CAN總線在VRV變頻中央空調(diào)中的應(yīng)用

1、CAN總線在VRV變頻空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用佟為明1，宋雪雷1，徐偉1,2(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，黑龍江省哈爾濱市150001)(2. 哈爾濱航天風(fēng)華科技股份有限公司，黑龍江省哈爾濱市150060)摘要：提出一種用CAN總線技術(shù)實現(xiàn)VRV空調(diào)系統(tǒng)中室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間通信的設(shè)計方案。在分析了CAN總線技術(shù)特點和通信內(nèi)容的基礎(chǔ)上，確定了通信結(jié)構(gòu)和通信對象模型，并給出了硬件電路、軟件設(shè)計思想及CAN發(fā)送與接收程序流程框圖。經(jīng)試驗調(diào)試證明，利用CAN總線技術(shù)可有效地解決VRV空調(diào)系統(tǒng)中室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間的通信問題。關(guān)鍵詞：CAN總線；VRV空調(diào)；通信結(jié)構(gòu)；通信對象模型Application of

2、CAN Bus in VRV Variable-Frequency Air-conditioning SystemTong Wei-ming1, Song Xue-lei1, Xu Wei1,2(1. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)(2. Harbin Feng Hua Area Space Hi-Tech CO. Ltd, Harbin 150060, China)Abstract: This paper puts forward a design scheme that CAN Bus is used to com

3、municate between the indoor controllers and the outdoor controller of VRV air-conditioning system. On the basis of analyzing the technical characteristics of CAN Bus and the communication contents, the communication structure and the communication object model are concluded, and the hardware circuit

4、, software design idea, and the transmission and reception flowcharts of CAN are shown. The debugging experiment proves that CAN Bus can effectively resolve the communication problem among the indoor controllers and the outdoor controller of VRV air-conditioning system. Key words: CAN Bus; VRV air-c

5、onditioning; communication structure; communication object model 1 引言空調(diào)器室內(nèi)、外機(jī)之間的通信問題是任何一種分體式空調(diào)器都必須要解決的問題1。單聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)只有兩個通信節(jié)點，采用RS-232接口就可實現(xiàn)內(nèi)、外機(jī)之間的點對點通信。但是VRV（Variable Refrigerant Volume）空調(diào)系統(tǒng)屬于一拖多空調(diào)系統(tǒng)，通常由一臺（或多臺）室外機(jī)和多臺室內(nèi)機(jī)相連構(gòu)成2，通信節(jié)點多，所以室內(nèi)、外機(jī)之間的通信比單聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)要復(fù)雜得多，采用RS-232接口實現(xiàn)比較困難。文獻(xiàn)3、4中將RS-485總線用于智能大廈的中央空調(diào)系統(tǒng)中，解

6、決了多個通信節(jié)點之間通信的問題。但RS-485有兩個缺點，一是只支持主從通信結(jié)構(gòu)，從節(jié)點不能主動發(fā)送信息，因而不能構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性差、實時性差；二是只有物理層，沒有糾錯機(jī)制，而且電平門限低，因而糾錯能力差。文獻(xiàn)5提出將CAN（Controller Area Network）總線用于集中空調(diào)控制系統(tǒng)，克服了RS-485總線的缺點，很好的實現(xiàn)了多個單元空調(diào)控制器與控制計算機(jī)之間的通信。CAN總線是現(xiàn)場總線的一種，由于具有通信速率高、開放性好、報文短、糾錯能力強(qiáng)以及控制簡單、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等技術(shù)特點和一系列優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于過程控制、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、智能建

7、筑等領(lǐng)域。因此，采用CAN總線技術(shù)可有效地解決VRV空調(diào)系統(tǒng)中室外機(jī)與多個室內(nèi)機(jī)之間的通信問題。2 CAN介紹2.1 CAN總線特點CAN總線屬于總線型串行通信網(wǎng)絡(luò)，從本質(zhì)上講是一種多主或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)，與一般的通信總線相比，具有下列特點：(1)具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層協(xié)議。目前有兩種版本協(xié)議：CAN2.0A和CAN2.0B；(2)廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、多點播送、廣播和組播等幾種數(shù)據(jù)傳送方式；(3)可實現(xiàn)多主通信結(jié)構(gòu)?？偩€上任何節(jié)點可在任意時刻主動向總線上發(fā)送信息，不分主從；(4)總線上最多可連接110個節(jié)點，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（

8、速率為5kbps及其以下），通信速率最高可達(dá)1Mbps（總線長度為40m及其以下）；(5)采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，傳輸時間短，且采用差分傳輸方式，差分電平為02V，因此抗干擾能力強(qiáng)； (6)具有多種檢錯和糾錯機(jī)制，數(shù)據(jù)通信可靠，出錯率低。2.2 CAN總線數(shù)據(jù)幀CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，其定義的幀類型有4種：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和過載幀6,7。數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC（Circulation Redundancy Code）場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。各個位場的長度見表1。表1 CAN數(shù)據(jù)幀各位場長度位場名稱位場長度幀起始1個顯性位仲裁場11個

9、或29個標(biāo)識符位和1個遠(yuǎn)程發(fā)送請求位控制場4個數(shù)據(jù)長度位和2個保留位數(shù)據(jù)場08個字節(jié)CRC場15個CRC序列位和1個CRC界定符位（隱性）應(yīng)答場1個應(yīng)答間隙位和1個應(yīng)答界定符位（隱性）幀結(jié)束7個隱性位3 方案設(shè)計3.1 通信結(jié)構(gòu)CAN總線支持三種通信結(jié)構(gòu)：主從通信結(jié)構(gòu)、對等通信結(jié)構(gòu)和多主通信結(jié)構(gòu)。為設(shè)計CAN通信的硬件和軟件，首先必須確定通信結(jié)構(gòu)。而要確定通信結(jié)構(gòu)，則首先需要了解各通信節(jié)點之間相互的通信內(nèi)容。VRV空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它有兩個特點：一是每臺室內(nèi)機(jī)可以自由起動和停止，室外機(jī)主要根據(jù)各室內(nèi)機(jī)的工況條件來自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的頻率和室外機(jī)電子膨脹閥的開度，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出能

10、力的目的，損耗小，效率高；二是每個室內(nèi)機(jī)可以單獨控制，即每個室內(nèi)機(jī)可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境溫度的變化情況自動調(diào)節(jié)室內(nèi)膨脹閥的開度（即制冷劑的流量），以達(dá)到精確的溫度控制。由此可知道各通信節(jié)點之間相互的通信內(nèi)容：各室內(nèi)機(jī)節(jié)點之間不通信；每個室內(nèi)機(jī)節(jié)點需要向室外機(jī)節(jié)點實時發(fā)送自己的工況條件信息，包括工作模式（制冷、制熱、除濕、強(qiáng)制除霜、送風(fēng)、定時開、定時關(guān)，等等）、室內(nèi)環(huán)境溫度、室內(nèi)設(shè)定溫度、室內(nèi)交換器溫度，等等；室外機(jī)節(jié)點需要向每個室內(nèi)機(jī)節(jié)點實時發(fā)送特殊工作模式信息（自動除霜、降壓、回油，等等）、故障代碼和呼叫地址。根據(jù)通信節(jié)點之間相互的通信內(nèi)容，VRV空調(diào)系統(tǒng)中選擇主從通信結(jié)構(gòu)可完全滿足設(shè)計要求。如果

11、采用對等通信結(jié)構(gòu)，即室外機(jī)節(jié)點和所有室內(nèi)機(jī)節(jié)點通過定時方式主動向總線上發(fā)送信息，這樣很可能出現(xiàn)一種情況，即室外機(jī)節(jié)點在還沒來得及讀取接收緩沖區(qū)的新數(shù)據(jù)時又接收到總線上新的數(shù)據(jù)，使接收緩沖器溢出，接收錯誤計數(shù)器的值增加，當(dāng)接收錯誤計數(shù)器的值大于255時，室外機(jī)節(jié)點從總線脫離，造成總線通信故障。如果采用多主通信結(jié)構(gòu)，即室外機(jī)節(jié)點和一部分室內(nèi)機(jī)節(jié)點通過定時方式主動向總線上發(fā)送信息，而其它室內(nèi)機(jī)節(jié)點在接收到室外機(jī)信息后依次向總線上發(fā)送信息，這同樣存在上述問題。出現(xiàn)總線通信故障的概率隨著室內(nèi)機(jī)節(jié)點數(shù)的增加而增加，而且還與CAN控制器接收緩沖器的容量有關(guān)。本設(shè)計方案中，室內(nèi)機(jī)節(jié)點數(shù)為5個，CAN控制器接收

12、緩沖器的容量為8個字節(jié)，經(jīng)實驗觀察，采用對等通信結(jié)構(gòu)從系統(tǒng)上電到出現(xiàn)總線通信故障的時間為2小時左右，采用多主通信結(jié)構(gòu)（室外機(jī)節(jié)點和兩個室內(nèi)機(jī)節(jié)點為主節(jié)點）從系統(tǒng)上電到出現(xiàn)總線通信故障的時間為4小時左右。而采用主從通信結(jié)構(gòu)則不存在上述問題，而且符合VRV空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)之間通信內(nèi)容的要求，因此本設(shè)計方案中CAN通信結(jié)構(gòu)采用主從通信結(jié)構(gòu)。同時可建立VRV空調(diào)系統(tǒng)的CAN通信對象模型，見圖2所示。從圖2中可以看出：室外機(jī)為主節(jié)點，室內(nèi)機(jī)為從節(jié)點；每臺室內(nèi)機(jī)節(jié)點通過點對點傳送方式將自己的工況條件信息實時傳送給室外機(jī)；室外機(jī)通過廣播傳送方式將特殊工作模式信息、故障代碼和呼叫地址實時傳送給每個室內(nèi)機(jī)

13、。圖1 VRV空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2 VRV空調(diào)系統(tǒng)的CAN通信對象模型3.2 硬件方案對于一個CAN通信節(jié)點，其硬件電路主要由CAN控制器、CAN收發(fā)器、光耦隔離器件、通信線等組成。在VRV空調(diào)系統(tǒng)中，室外機(jī)CAN節(jié)點和所有室內(nèi)機(jī)CAN節(jié)點的硬件電路完全相同，見圖3所示。圖3 CAN節(jié)點硬件電路圖這里，CAN控制器選用美國Microchip Technology公司的8位單片機(jī)PIC18F458的內(nèi)嵌CAN控制器，CAN收發(fā)器選用Philips公司的CAN收發(fā)器PCA82C250。PIC18F458是世界上同類型產(chǎn)品中尺寸最小的CAN單片機(jī)，外部晶振頻率最高可達(dá)40MHz（內(nèi)部四分頻）。 PI

14、C18F458內(nèi)嵌的CAN控制器支持CAN2.0B協(xié)議，包含3個發(fā)送緩沖器、2個接收緩沖器、2個接收屏蔽器和6個接收過濾器。6N137為光耦，主要用于信號隔離，以提高CAN總線的抗干擾能力。由于VRV空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)的運(yùn)行對CAN總線的干擾很大，可采取選用屏蔽通信線、降低波特率等措施進(jìn)一步提高抗干擾能力。R2是終端匹配電阻，通過跳線器JP選用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點無終端電阻時，R2的阻值應(yīng)為62。VCANLVCANH總線電壓V-顯性位隱性位隱性位1.5V2.5VVdiff =0VVCANLVCANHVdiff =2V3.5V圖4 總線CANH和CANL電壓的典型數(shù)值經(jīng)實驗調(diào)試，測得的總線電平信號

15、見圖4所示。其中，VCANH、VCANL分別表示總線的兩根線CANH、CANL上的電壓（以總線收發(fā)器的電源地V-為參考）；差分電平Vdiff= VCANH-VCANL。CAN總線采用差分電平表示邏輯0和邏輯1，在顯性狀態(tài)下， VCANH3.5V，VCANL=1.5V，Vdiff =2V，對應(yīng)CAN控制器發(fā)送端電平為0V，表示邏輯0；在隱性狀態(tài)下， VCANHVCANL2.5V，Vdiff =0V，對應(yīng)CAN控制器發(fā)送端電平為5V，表示邏輯1。3.3 軟件方案 由于這里采用主從通信結(jié)構(gòu)，所以CAN通信軟件的設(shè)計思想為：室外機(jī)為主節(jié)點，室內(nèi)機(jī)為從節(jié)點，室外機(jī)定時發(fā)送一個廣播報文（包括特殊工作模式信

16、息、故障代碼和呼叫地址）給每個室內(nèi)機(jī)，并通過輪詢方式依次呼叫各個室內(nèi)機(jī)，被呼叫的室內(nèi)機(jī)則及時給出應(yīng)答，即將自己的工況條件信息作為一個點對點報文及時發(fā)送給室外機(jī)。這里采用29位擴(kuò)展幀格式的標(biāo)識符，用ID29ID0表示，其中，ID28ID21用來表示VRV空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)點組號，ID20用來區(qū)分是廣播報文還是點對點報文，ID15ID8用來表示發(fā)送節(jié)點地址，ID7ID0用來表示接收節(jié)點地址。此外，為保證通信數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，另開辟了一個8字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和一個8字節(jié)的接收緩沖區(qū)。CAN通信的軟件主要包括CAN初始化程序、CAN發(fā)送程序和CAN接收程序。 CAN模塊在正常工作之前必須進(jìn)行初始化。CAN

17、初始化主要包括：CAN節(jié)點地址初始化、CAN發(fā)送口和接收口初始化、CAN中斷初始化、CAN接收過濾器和接收屏蔽器初始化、CAN發(fā)送控制寄存器初始化、CAN接收控制寄存器初始化和CAN波特率初始化。這里需要特別注意的是，只有在設(shè)置模式下才能對CAN模塊進(jìn)行初始化，所以在CAN初始化之前，首先通過CAN控制寄存器將CAN模塊設(shè)置成設(shè)置模式，CAN初始化完成后，再通過CAN控制寄存器將CAN模塊設(shè)置成正常工作模式。另外需要注意的是，每個接收緩沖器都需要一個接收過濾器和一個接收屏蔽器與之配合使用，這樣才能通過接收過濾器和接收屏蔽器的過濾功能接收所需要的有效報文。接收緩沖器0與接收屏蔽器0配合使用，接收

18、緩沖器1與接收屏蔽器1配合使用，而至于兩個接收緩沖器分別選用哪個接收過濾器，則由軟件編程決定。CAN發(fā)送程序和CAN接收程序的程序流程框圖見圖5、圖6所示。這里設(shè)定使用發(fā)送緩沖器0發(fā)送報文；接收緩沖器0只接收點對點報文，接收緩沖器1只接收廣播報文。圖5 CAN發(fā)送程序流程圖圖6 CAN接收程序流程圖4 結(jié)論室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間的通信問題是VRV空調(diào)系統(tǒng)中必須要解決的關(guān)鍵問題。CAN總線具有通信速率高、報文短、糾錯能力強(qiáng)、控制簡單、開放性好、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等技術(shù)特點。經(jīng)試驗調(diào)試證明，利用CAN總線技術(shù)可有效地解決VRV空調(diào)系統(tǒng)中室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間的通信問題。參考文獻(xiàn)：1宋海龍, 于泳, 張東來, 徐殿國. 變頻空調(diào)控制器內(nèi)、外機(jī)通信及系統(tǒng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究J. 工業(yè)控制計算機(jī), 2001, 14(7): 49-522邵雙全, 石文星, 李先庭, 彥啟森. 多元變頻空調(diào)系統(tǒng)物理模型研究J. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2002, 14(6): 690-6943蘇宏英, 李惠, 方昌始. 計算機(jī)集散控制在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用J. 電氣傳動, 2004, (5): 46-494龔容盛, 張阿卜. 基于RS-485總線的中央空調(diào)計費系統(tǒng)J. 自動化儀表, 2002, 23(9): 51-525林勇, 周曉雁.