基于CAN總線的家庭控制器的設計與實現

　引言

　　CAN（Controller Area Network）總線是德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議,它是一種多主總線,通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維,通信速率可達1Mbps,通信距離可達10km,CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼,而代之以對通信數據塊進行編碼,使網絡內的節點個數在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強的糾錯能力,支持差分收發,因而適合高干擾環境,并具有較遠的傳輸距離。因此,CAN協議對于許多領域的分布式測控是很有吸引力的。目前CAN已成為ISO11898標準,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絡。

　　（2）CAN協議遵循ISO/OSI模型,采用了其中的物理層、數據鏈路層與應用層。

　　（3）CAN 可以多主方式工作,本質上也是一種CSMA/CD方式,網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其它節點發送信息,而不分主從,節點之間有優先級之分,因而通信方式靈活;CAN采用非破壞性位仲裁技術,優先級發送,可以大大節省總線沖突促裁時間,在重負荷下表現出良好的性能;CAN可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和接收數據。

　　（4）CAN的直接通信距離最遠可達10km（傳輸速度為5 Kbps）;最高通信速率可達1Mbps(傳輸距離為40m)。

　　（5）CAN上的節點數據實際可達110個。

　　（6）CAN數據鏈路層采用短幀結構,每一幀為8個字節,易于糾錯;CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施,有效地降低了數據的錯誤率;CAN節點在錯誤嚴重的情況下,具有自動關閉的功能,使總線上其它節點不受影響。

　　（7）信號調制解調方式采用NRZ編碼/解碼方式,并且采用插入填充位（位填充）技術。

　　（8）數據位具有支配“0”（Dominant bit）和退讓“1”（Recessive bit）兩種邏輯值,采用時鐘同步技術,具有硬件自同步和定時時間自動跟蹤功能。

　　基于CAN總線的家庭控制器總線設計方案

　　在進入信息化時代的今天,人們對于居住環境中的安全性、舒適性要求已越來越高,建立住宅小區計算機管理局域網,實現小區綜合管理的網絡化勢在必行。通過遍布于整個住宅區的家庭控制器和中央計算機系統,實現對住宅的智能化管理。

　　圖 1是基于CAN總線的總體結構示意圖,系統采用支持CAN標準的總線型網絡。中央計算機系統（上位機PC）通過CAN接口適配卡與CAN總線相連,進行數據交換。通過雙絞線把中央計算機系統和家庭控制器（下位智能節點）掛接在一條總線上,構成低層通信網絡。由于采用了CSMA/CD的信息傳輸控制技術,允許總線上各節點平等爭用總線,從而可構成具有多主節點的冗余網絡結構。

　　在低層通信網絡中,中央計算機系統和家庭控制器分別有自己的ID標志。由于采用CAN標準作為網絡通信協議,各節點在網絡中的地位相同,于是我們可以將中央計算機系統虛擬成主機,而家庭控制器則虛擬成從機,響應主機的要求。中央計算機系統負責對整個CAN總線系統進行監視管理,具有系統參數（如傳輸速率、節點地址等）設置、數據發送、數據請求、本機狀態查詢、節點狀態查詢、中斷狀態查詢等功能。系統工作過程為上位機向下位節點（家庭控制器）發送命令,下位節點識別并執行相應命令。同時各下位節點也可按要求進行信息交換。

　　在數據鏈路層中,規定了支持CAN協議的兩種幀類型：數據幀和遠程幀。數據幀用來發送數據,用于一個節點傳送信息到其它任一或所有節點;遠程幀用來“遠程發送請求”,用于一個節點主動要求其它節點發送信息,兩種幀的具體格式如圖2所示。

　　硬件電路設計

　　家庭控制器硬件設計

　　本系統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,因此,CAN總線的設計就顯得極為重要。其中,CAN控制器的選取、CAN收發器以及抗干擾措施將成為設計的關鍵。

　　①CAN控制器的選取

　　為了系統進一步擴展的需要,可選取支持CAN2.0B通信協議的SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司最新生產的既支持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收發器

　　PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器和物理總線間的接口,提供對總線的差動發送和接收能力。它與ISO11898標準完全兼容,有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機,可根據實際情況選擇。