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1.引言 在社會(huì )經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，高大空間建筑越來(lái)越多，如展覽中心、影劇院、體育場(chǎng)館、倉庫等。大空間建筑由于其本身結構特殊、設施復雜，火災隱患較多，而且發(fā)生火災后不易及時(shí)發(fā)現和有效撲救，往往會(huì )造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡�？紤]到其它滅火劑的性能和用量的要求，水滅火仍然是大空間建筑最好的滅火方式。因此，對于大空間建筑來(lái)說(shuō)，采用具有火災自動(dòng)探測功能的智能消防水炮系統是一個(gè)較好的方案。 智能消防水炮系統的工作原理是通過(guò)前端探測系統采集現場(chǎng)紅外圖像，中央控制器采用圖像處理的手段對發(fā)生在控制區域內的火災進(jìn)行偵測和定位，打開(kāi)相應的聯(lián)動(dòng)設備并控制水炮進(jìn)入噴水滅火操作。系統各部分分布于控制現場(chǎng)不同的位置，因此，各個(gè)部分之間的通信是保證整個(gè)系統能夠正常工作的前提。 CAN總線(xiàn)作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、成本低且功能完善的通訊控制方式，已被汽車(chē)電子、自動(dòng)控制、智能樓宇等各個(gè)領(lǐng)域廣泛采用。但是CAN-Bus只規定了物理層和數據鏈路層，其本身并不是一個(gè)完整的協(xié)議，要進(jìn)行高效率的通信，必須有高層協(xié)議的支持。CANOPEN是由從事工業(yè)控制的CIA（CANinAutomation）會(huì )員開(kāi)發(fā)一種開(kāi)放的、標準化的高層CAN協(xié)議。在近年來(lái)獲得了迅猛的發(fā)展，尤其是在歐洲，CANOPEN協(xié)議在基于CAN的工業(yè)系統中占領(lǐng)導地位。依靠CANOPEN協(xié)議的支持，可以使不同廠(chǎng)商的設備通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行配置，從而大大增強了CAN網(wǎng)絡(luò )的通用性。 將CANOPEN協(xié)議應用于智能消防炮系統中，不僅可以解決系統中各個(gè)部分之間的互聯(lián)問(wèn)題，同時(shí)還可以提高整個(gè)系統通信的可靠性、實(shí)時(shí)性。此外，由于采用了CANOPEN協(xié)議，提高了整個(gè)系統的標準化開(kāi)放化程度，因此，對整個(gè)系統進(jìn)行擴充就更加方便。 2.CANOPEN協(xié)議的剖析 CANOPEN假定CAN網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)硬件有ISO11898規定的一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器。該協(xié)議描述了標準的通訊機制、網(wǎng)絡(luò )管理及相關(guān)參數的設定等內容。 2.1CANOPEN的核心——對象字典 在CANOPEN中，引入了對象字典的概念。CANOPEN網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)對象字典，而且每個(gè)設備的對象字典具有相同的結構。對象字典描述了該設備和它的網(wǎng)絡(luò )行為的所有參數。它是一個(gè)有序的對象組，對象字典中的每個(gè)對象可以通過(guò)一個(gè)16位的主索引和一個(gè)8位的子索引來(lái)定位。 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的對象字典保存在電子數據單或者設備配置文件中，CAN總線(xiàn)不需要對每個(gè)節點(diǎn)的對象字典的全部功能都進(jìn)行檢測，節點(diǎn)只需要能夠提供對象字典中必需的對象，以及其它可選擇的、構成節點(diǎn)部分可配置功能的對象。 2.2CANOPEN的通訊模式 CANOPEN協(xié)議中對總線(xiàn)上傳輸的數據進(jìn)行了分類(lèi)，即每一個(gè)傳輸數據都是某一特定類(lèi)的對象，從而實(shí)現了面向對象的程序設計。在CANOPEN中定義了四類(lèi)對象，分別是管理對象（NMT），服務(wù)數據對象（SDO），過(guò)程數據對象（PDO）和特殊功能對象。 2.2.1管理對象（NMT） CANOPEN是基于主從式通訊模式的，所有從節點(diǎn)的工作都由網(wǎng)絡(luò )主節點(diǎn)來(lái)協(xié)調，管理對象用于網(wǎng)絡(luò )主節點(diǎn)對從節點(diǎn)監控和管理，完成諸如節點(diǎn)的初始化、節點(diǎn)參數配置、節點(diǎn)出錯保護等相關(guān)工作。 2.2.2服務(wù)數據對象（SDO） 服務(wù)數據對象用來(lái)建立兩個(gè)CANOPEN設備之間基于客戶(hù)/服務(wù)器機理的點(diǎn)對點(diǎn)通訊。通過(guò)服務(wù)數據對象，客戶(hù)方可以訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器方的對象字典。一個(gè)服務(wù)數據對象用兩個(gè)帶有不同標識符的CAN數據幀。服務(wù)數據對象允許傳輸任意大小的數據，有兩種傳送機制，加速傳送機制用來(lái)一次傳送小于等于四個(gè)字節的數據，分段傳送機制用來(lái)傳送大于四個(gè)字節的數據。 2.2.3過(guò)程數據對象（PDO） 過(guò)程數據對象用來(lái)傳遞實(shí)時(shí)數據，它是CANOPEN最基本的數據傳送方式，數據傳送限制在1到8個(gè)字節。數據由一個(gè)生產(chǎn)者發(fā)出，可以有一個(gè)或者多個(gè)消費者。PDO的通訊有兩種，讀PDO和寫(xiě)PDO，寫(xiě)PDO被映射到一個(gè)CAN數據幀，讀PDO被映射到一個(gè)CAN遠程幀，這個(gè)遠程幀被數據幀所響應。觸發(fā)PDO傳輸的方式有三種：事件或定時(shí)器觸發(fā)模式；遠程請求觸發(fā)模式；同步觸發(fā)模式。在節點(diǎn)的對象字典中，對每個(gè)PDO都有明確的描述，這樣，發(fā)送方和接收方都可以解釋PDO的具體內容。PDO的標識符具有高優(yōu)先級以確保良好的實(shí)時(shí)性。 2.2.4特殊功能對象 CANopen提供了三個(gè)特殊功能對象，同步對象（SynchronizationObject）時(shí)間戳對象（Time-Stamp）和緊急事件對象（Emergency）。同步對象由同步發(fā)器定時(shí)廣播，用于PDO的同步通訊。時(shí)間戳對象為應用設備提供一個(gè)微秒極的時(shí)鐘，使那些對時(shí)間要求十分苛刻的設備能夠精確同步。緊急事件對象由設備內部出現致命的錯誤所觸發(fā)，由發(fā)生錯誤的設備以最高的優(yōu)先級發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )中的其它的設備，以通知其它設備不要再試圖和該設備通訊。 2.3CANOPEN的設備模型 CANOPEN的設備模型可以分為三個(gè)部分：通訊接口及協(xié)議軟件、對象字典、過(guò)程接口和應用程序。其中，通訊接口和協(xié)議軟件提供通設備和總線(xiàn)之間的連接服務(wù)，對象字典描述了所有的數據類(lèi)型、通訊對象和設備用到的應用對象，它提供了和應用軟件的接口，過(guò)程接口和應用程序提供了設備內部的控制機制。它們之間的關(guān)系如圖1所示。 3.智能消防水炮系統通訊模型的實(shí)現 3.1智能消防水炮節點(diǎn)硬件設計 整個(gè)消防水炮系統包含了十四個(gè)節點(diǎn)，它們構成一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )。工業(yè)控制計算機為網(wǎng)絡(luò )主節點(diǎn)。由它來(lái)協(xié)調系統中各個(gè)分節點(diǎn)的動(dòng)作。工控機通過(guò)一塊CAN通訊卡掛接在CAN網(wǎng)絡(luò )上。系統中一共包含了十二個(gè)消防炮分節點(diǎn)。在各個(gè)分節點(diǎn)中，包含一臺紅外CCD攝像機、一門(mén)消防水炮、兩臺步進(jìn)電機和一臺直流電機。各個(gè)分節點(diǎn)中節點(diǎn)控制模塊的硬件系統如圖2所示。 CAN控制器采用了PHILIPS公司生產(chǎn)的應用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線(xiàn)控制器，它支持基本型CAN模式和增強型CAN模式。它具有完成高性能CAN通信協(xié)議所要求的全部必要特性。CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器80C250是CAN控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，可以提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。而且，CAN控制器SJA1000和CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器80C250之間是通過(guò)高速光耦TL113相連，這樣就很好的實(shí)現了總線(xiàn)上各個(gè)CAN節點(diǎn)間的電氣隔離。不過(guò)，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源必須也完全隔離，否則就失去了采用光耦的意義。 3.2節點(diǎn)對象字典的建立 網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)設備都需要有一個(gè)對象字典。在本系統中，有一個(gè)主節點(diǎn)和十三個(gè)從節點(diǎn)。在各個(gè)節點(diǎn)中都采用預定義連接集中規定的十一位ID。它由四位功能碼和七位節點(diǎn)ID組成�？紤]到系統今后的可擴展性，設定十三個(gè)子節點(diǎn)的節點(diǎn)號為8-20.下面以主節點(diǎn)為例介紹對象字典的創(chuàng )建。 從節點(diǎn)需要能夠訪(fǎng)問(wèn)主節點(diǎn)的對象字典，因此，主節點(diǎn)需要一個(gè)SDO。主節點(diǎn)需要向十三個(gè)從節點(diǎn)發(fā)送數據，因此需要十三個(gè)Tx—PDO和十三個(gè)Rx—PDO。每個(gè)PDO又由PDO通訊參數（PDOParameter）和PDO映射參數（PDOMapping）兩部分組成。如下表所示： 另外，主節點(diǎn)需要對網(wǎng)絡(luò )中的從節點(diǎn)進(jìn)行管理，因此需要有管理對象（NMT）。系統還有緊急的信息需要發(fā)送，因此需要有一個(gè)緊急事件對象（EmergencyObject）。 一個(gè)節點(diǎn)的對象字典是在電子數據文檔（EDS：Electronicdatasheet)中描述的。節點(diǎn)本身只需要能夠提供對象字典中必需的對象以及其它可選擇、構成節點(diǎn)部分可配置功能的對象。 3.3節點(diǎn)軟件實(shí)現 節點(diǎn)的軟件從內容上可以分為一個(gè)組成部分：基本功能部分，包括節點(diǎn)的通訊初始化和硬件設備的初始化，定義和訪(fǎng)問(wèn)對象字典，進(jìn)行PDO通訊和SDO通訊；錯誤處理和節點(diǎn)的管理部分，當節點(diǎn)發(fā)生錯誤或者節點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)進(jìn)行相應的操作；擴展功能部分，用于在系統的硬件發(fā)生變化時(shí)對節點(diǎn)的狀態(tài)和相關(guān)參數進(jìn)行再設置。 3.4網(wǎng)絡(luò )初始化流程 CANopen網(wǎng)絡(luò )的初始化流程如圖3所示： 在智能消防炮網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)節點(diǎn)在上電和內部初始化后自動(dòng)進(jìn)入預操作狀態(tài)（Pre—operationalstate）。處于該狀態(tài)中的從節點(diǎn)可以通過(guò)SDO被配置參數，但不允許進(jìn)行PDO通訊。工控機主節點(diǎn)可以通過(guò)NMT使各個(gè)從節點(diǎn)進(jìn)入操作狀態(tài)（Operationalstate）。在操作狀態(tài)中，允許PDO通訊。主節點(diǎn)還可以使從節點(diǎn)進(jìn)入停止狀態(tài)（StoppedState）。在停止狀態(tài)中，既不允許PDO通訊也不允許SDO通訊，節點(diǎn)可以專(zhuān)業(yè)做自己的事情�？梢詮耐Ｖ範顟B(tài)回到預操作狀態(tài)或者操作狀態(tài)。 4.結束語(yǔ) 智能消防水炮系統作為大空間建筑的重要消防設施，近年來(lái)越來(lái)越受到人們的重視。而CAN總線(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域都有很好的應用前景，CANopen是一種公開(kāi)的協(xié)議。將CANopen應用層協(xié)議應用于消防水炮系統的設計中，不僅可以提系統通訊的效率和通訊的可靠性，而且能夠據推動(dòng)智能消防水炮系統以CANopen協(xié)議為平臺標準化。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：首次將CAN總線(xiàn)和CANopen協(xié)議應用于智能消防水炮系統的設計。 |
