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基于can的测控网络在智能小区中的应用毕业设计

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目录
摘要 1
第1章 绪论 4
1.1 智能小区的发展背景 4
1.2 住宅小区智能化系统设计结构 5
1.3 本课题研究的意义 5
第2章 现场CAN总线 6
2.1 现场总线简介 6
2.2 现场总线的优点 6
2.3 现场总线的产生和发展 6
2.4 现场总线的现状 7
2.5 典型的现场总线技术 8
2.6 主流现场总线简介 8
2.7 CAN总线技术介绍 10
2.7.1位仲裁 11
2.7.2 CAN与其它通信方案的比较 11
2.7.3 CAN的报文格式 12
2.7.4数据错误检测 12

第3章 基于CAN总线的接口电路 13
3.1 CAN总线接口硬件电路的设计 14
3.1.1 CAN节点核心器件及其选择 14
3.1.2 CAN总线接口电路 14
3.1.3节点主要元件电路原理 15
3.1.4单片机控制模块 16

3.2 CAN总线系统智能节点软件设计 17
3.2.1 CAN控制器SJA1000的初始化程序 18
3.2.2 CAN控制器SJA1000的发送程序 19
3.2.3 CAN控制器SJA1000的接收程序 20
3.2.4 SJA1000接收与发送数据程序流程图 21
致谢 24
参考文献 24

第1章 绪论
1.1智能小区的发展背景
智能化住宅小区, 就是利用4C(即计算机、 通信与网络、 自控、 IC卡)技术, 经过有效的传输网络, 将多元住处服务与管理、 物业管理与安防、 住宅智能化系统集成, 为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段, 以期实现快捷高效的超值服务与管理, 提供安全舒适的家居环境。
智能化小区一般包括如安全防范系统内包括闭路电视监控系统、 对讲防盗门系统、 住户报警系统、 保安巡更管理系统等; 管理监控系统包括水、 电、 气、 热等表具远程抄收系统、 供电设备公共照明电梯、 供水等主要设备监控系统、 管理车辆出入/停车管理系统、 紧急广播与背景音乐系统、 物业计算机管理系统; 信息网络系统包括宽带、 电视、 电信、 控制网络、 家庭网络等.
——概念年: 是智能小区在中国的一个概念年。经过广播电台、 电视、 报纸和杂志等诸多媒体的广泛宣传, 相当一部分居民已经接受了智能家居这个概念。各小区的开发商在住宅的设计阶段也已经或多或少考虑了智能化功能的设施, 少数高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能小区网络, 并在房地产的销售广告中, 已经开始将”智能化”作为其一个”亮点”来宣传。一些对科技发展动向和市场趋势敏感的科研机构和有实力的公司, 已经看到这个市场的广阔前景, 意识到这是一个难得的机遇, 开始或已经研究和开发相关系统和产品作了先期的部署和规划。
  ——研究开发年: 智能家居毕竟在硬件和软件方面都具有一定的难度, 在数个月或一年的时间里是不可能研究开发成功的。国外完成这个系统的过程一般要经过3～5年的时间, 当然在中国可能用不了这么长的时间, 因为已有了国外的一些经验可供参考, 但估计2～3年的时间还是需要的。因此, 是各个科研机构和公司从规划到实际研究和开发的关键一年。如同以往相类似产品( 如彩色电视机和VCD及DVD机) 在中国的发展过程一样, 有些机构和公司开始引进一些国外的系统和产品, 在一些豪华的公寓和住宅中已经看到了它们的踪迹。
  ～ ——实验年: 在这一年中, 有相当一部分高档和中档的住宅小区和私人住宅, 将在控制和管理上实现一般意义上的智能化, 宽带网将进入一般居民的住宅和小区, 为智能家庭网络功能的完善佐以一定的条件。国内一些公司的网络产品将逐渐进入市场, 一些国外的系统和产品也将在这一年开始以较大的规模进入中国市场, 开始在市场上与中国的产品接触。中国关于智能家庭网络系统的各种标准将陆续出台, 各种具有一定智能的能够上网的终端产品( 智能家电/设备) 将根据这些标准陆续研发出来, 并逐步进入市场。
  ～ ——推广年: 到 ～ , 是智能家庭网络系统在中国推广应用的两年。中国自行研制的系统已经较为成熟。新建的住宅和小区大部分将配备一定的智能化设施和设备。美国和欧洲将在 ～ 全面普及智能家庭网络, 各种可连网的终端电器/设备将大量出现在市场上。中国自行设计和生产的可连网的家用电器/设备也将有相当的规模。
  ～ ——普及年: 中国在智能小区技术领域与欧美国家的差距并不大, 估计仅滞后2～3年, 在这几年中, 中国将全面普及智能家庭网络系统和产品, 即开始走进普通居民的家居中。在这个时期, 整个市场将是以中国自行研究和开发的系统和产品为主; 国外的产品将在高档系统产品占有一席之地。真正智能小区网络的大市场将在 ～ 中形成。中国人民将以怎样的方式来观看和参与在中国举办的 奥运会, 现在都是很难准确预料和想象的, 但有一点是能够肯定的: 这将是以一种与现在观看体育比赛完全不同的方式和心态。
1.2 住宅小区智能化系统设计结构
智能化小区主要包括如下系统: 1、 机电设备自动化管理系统; 2、 火灾自动报警及消防联动系统; 3、 停车场车库管理系统; 4、 家庭智能化系统; 5、 信息通讯网络及管理系统; 6、 闭路电视监控系统; 7、 周界防范电子巡更系统; 8、 紧急广播和背景音乐系统。

图1
1.3本课题研究的意义
20世纪80年代后, 电子技术、 计算机网络技术、 特别是Internet网络的发展, 已逐步把人类带入信息社会, 人们的生活方式也发生了日新月异的变化。在这样的背景下智能小区应运而生, 经过十多年的市场发展和政策引导, 当前, 智能小区的概念已深入人心, 而且正在成为人们购房置业时选择的重要条件和标准。
当前, 小区智能化建设已日趋同质化、 标准化。测控网络是只能小区系统的终于组成部分, 在智能小区中已有将CAN技术作为安防系统 、 抄表系统、 家电控制系统等系统最底层的信息传输的接口和通道。根据测控网络本身的特点, 我们研究了CAN的测控网络在智能小区中的应用。
第2章 现场CAN总线

2.1 现场总线简介
　 它是一种工业数据总线, 是自动化领域中的底层数据通信网络。
　　 按照IEC的解释: 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、 串行、 多点通信的数据总线。
　　 简单说, 现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输。
　　 它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、 双向、 多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、 控制器、 执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。
1984年, 现场总线的概念得到正式提出。IEC( International Electrotechnical Commission,国际电工委员会) 对现场总线( Fieldbus) 的定义为: 现场总线是一种应用于生产现场, 在现场设备之间、 现场设备和控制装置之间实行双向、 串形、 多结点的数字通信技术。

2.2 现场总线的优点
　1) 、 现场控制设备具有通信功能, 便于构成现场设备底层控制网络。现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列, 为其应用开拓了更为广阔的领域;
2) 、 通信标准的公开、 一致, 使系统具备开放性, 设备间具有互可操作性。一对双绞线上可挂接多个控制设备, 便于节省安装费用;
3) 、 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性, 节省维护开销;
4) 、 提高了系统的可靠性;
5) 、 控制功能下放到现场, 使控制系统结构具备高度的分散性, 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

2.3 现场总线的产生和发展
控制器局部网( CAN－CONTROLLER AREA NETWORK) 是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网, 由于其高性能、 高可靠性、 实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、 多种控制设备、 交通工具、 医疗仪器以及建筑、 环境控制等众多部门。控制器局部网将在中国迅速普及推广。
　　随着计算机硬件、 软件技术及集成电路技术的迅速发展, 工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支, 并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求, 工业控制系统的发展主要表现为: 控制面向多元化, 系统面向分散化, 即负载分散、 功能分散、 危险分散和地域分散。
　　分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心, 将 5C技术--COMPUTER( 计算机技术) 、 CONTROL( 自动控制技术) 、 COMMUNICATION( 通信技术) 、 CRT( 显示技术) 和 CHANGE( 转换技术) 紧密结合的产物。它在适应范围、 可扩展性、 可维护性以及抗故障能力等方面, 较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。
　　典型的分散式控制系统由现场设备、 接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线( FIELDBUS) 能同时满足过程控制和制造业自动化的需要, 因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管当前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准, 但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时, 正由于现场总线的标准尚未统一, 也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥, 并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN( CONTROLLER AERANETWORK) 正是在这种背景下应运而生的。
由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广, 导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此, 1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了 CAN技术规范( VERSION 1.0) 。该技术规范包括A和B两部分。1.0A给出了曾在CAN技术规范版本2中定义的CAN报文格式, 能提供11位地址; 而1.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式, 提供29位地址。此后, 1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网( CAN) 国际标准( ISO11898) , 为控制器局部网标准化、 规范化推广铺平了道路。
2.4 现场总线的现状
　　由于各个国家各个公司的利益之争, 虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会( IEC/ISA) 就着手开始制定现场总线的标准, 至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术, 但彼此的开放性和互操作性还难以统一。当前现场总线市场有着以下的特点:
　　1) 、 多种现场总线并存
　　当前世界上存在着大约四十余种现场总线, 如法国的FIP, 英国的ERA, 德国西门子公司Siemens的ProfiBus, 挪威的FINT, Echelon公司的LONWorks, PhenixContact公司的InterBus, RoberBosch公司的CAN, Rosemounr公司的HART, CarloGarazzi公司的Dupline, 丹麦ProcessData公司的P-net, PeterHans公司的F-Mux, 以及ASI( ActraturSensorInterface) , MODBus, SDS, Arcnet, 国际标准组织-基金会现场总线FF: FieldBusFoundation, WorldFIP, BitBus, 美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、 医药领域、 加工制造、 交通运输、 国防、 航天、 农业和楼宇等领域, 大概不到十种的总线占有８０％左右的市场。
　　2) 、 各种总线都有其应用的领域
　　每种总线大都有其应用的领域, 比如FF、 PROFIBUS-PA适用于石油、 化工、 医药、 冶金等行业的过程控制领域; LonWrks、 PROFIBUS-FMS、 DevieceNet适用于楼宇、 交通运输、 农业等领域; DeviceNet、 PROFIBUS-DP适用于加工制造业, 而这些划分也不是绝正确, 每种现场总线都力图将其应用领域扩大, 彼此渗透。
　　3) 、 每种现场总线都有其国际组织和支持背景
　　大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织, 力图扩大自己的影响、 得到更多的市场份额。比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持, 并成立了PROFIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台, 成立了WorldFIP国际用户组织。
　　4) 、 多种总线成为国家和地区标准
　　为了加强自己的竞争能力, 很多总线都争取成为国家或者地区的标准, 比如PROFIBUS已成为德国标准, WorldFIP已成为法国标准等。
　　5) 、 设备制造商参与多个总线组织
　　为了扩大自己产品的使用范围, 很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。
　　6) 、 各个总线彼此协调共存
　　由于竞争激烈, 而且还没有哪一种或几种总线能一统市场, 很多重要企业都力图开发接口技术, 使自己的总线能和其它总线相连, 在国际标准中也出现了协调共存的局面。
　　工业自动化技术应用于各行各业, 要求也千变万化, 使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求; 现场总线不同于计算机网络, 人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、 商业利益的制约; 技术标准不但是一个技术规范, 也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性, 实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。

2.5 典型的现场总线技术
　 4月, IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准, 规定10种类型的现场总线。
　Type 1 TS61158现场总线
　Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线
　Type 3 Profibus现场总线
　Type 4 P-NET现场总线
　Type 5 FF HSE现场总线
　Type 6 SwiftNet现场总线
　Type 7 World FIP现场总线
　Type 8 Interbus现场总线
　Type 9 FF H1现场总线
　Type 10 PROFInet现场总线

2.6 主流现场总线简介
　　下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。
　　基金会现场总线( FoundationFieldbus 简称FF)
　　这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、 ABB、 西门子、 英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用, 具有良好的发展前景。
　　基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型( 1, 2, 7层) , 即物理层、 数据链路层、 应用层, 另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率, 前者传输速率为325Kbit/秒, 通信距离可达1900m, 可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和1.5Mbit/秒, 通信距离为750m和500m, 支持双绞线、 光缆和无线发射, 协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。
　　CAN( ControllerAreaNetwork 控制器局域网)
　　最早由德国BOSCH公司推出, 它广泛用于离散控制领域, 其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准, 得到了Intel、 Motorola、 NEC等公司的支持。CAN协议分为二层: 物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构, 传输时间短, 具有自动关闭功能, 具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式, 并采用了非破坏性总线仲裁技术, 经过设置优先级来避免冲突, 通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s, 通讯速率最高可达40M /1Mbp/s, 网络节点数实际可达110个。当前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。
　　Lonworks
　　它由美国Echelon公司推出, 并由Motorola、 Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议, 采用面向对象的设计方法, 经过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、 同轴电缆、 光缆和红外线等多种通信介质, 通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等, 直接通信距离可达2700m( 78Kbit/s) , 被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron( 神经元) 的芯片中, 并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品, 被广泛应用在楼宇自动化、 家庭自动化、 保安系统、 办公设备、 交通运输、 工业过程控制等行业。
　　DeviceNet
　　DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案, 有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不但改进了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术, 传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个, 其通信模式为: 生产者/客户( Producer/Consumer) , 采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备能够自由连接或断开, 不影响网上的其它设备, 而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association( 开放式设备网络供应商协会, 简称”ODVA”) 。
　　PROFIBUS
　　PROFIBUS是德国标准( DIN19245) 和欧洲标准( EN50170) 的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、 PROFIBUS－FMS、 PROFIBUS－PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输, 适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、 楼宇自动化、 可编程控制器、 低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型, 服从IEC1158－２标准。PROFIBUS支持主-从系统、 纯主站系统、 多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s, 最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m, 在12Mbit/s小为200m, 可采用中继器延长至10km, 传输介质为双绞线或者光缆, 最多可挂接127个站点。
　　HART
　　HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写, 最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信, 属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、 数据链路层和应用层三层, 支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和, 难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电, 可满足本质安全防爆的要求, 并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。
　 CC-Link
　　CC-Link是Control&Communication Link( 控制与通信链路系统) 的缩写, 在1996年11月, 由三菱电机为主导的多家公司推出, 其增长势头迅猛, 在亚洲占有较大份额。在其系统中, 能够将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络, 具有性能卓越、 使用简单、 应用广泛、 节省成本等优点。其不但解决了工业现场配线复杂的问题, 同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络, 同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。 7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。
　　WorldFIP
　　WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后, WorldFIP的欧洲部分仍保持独立, 总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位, 特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求, 而且没有任何网关或网桥, 用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE能够实现”透明联接”, 并对FF的H1进行了技术拓展, 如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面, WorldFIP做得最好, 走在世界前列。
　　INTERBUS
INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线, 2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型( 1, 2, 7层) , 即物理层、 数据链路层、 应用层, 具有强大的可靠性、 可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信, 具有低速度、 高效率的特点, 并严格保证了数据传输的同步性和周期性; 该总线的实时性、 抗干扰性和可维护性也非常出众。INTERBUS广泛地应用到汽车、 烟草、 仓储、 造纸、 包装、 食品等工业, 成为国际现场总线的领先者。
另外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-Data A/S 提出的P-Net, 该总线主要应用于农业、 林业、 水利、 食品等行业; SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域, 还有一些其它的现场总线这里就不再赘述了。
2.7 CAN总线技术介绍
CAN 是Controller Area Network 的缩写( 以下称为CAN) , 是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中, 出于对安全性、 舒适性、 方便性、 低公害、 低成本的要求, 各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同, 由多条总线构成的情况很多, 线束的数量也随之增加。为适应”减少线束的数量”、 ”经过多个LAN, 进行大量数据的高速通信”的需要, 1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后, CAN 经过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化, 现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
　　现在, CAN 的高性能和可靠性已被认同, 并被广泛地应用于工业自动化、 船舶、 医疗设备、 工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、 可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
　　CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之当前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性:
　　首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,而且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、 可靠性较差;
　　其次,CAN总线经过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其它节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于”死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。
　　另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、 容易实现、 且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是当前 CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。
CAN 即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、 实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ(奔驰)、 BMW(宝马)、 PORSCHE(保时捷)、 ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围当前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、 航空航天、 航海、 过程工业、 机械工业、 纺织机械、 农用机械、 机器人、 数控机床、 医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有: SAE J1939/ISO11783、 CANOpen、 CANaerospace、 DeviceNet、 NMEA 等。

2.7.1 位仲裁
　　要对数据进行实时处理,就必须将数据快速传送,这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时,要求快速地进行总线分配。实时处理经过网络交换的紧急数据有较大的不同。一个快速变化的物理量,如汽车引擎负载,将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。
　　CAN总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可经过位仲裁解决。如图2所示,当几个站同时发送报文时,站1的报文标识符为011111;站2的报文标识符为0100110;站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01,直到第3位进行比较时,站1的报文被丢掉,因为它的第3位为高,而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、 5、 6位相同,直到第7位时,站3的报文才被丢失。注意,总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中,站2的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于,在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前,报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站,而且不会在总线再次空闲前发送报文。
　　CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用,这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点,因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了,这能够保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。
对于主站的可靠性,由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信,包括总线读取 (许可)控制,在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。

2.7.2 CAN与其它通信方案的比较
　　在实践中,有两种重要的总线分配方法:按时间表分配和按需要分配。在第一种方法中 ,不论每个节点是否申请总线,都对每个节点按最大期间分配。由此,总线可被分配给每个站而且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。这将保证在总线存取时有明确的总线分配。在第二种方法中,总线按传送数据的基本要求分配给一个站 ,总线系统按站希望的传送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线,多于一个总线存取是必要的。
CAN实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取时,明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法能够解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ethernet网络的消息仲裁,CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法,确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下,以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足,所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在CSMA/CD这样的网络中,如Ethernet,系统往往由于过载而崩溃,而这种情况在CAN中不会发生。

2.7.3 CAN的报文格式
　　在总线中传送的报文,每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式,其唯一的不同是标识符(ID)长度不同,标准格式为11位,扩展格式为29位。
　　在标准格式中,报文的起始位称为帧起始(SOF),然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧,在请求帧中没有数据字节。
　　控制场包括标识符扩展位(IDE),指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 (ro),为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度(DLC)。数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC)。
　　应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1),这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法,发送站能够保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。
报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位,如果这时没有站进行总线存取,总线将处于空闲状态。

2.7.4 数据错误检测
　　不同于其它总线,CAN协议不能使用应答信息。事实上,它能够将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法,其中前三种为基于报文内容检查。
　　1) 、 循环冗余检查(CRC)
　　在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站经过CRC可判断报文是否有错。
　　2) 、 帧检查
　　这种方法经过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性,用于检查格式上的错误。
　　3) 、 应答错误
　　如前所述,被接收到的帧由接收站经过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答,那么表明接收站发现帧中有错误,也就是说,ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可经过位检查的方法探测错误。
　　4) 、 总线检测
　　有时,CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此,发送报文的站能够观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。
　　5) 、 位填充
　　一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编码的最大效率。然而,如果在一帧报文中有太多相同电平的位,就有可能失去同步。为保证同步,同步沿用位填充产生。在五个生。在五个连续相等位后,发送站自动插入一个与之互补的补码位;接收时,这个填充位被自动丢掉。例如,五个连续的低电平位后,CAN自动插入一个高电平位。CAN经过这种编码规则检查错误,如果在一帧报文中有6个相同位,CAN就知道发生了错误。
　　如果至少有一个站经过以上方法探测到 一个或多个错误,它将发送出错标志终止当前的发送。这能够阻止其它站接收错误的报文,并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后,发送站会自动地重新发送数据。作为规则,在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合,系统的恢复时间为31个位周期。
　　但这种方法存在一个问题,即一个发生错误的站将导致所有数据被终止,其中也包括正确的数据。因此,如果不采取自监测措施,总线系统应采用模块化设计。为此,CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部站失败中区别出来的办法。这种方法能够经过对出错站统计评估来确定一个站本身的错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现,即站能够经过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。
　　6) 、 CAN可靠性
　　为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险,汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高,或者残留下来的数据错误足够低的话,这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看,可靠性能够理解为,对传输过程产生的数据错误的识别能力。
残余数据错误的概率能够经过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小,使其在系统整个寿命周期内,按平均统计时几乎检测不到。计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类 ,而且数据传输路径可由一模型描述。如果要确定CAN的残余错误概率,我们可将残留错误的概率作为具有80～90位的报文传送时位错误概率的函数,并假定这个系统中有5～10个站,而且错误率为1/1000,那么最大位错误概率为10—13数量级。例如,CAN网络的数据传输率最大为1Mbps,如果数据传输能力仅使用50%,那么对于一个工作寿命4000小时、 平均报文长度为 80位的系统,所传送的数据总量为9×1010。在系统运行寿命期内,不可检测的传输错误的统计平均小于10—2量级。换句话说,一个系统按每年365天,每天工作8小时,每秒错误率为0. 7计算,那么按统计平均,每10 才会发生一个不可检测的错误。

第三章 基于CAN总线的接口电路设计

本文将介绍一种以CAN总线为基础的模拟量输入和模拟量输出。本设计以单片机ＭＣＳ－89C51为主控芯片, CAN总线通信模块利用CAN控制器SJA1000和CAN总线驱动器82C250来实现。由CAN总线做成的一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络, 具有高性能和高可靠性的特点, 具有广泛的应用前景。

图2
3.1 CAN总线接口硬件电路的设计
硬件电路的设计主要是CAN 通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的设计。CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心, 主要完成CAN的通信协议, 而CAN总线收发器的主要功能是增大通信距离, 提高系统的瞬间抗干扰能力, 保护总线, 降低射频干扰( RFI) , 实现热防护等。
3.1.1  CAN节点核心器件及其选择
当前广泛流行的CAN总线器件有两大类: 一类是独立的CAN控制器, 如82C200、 SJA1000及Intel82526/82527等, 另一类是带有在片CAN的微控制器, 如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。本课题选取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250总线收发器, 主要是考虑到SJA1000支持CAN 1.0A/B规约。而82C250能够支持110个CAN节点, 而且国内市场上PHILIPS的产品型号比较多, 购买比较方便。
3.1.2  CAN总线接口电路
SJA1000 在电路中是一个总线接口芯片, 经过它实现上位机与现场微处理器之间