基于CAN總線智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

王 忠，孫浩欽，易茂祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009)

現(xiàn)代智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)廣泛采用了現(xiàn)場總線技術(shù)[1]?，F(xiàn)場總線的種類目前有40多種，但適合智能建筑且在我國推廣的主要有兩種:CAN(Control Area Network)總線和Lonworks總線。CAN總線技術(shù)以其可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，傳輸距離長和成本低而具有巨大的應(yīng)用潛力。

控制局域網(wǎng)CAN是現(xiàn)場總線技術(shù)中最成熟、最有發(fā)展前途的微處理器局域網(wǎng)絡(luò)[2]。協(xié)議采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過研究CAN2.0B協(xié)議規(guī)范，制定了符合智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議，并進(jìn)行了通信節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)。

1 基于CAN總線的智能建筑網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN總線的智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。該系統(tǒng)由3部分組成:上位機(jī)、CAN通信節(jié)點(diǎn)和各個(gè)現(xiàn)場智能設(shè)備組成[3-5]。通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)建筑物的規(guī)模增減，CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接成一個(gè)分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)。

(1)上位機(jī):由計(jì)算機(jī)和監(jiān)控軟件組成，對整個(gè)智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的管理和控制，是整個(gè)系統(tǒng)的中心。

(2)CAN通信節(jié)點(diǎn):各通信節(jié)點(diǎn)功能相同，主要完成把現(xiàn)場設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，接收CAN總線發(fā)送來的控制信息。CAN通信節(jié)點(diǎn)的硬件由微處理器、CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器PCA 82C250組成。

(3)現(xiàn)場智能設(shè)備:由微處理器、和現(xiàn)場功能裝置等組成。完成檢測、報(bào)警、控制、顯示等功能。智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備由照明、空調(diào)、電梯、安全監(jiān)控、消防監(jiān)控、給排水，配電等組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 CAN總線通信協(xié)議的硬件基礎(chǔ)

CAN總線協(xié)議描述了信息在設(shè)備之間的傳遞規(guī)則，它對層的定義與開放系統(tǒng)互連模型OSI一致，CAN被分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層3層，各層之間互相透明，每一層只與另一設(shè)備上相同的那一層通訊，實(shí)際的通訊是發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層之間，而各個(gè)設(shè)備只通過物理層的通信介質(zhì)連接在一起[6]。

CAN總線規(guī)范定義了模型的最下面的兩層:物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN總線驅(qū)動(dòng)器和通信介質(zhì)則實(shí)現(xiàn)了物理層的主要功能。CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)了總線協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸任務(wù)。常用的CAN總線驅(qū)動(dòng)器有Philips公司的PCA82C250，總線控制器是SJA1000，通信介質(zhì)是雙絞線或同軸電纜。

2.1 總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250的工作原理

PCA82C250是CAN總線控制器與物理導(dǎo)線之間的接口，該驅(qū)動(dòng)器可以提供對總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。PCA82C250的驅(qū)動(dòng)部分由1個(gè)PNP的極管和1個(gè)NPN的三極管組成。這2個(gè)三極管根據(jù)TXD的信號導(dǎo)通或截止。當(dāng)TXD=0時(shí)，2個(gè)三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，總線上顯示為顯性電平。當(dāng)TXD=1時(shí)，2個(gè)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，總線上顯示為隱性電平，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器對總線的影響很小。因此，如果存在其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性電平，則總線的電平狀態(tài)就是顯性，只有所有的驅(qū)動(dòng)器都發(fā)送隱性電平，總線的電平狀態(tài)才是隱性。實(shí)現(xiàn)了CAN總線物理層的線與功能。PCA82C250功能圖，如圖2所示。

圖2 PCA82C250功能圖

2.2 基于線與功能多節(jié)點(diǎn)仲裁過程

通信節(jié)點(diǎn)訪問總線，對總線上信號進(jìn)行檢測，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許發(fā)送。當(dāng)總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報(bào)文都具有惟一的11位或29位ID。CAN總線的狀態(tài)取決于二進(jìn)制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以ID號越小，該報(bào)文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。因此一個(gè)為全‘0’標(biāo)志符的報(bào)文具有總線上的最高級優(yōu)先權(quán)[7]。多節(jié)點(diǎn)仲裁過程如圖3所示。

圖3 總線仲裁過程

2.3 CAN控制器SJA1000的功能介紹

CAN的通信協(xié)議由CAN控制器完成，CAN控制器由實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議的部分和實(shí)現(xiàn)與微處理器接口部分的電路組成。

SJA1000是Philips公司推出的一種高性能的CAN總線控制器，它不僅和PCA82C200的基本CAN模式(BasicCAN)兼容，而且還增強(qiáng)CAN模式(PeliCAN)，這種模式支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000以一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來實(shí)現(xiàn)這些功能，提供了與模塊控制器及微控制器的接口，通過對它的編程，CPU可設(shè)置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，與CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

3 CAN的幀結(jié)構(gòu)

CAN協(xié)議規(guī)定了兩種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識符的長度不同，具有11位標(biāo)識符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，具有29位標(biāo)識符的幀被稱為擴(kuò)展幀[7]。

3.1 CAN幀類型

報(bào)文傳輸由以下4個(gè)不同的幀類型所表示和控制

(1)數(shù)據(jù)幀:攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。

(2)遠(yuǎn)程幀:由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，請求發(fā)送具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀。

(3)錯(cuò)誤幀:由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)出，檢測到錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。

(4)過載幀:用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí)。

3.2 CAN擴(kuò)展幀的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

擴(kuò)展幀的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

擴(kuò)展幀的數(shù)據(jù)幀的主要結(jié)構(gòu)有:

(1)幀起始，標(biāo)志幀的開始，它由單個(gè)“顯性”位構(gòu)成，在總線空閑時(shí)發(fā)送，在總線上產(chǎn)生同步作用。

(2)仲裁域，仲裁域包括29位標(biāo)識符、SRR位、IDE位、RTR位。29位標(biāo)識符包括11位基本ID、18位擴(kuò)展ID。基本ID按ID-28到ID-18的順序發(fā)送，擴(kuò)展ID按ID-17到ID-0的順序發(fā)送?；綢D首先發(fā)送，其次是SRR位和IDE位。擴(kuò)展ID的發(fā)送位于IDE位之后。SRR是“隱性”位。IDE位在標(biāo)準(zhǔn)格式里為“顯性”，在擴(kuò)展格式里為“隱性”。RTR位在數(shù)據(jù)幀里必為“顯性”，而在遠(yuǎn)程幀里必為“隱性”。標(biāo)識符用于提供關(guān)于傳送報(bào)文和總線訪問的優(yōu)先權(quán)信息，其數(shù)值越小，表示優(yōu)先權(quán)越高，發(fā)生沖突時(shí)優(yōu)先發(fā)送。

(3)控制域，由6位構(gòu)成，前2位為保留位，為“顯性”。后4位為數(shù)據(jù)長度碼(DLC)，表示數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，必須在0～8范圍內(nèi)變化。

(4)數(shù)據(jù)域，由被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，字節(jié)數(shù)為控制域中決定的0～8 bit，第一個(gè)字節(jié)的最高位首先被發(fā)送。

(5)CRC域，包括CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))序列(15位)和CRC界定符(1個(gè)“隱性”位)，用于幀校驗(yàn)。

(6)應(yīng)答域，由應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符組成，共2位。

(7)幀結(jié)束，由7位隱性位組成，此期間無位填充。

4 通訊協(xié)議的制定

在CAN的協(xié)議規(guī)范，規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，沒有規(guī)定應(yīng)用層。所以用戶在設(shè)計(jì)通訊軟件時(shí)，必須首先設(shè)計(jì)合適的CAN總線通訊協(xié)議，才能完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的傳輸[8]。基于研究CAN2.0B規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用自定義協(xié)議的方法，制定了智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議。通訊協(xié)議的制定主要包括以下3個(gè)步驟。

4.1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸類型

智能建筑中信息傳輸類型主要有以下幾種:

(1)緊急信息，用以傳輸重要信息，優(yōu)先級最高，如報(bào)警信息。

(2)廣播信息，向總線上掛接的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息。

(3)命令信息，控制節(jié)點(diǎn)向執(zhí)行節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息。

(4)狀態(tài)信息，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)接收到命令執(zhí)行后，向控制節(jié)點(diǎn)反饋的信息。

(5)數(shù)據(jù)信息，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，如傳感器采集到的信息。

4.2 根據(jù)標(biāo)識符的分配方案確定各節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級

標(biāo)識符的分配方案首先滿足節(jié)點(diǎn)以及報(bào)文信息對優(yōu)先級的要求，同時(shí)利用標(biāo)識符空間加載有關(guān)信息，減少在數(shù)據(jù)域內(nèi)占用的空間。本系統(tǒng)采用有29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀格式，具體分配如下:

(1)信息類型標(biāo)識符(ID.28～I(xiàn)D.23)，000001——緊急信息，000010——廣播信息，000011——命令信息，000100——狀態(tài)信息，000101——數(shù)據(jù)信息。

(2)節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識符(ID.22～I(xiàn)D.15)，00000001——上位機(jī)節(jié)點(diǎn)，00000010——安全監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，00000100——消防監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，00000101——配電節(jié)點(diǎn)，00000111——給排水節(jié)點(diǎn)，00001000——電梯節(jié)點(diǎn)，00001001——照明節(jié)點(diǎn)，00001010——空調(diào)節(jié)點(diǎn)。

(3)報(bào)文功能標(biāo)識符(ID.14～I(xiàn)D.08)，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送多幀報(bào)文，在報(bào)文信息類型相同的情況下，可以用報(bào)文功能標(biāo)識符來區(qū)分報(bào)文的優(yōu)先級。

(4)現(xiàn)場裝置地址標(biāo)識符(ID.07～I(xiàn)D.00)。

4.3 組織各幀報(bào)文

明確各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文，對系統(tǒng)中各類控制信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，填充各報(bào)文的數(shù)據(jù)域。

5 通信協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)

通信協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)由3部分組成:CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收程序，其流程圖如圖5，圖6和圖7所示。

圖5 通信節(jié)點(diǎn)初始化流程

5.1 通信節(jié)點(diǎn)的初始化

初始化程序通過對CAN控制器SJA1000中的寄存器寫入控制字，確定CAN控制器的工作方式，包括模式寄存器的設(shè)置、接收濾波方式設(shè)置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)和中斷允許寄存器的設(shè)置等，完成初始化設(shè)置后，SJA1000進(jìn)行正常的通信。

5.2 數(shù)據(jù)發(fā)送程序

發(fā)送數(shù)據(jù)前，采用查詢方式先查看發(fā)送緩沖器狀態(tài)，滿足要求再把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照特定格式組合成一幀報(bào)文，送入SJA1000發(fā)送 緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)SJA1000發(fā)送命令。

5.3 數(shù)據(jù)接收程序

接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，主程序中應(yīng)開放接受中斷，單片機(jī)響應(yīng)接收中斷后讀出CAN控制器中SJA1000的接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并保存，再清SJA1000的接收緩存器。

6 結(jié)束語

通過研究CAN2.0B協(xié)議規(guī)范，對報(bào)文格式的分析和標(biāo)識符的分配，設(shè)計(jì)出了基于CAN總線的智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議。協(xié)議具有實(shí)現(xiàn)簡單、通用性強(qiáng)、可靠性高，便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，通過驗(yàn)證，該協(xié)議有效地解決了智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)通信過程中的仲裁問題。

[1] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] 李偉光.基于CAN總線的智能測控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2005(4):38-40.

[3] 李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4] 蔣蓉.基于CAN總線技術(shù)智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和研究[J].電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2006(1)139-141.

[5] 王黎明，夏立，邵英，等.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 汪瞳，劉玉明，楊楚平，等.CAN總線物理層研究與建模[J].應(yīng)用科技，2007，34(6):35-38.

[7] 蔣建文.CAN總線通信協(xié)議的分析和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2002，28(2):219-220.

[8] 輝亞男，冷文浩.CAN總線應(yīng)用層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(3):669-671.