié)點(diǎn)也可以自行設(shè)置本節(jié)點(diǎn)燈的狀態(tài)情況。網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式以及廣播發(fā)送方式，以確保幀信息的正確達(dá)到。具體系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖 所示：CAN_LCAN_H120220CAN1(從節(jié)點(diǎn))CAN2(從節(jié)點(diǎn))CANn(從節(jié)點(diǎn))CAN0(主節(jié)點(diǎn))照明燈 1 照明燈 2 照明燈 n圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖智能通信節(jié)點(diǎn)主要由單片機(jī)處理器、CAN 總線控制器和相應(yīng)的輸入輸出設(shè)備三部分組成。首先主節(jié)點(diǎn)將帶有照明控制信號(hào)的控制信息通過 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到特定的從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)接收到控制信息后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚粗鞴?jié)點(diǎn)控制要求產(chǎn)生特定的照明控制信號(hào)，以控制相應(yīng)的照明設(shè)備。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的定時(shí)開、關(guān)控制。以此同時(shí)，從節(jié)點(diǎn)不斷的對(duì)相應(yīng)照明燈的開關(guān)狀態(tài)、當(dāng)前剩余時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過 CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)顯示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各照明設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，照明燈的控制信號(hào)可以在照明設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的從節(jié)點(diǎn)上設(shè)置，也可以在控制室里的主節(jié)點(diǎn)上設(shè)置。無(wú)論是在哪里改變了照明設(shè)備的控制信號(hào)，都能實(shí)時(shí)的刷新主、從節(jié)點(diǎn)上的顯示狀態(tài)。從而使系統(tǒng)控制靈活、方便。3 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括主節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)和從節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)以及繼電器模塊等。主節(jié)點(diǎn)由 LPC2119ARM7 處理器、TFT 彩色觸摸屏、串口、SD 卡、CAN 總線驅(qū)動(dòng)電路、蜂鳴器、JTAG 接口、獨(dú)立式鍵盤、電源電路等模塊組成。主節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。L P C 2 1 1 9觸摸屏輸入T F T 彩色液晶屏電路C A N控制器P C A 8 2 C 2 5 0 C A N 總線驅(qū)動(dòng)電路S D 卡接口電路U A R T 串口電路J T A G 調(diào)試接口電路C A N _ HC A N _ L圖 主節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)從節(jié)點(diǎn)由 STC89C52 單片機(jī)、LCM1602 液晶模塊、串口、獨(dú)立式鍵盤、SJA1000CAN 控制器電路、CAN 總線驅(qū)動(dòng)電路、繼電器控制電路等模塊組成。從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。S T C 8 9 C 5 2S J A 1 0 0 0 C A N 控制器接口電路P C A 8 2 C 2 50 C A N 驅(qū)動(dòng)電路鍵盤輸入電路L C D 1 6 0 2 液晶接口電路繼電器控制電路2 2 0 V 照明設(shè)備C A N _ HC A N _ LU A R T 串口電路圖 從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì) 主節(jié)點(diǎn)單元電路設(shè)計(jì) ARM7 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)LPC2119 最小系統(tǒng)電路主要由 LPC2119ARM7 處理器、時(shí)鐘振蕩電路、復(fù)位電路組成。時(shí)鐘振蕩電路采用內(nèi)給定方式，外接 晶振與兩個(gè) 22pF 的起振電容，外接晶振與處理器內(nèi)部的反相器構(gòu)成振蕩電路產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘，經(jīng) PLL 鎖相環(huán)鎖相倍頻（或旁路 PLL）后為 CPU 提供工作時(shí)鐘。復(fù)位電路采用阻容式復(fù)位電路，由于 LPC2119 微處理器的有效復(fù)位信號(hào)為低電平，故電容與地連接，電容另一端與復(fù)位端口相連，以保證復(fù)位端口為高電平，以處在正常工作模式。LPC2119 最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 所示。圖 LPC2119 最小系統(tǒng)電路原理圖 TFT 彩屏電路設(shè)計(jì)TFT 彩屏電路包括彩屏模塊電路(可移動(dòng)部分)和控制器與彩屏模塊之間的接口電路。其中，彩屏模塊電路主要由 TFT 液晶電路、觸摸屏電路、背光燈電路組成。觸摸屏采用 4 線電阻式觸摸屏，觸摸屏控制器采用的是具有 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度的 XPT2046 芯片。TFT 液晶模塊電路原理圖如圖 所示 RST31C78W9D0B256VIGNLEAKX+圖 TFT 液晶模塊電路原理圖TFT 液晶模塊接口電路原理圖是處理器與 TFT 液晶模塊接口之間的部分電路。其主要由 34Pin 雙列直插插座和少量電阻電容組成，用于為 TFT 液晶模塊提供一個(gè)插接接口，以使 TFT 液晶模塊與處理器相連。TFT 液晶模塊接口電路原