基于CAN總線的家庭控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　引言

　　CAN（Controller Area Network）總線是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議,它是一種多主總線,通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維,通信速率可達(dá)1Mbps,通信距離可達(dá)10km,CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼,使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力,支持差分收發(fā),因而適合高干擾環(huán)境,并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。因此,CAN協(xié)議對(duì)于許多領(lǐng)域的分布式測(cè)控是很有吸引力的。目前CAN已成為ISO11898標(biāo)準(zhǔn),其特性如下：

　?。?）CAN是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）CAN協(xié)議遵循ISO/OSI模型,采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。

　　（3）CAN 可以多主方式工作,本質(zhì)上也是一種CSMA/CD方式,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)上的其它節(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)省總線沖突促裁時(shí)間,在重負(fù)荷下表現(xiàn)出良好的性能;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的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（傳輸速度為5 Kbps）;最高通信速率可達(dá)1Mbps(傳輸距離為40m)。

　　（5）CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。

　?。?）CAN數(shù)據(jù)鏈路層采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀為8個(gè)字節(jié),易于糾錯(cuò);CAN每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施,有效地降低了數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率;CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下,具有自動(dòng)關(guān)閉的功能,使總線上其它節(jié)點(diǎn)不受影響。

　?。?）信號(hào)調(diào)制解調(diào)方式采用NRZ編碼/解碼方式,并且采用插入填充位（位填充）技術(shù)。

　?。?）數(shù)據(jù)位具有支配“0”（Dominant bit）和退讓“1”（Recessive bit）兩種邏輯值,采用時(shí)鐘同步技術(shù),具有硬件自同步和定時(shí)時(shí)間自動(dòng)跟蹤功能。

　　基于CAN總線的家庭控制器總線設(shè)計(jì)方案

　　在進(jìn)入信息化時(shí)代的今天,人們對(duì)于居住環(huán)境中的安全性、舒適性要求已越來(lái)越高,建立住宅小區(qū)計(jì)算機(jī)管理局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)小區(qū)綜合管理的網(wǎng)絡(luò)化勢(shì)在必行。通過(guò)遍布于整個(gè)住宅區(qū)的家庭控制器和中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)住宅的智能化管理。

　　圖 1是基于CAN總線的總體結(jié)構(gòu)示意圖,系統(tǒng)采用支持CAN標(biāo)準(zhǔn)的總線型網(wǎng)絡(luò)。中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（上位機(jī)PC）通過(guò)CAN接口適配卡與CAN總線相連,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)雙絞線把中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和家庭控制器（下位智能節(jié)點(diǎn)）掛接在一條總線上,構(gòu)成低層通信網(wǎng)絡(luò)。由于采用了CSMA/CD的信息傳輸控制技術(shù),允許總線上各節(jié)點(diǎn)平等爭(zhēng)用總線,從而可構(gòu)成具有多主節(jié)點(diǎn)的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　在低層通信網(wǎng)絡(luò)中,中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和家庭控制器分別有自己的ID標(biāo)志。由于采用CAN標(biāo)準(zhǔn)作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位相同,于是我們可以將中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬成主機(jī),而家庭控制器則虛擬成從機(jī),響應(yīng)主機(jī)的要求。中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)CAN總線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視管理,具有系統(tǒng)參數(shù)（如傳輸速率、節(jié)點(diǎn)地址等）設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)請(qǐng)求、本機(jī)狀態(tài)查詢、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢、中斷狀態(tài)查詢等功能。系統(tǒng)工作過(guò)程為上位機(jī)向下位節(jié)點(diǎn)（家庭控制器）發(fā)送命令,下位節(jié)點(diǎn)識(shí)別并執(zhí)行相應(yīng)命令。同時(shí)各下位節(jié)點(diǎn)也可按要求進(jìn)行信息交換。[!--empirenews.page--]

　　在數(shù)據(jù)鏈路層中,規(guī)定了支持CAN協(xié)議的兩種幀類型：數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。數(shù)據(jù)幀用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù),用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送信息到其它任一或所有節(jié)點(diǎn);遠(yuǎn)程幀用來(lái)“遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求”,用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)要求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,兩種幀的具體格式如圖2所示。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　家庭控制器硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)是由許多智能家庭控制器通過(guò)CAN總線相連而組成的一個(gè)控制器局部網(wǎng),因此,CAN總線的設(shè)計(jì)就顯得極為重要。其中,CAN控制器的選取、CAN收發(fā)器以及抗干擾措施將成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　①CAN控制器的選取

　　為了系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展的需要,可選取支持CAN2.0B通信協(xié)議的SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司最新生產(chǎn)的既支持CAN2.0B又支持 CAN2.0A的CAN控制器,它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件上和軟件上完全兼容。

　　②CAN收發(fā)器

　　PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器和物理總線間的接口,提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力。它與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容,有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機(jī),可根據(jù)實(shí)際情況選擇。

?、酃怆姼綦x
　　為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力,在控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路,電源采用DC-DC變換器。

　　硬件電路中使用PCA82C250是為了增大通信距離,提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力,保護(hù)總線,降低射頻干擾（RFI）,實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。

　　CAN器件與微處理器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

CAN接口適配卡和CAN總線中繼器

　　CAN接口適配卡完成CAN-PC總線的通信。適配卡由單片機(jī)89C51、CAN控制器SJA100、CAN收發(fā)器89C250及其控制電路組成。

　　由于CAN收發(fā)器的限制,在一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)中,最多只能有110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn),最多只能有110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。利用中繼器可對(duì)CAN總線進(jìn)行擴(kuò)展,不但可使CAN節(jié)點(diǎn)總數(shù)達(dá)到2032個(gè),而且可使CAN通信距離成倍增加,同時(shí)也可以把兩個(gè)不同速率的CAN網(wǎng)連接在一起,組成更復(fù)雜的CAN網(wǎng)絡(luò)。[!--empirenews.page--]

　　中繼器采用特定的控制邏輯控制一對(duì)CAN收發(fā)器82C250.CAN收發(fā)器背-背相接,連接兩個(gè)物理上獨(dú)立的CAN網(wǎng),雙向傳輸數(shù)據(jù)。從物理層上看,中繼器實(shí)現(xiàn)CAN總線信號(hào)的透時(shí)中繼。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件

　　采用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)軟件。分兩大功能模塊：高層系統(tǒng)管理模塊和低層通信模塊。程序流程圖如圖4所示。

　　家庭控制器（節(jié)點(diǎn)）軟件

　　實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)及其它節(jié)點(diǎn)的信息交換。

　　在軟件設(shè)計(jì)中, 遵循模塊化設(shè)計(jì)思想,采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案,使之具有良好的模塊性、可修改性和可移值性。

　　CAN總線系統(tǒng)的初始化設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,這一部分設(shè)計(jì)不好,系統(tǒng)將不可能正常工作。因此初始化設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn),又是一個(gè)重點(diǎn)。

　　在初始化之前,應(yīng)設(shè)置輸出控制寄存器（OCR）的復(fù)位請(qǐng)求位為高,再設(shè)置其它寄存器?？刂萍拇嫫鳎–R）設(shè)定中斷;命令寄存器（CMR）控制緩存器的接收狀態(tài);中斷寄存器（IR）、狀態(tài)寄存器（SR）查詢SJA1000的工作狀態(tài);接收碼寄存器（ACR）設(shè)定工作地址;接收屏蔽寄存器（AMR）設(shè)定工作形式,總線定時(shí)寄存器（BTR0、BTR1）設(shè)定工作頻率、采樣頻率;輸出控制寄存器（OCR）一般為正常輸出方式,最后應(yīng)使復(fù)位請(qǐng)求位從高變低,使CAN 控制器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。因此,對(duì)CAN控制器進(jìn)行初始化,實(shí)際上就是對(duì)ACR,AMR,BTR0,BTR1和OCR這些寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。

　　成功地初始化SJA1000后,系統(tǒng)就可以應(yīng)用它來(lái)傳輸報(bào)文。

　　結(jié)語(yǔ)

　　CAN總線以其高性能、高可靠性及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視,并被公認(rèn)為最有前途的總線之一。我們?cè)诩彝?strong>控制器系統(tǒng)中應(yīng)用了這種總線技術(shù),設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件,并得到實(shí)際應(yīng)用。