1、基于CAN總線的家庭控制器的設(shè)計與實現(xiàn)        摘要：CAN總線是一種新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它具有傳輸速度快、自動解決總線競爭、實時性好、可靠性高、糾錯能力強(qiáng)等特點(diǎn)，目前已成為一種國際總線標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹一種基于CAN總線的家庭控制器的實現(xiàn)方案。   引言CAN（Controller Area Network）總線是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(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

2、、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)議的一個最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯能力，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)議對于許多領(lǐng)域的分布式測控是很有吸引力的。目前CAN已成為ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，其特性如下：（1）CAN是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。（2）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

3、節(jié)點(diǎn)均可以在任意時刻主動地向網(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)先級發(fā)送，可以大大節(jié)省總線沖突促裁時間，在重負(fù)荷下表現(xiàn)出良好的性能；CAN可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)。（4）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)實際可達(dá)110個。（6）CAN數(shù)據(jù)鏈路層采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個字節(jié)，易于糾錯；CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，有效地降低了數(shù)據(jù)的錯誤率；CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下

4、，具有自動關(guān)閉的功能，使總線上其它節(jié)點(diǎn)不受影響。（7）信號調(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)。（8）數(shù)據(jù)位具有支配“0”（Dominant bit）和退讓“1”（Recessive bit）兩種邏輯值，采用時鐘同步技術(shù)，具有硬件自同步和定時時間自動跟蹤功能?；贑AN總線的家庭控制器總線設(shè)計方案圖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)。中央計算機(jī)系統(tǒng)（上位機(jī)PC）通過CAN接口適配卡與CAN總線相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過雙絞線把中央計算機(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

5、的信息傳輸控制技術(shù)，允許總線上各節(jié)點(diǎn)平等爭用總線，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)幀用來發(fā)送數(shù)據(jù)，用于一個節(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“遠(yuǎn)程發(fā)送請求”，用于一個節(jié)點(diǎn)主動要求其它節(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)計家庭控制器硬件設(shè)計本系統(tǒng)是由許多智能家庭控制器通過CAN總線相連而組成的一個控制器局部網(wǎng)，因此，CAN總線的設(shè)計就顯得極為重要。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)計的關(guān)鍵。CAN控制器的選取CAN收發(fā)器PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制

6、器和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(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)實際情況選擇。光電隔離為了進(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

7、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CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，最多只能有110個CAN節(jié)點(diǎn)，最多只能有110個CAN節(jié)點(diǎn)。利用中繼器可對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，而且可使CAN通信距離成倍增加，同時也可以把兩個不同速率的CAN網(wǎng)連接在一起，組成更復(fù)雜的CAN網(wǎng)絡(luò)。中繼器采用特定的控制邏輯控制一對CAN收發(fā)器82C250.CAN收發(fā)器背-背相接，連接兩個物理上獨(dú)立的CAN網(wǎng)，雙向傳輸數(shù)據(jù)。從物理層上看，中繼器實現(xiàn)CAN總線信號的透時中繼。軟件設(shè)計上位機(jī)軟件家庭控制器（節(jié)點(diǎn)）軟件實現(xiàn)與上位機(jī)及其它節(jié)點(diǎn)的信息交換。在軟件設(shè)計

8、中， 遵循模塊化設(shè)計思想，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方案，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)計是軟件設(shè)計的關(guān)鍵，這一部分設(shè)計不好，系統(tǒng)將不可能正常工作。因此初始化設(shè)計是一個難點(diǎn)，又是一個重點(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)位請求位從高變低，使CAN控制器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。因此，對CAN控制器進(jìn)行初始化，實際上就是對ACR，AMR，BTR0，BTR1和OC