CAN總線智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議設計

1、【Word版本下載可任意編輯】 CAN總線智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議設計 從研究CAN2.OB總線規(guī)范入手，介紹了CAN總線規(guī)范的硬件根底，分析了CAN總線報文格式，通過對報文標識符的分配，設計了應用于該系統(tǒng)的通信協(xié)議，并給出了軟件設計流程，較好地解決了智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)通信過程中的仲裁問題。 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?，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總線技術以其可靠性高，構造簡單，傳輸距離長和成本低而具有巨大的應用潛力。 控制局域網CAN是現(xiàn)場總線技術中成

2、熟、有發(fā)展前途的微處理器局域網絡。協(xié)議采用總線型拓撲構造，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，并開展了通信節(jié)點軟件的設計。 1 基于CAN總線的智能建筑網絡拓撲構造 CAN總線的智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)拓撲構造，如圖1所示。該系統(tǒng)由3部分組成：上位機、CAN通信節(jié)點和各個現(xiàn)場智能設備組成。通信節(jié)點的數量可根據建筑物的規(guī)模增減，CAN總線作為通信網絡將各個節(jié)點連接成一個分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)。 (1)上位機：由計算機和監(jiān)控軟件組成，對整個智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的管理和控制，是整個系統(tǒng)的中心。 (2)CAN通信節(jié)點：各通信節(jié)點功能相同，主要完成把現(xiàn)場設備采集到的實時數據發(fā)送到CAN

3、總線上，接收CAN總線發(fā)送來的控制信息。CAN通信節(jié)點的硬件由微處理器、CAN控制器SJAl000、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。 (3)現(xiàn)場智能設備：由微處理器、和現(xiàn)場功能裝置等組成。完成檢測、報警、控制、顯示等功能。智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場設備由照明、空調、電梯、安全監(jiān)控、消防監(jiān)控、給排水，配電等組成。 2 CAN總線通信協(xié)議的硬件根底 CAN總線協(xié)議描述了信息在設備之間的傳遞規(guī)則，它對層的定義與開放系統(tǒng)互連模型OSI一致，CAN被分為應用層、數據鏈路層和物理層3層，各層之間互相透明，每一層只與另一設備上相同的那一層通訊，實際的通訊是發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層之間，而各個設備只通過物理層

4、的通信介質連接在一起。 CAN總線規(guī)范定義了模型的下面的兩層：物理層和數據鏈路層。CAN總線驅動器和通信介質則實現(xiàn)了物理層的主要功能。CAN總線控制器實現(xiàn)了總線協(xié)議中規(guī)定的數據鏈路層的傳輸任務。常用的CAN總線驅動器有Philips公司的PCA82C250，總線控制器是SJAl000，通信介質是雙絞線或同軸電纜。 2.1 總線驅動器PCA82C250的工作原理 PCA82C250是CAN總線控制器與物理導線之間的接口，該驅動器可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。PCA82C250的驅動部分由1個PNP的極管和1個NPN的三極管組成。這2個三極管根據TXD的信號導通或截止。當TXD=0時，2個三

5、極管處于導通狀態(tài)時，總線上顯示為顯性電平。當TXD=1時，2個三極管處于截止狀態(tài)，總線上顯示為隱性電平，此時驅動器對總線的影響很小。因此，如果存在其他節(jié)點發(fā)送顯性電平，則總線的電平狀態(tài)就是顯性，只有所有的驅動器都發(fā)送隱性電平，總線的電平狀態(tài)才是隱性。實現(xiàn)了CAN總線物理層的線與功能。PCA82C250功能圖，如圖2所示。 2.2 基于線與功能多節(jié)點仲裁過程 通信節(jié)點訪問總線，對總線上信號開展檢測，只有當總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。當總線上有多個節(jié)點同時開展發(fā)送時，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有優(yōu)先權的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有惟一的11位或29位ID。CAN總

6、線的狀態(tài)取決于二進制數O而不是1，所以ID號越小，該報文擁有越高的優(yōu)先權。因此一個為全0標志符的報文具有總線上的優(yōu)先權。多節(jié)點仲裁過程如圖3所示。 2.3 CAN控制器SJAl000的功能介紹 CAN的通信協(xié)議由CAN控制器完成，CAN控制器由實現(xiàn)CAN總線協(xié)議的部分和實現(xiàn)與微處理器接口部分的電路組成。 SJAl000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(BasieCAN)兼容，而且還增強CAN模式(PeliCAN)，這種模式支持CAN2.0B協(xié)議。SJAl000以一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來實現(xiàn)這些功能，提供了與模塊控制器及

7、微控制器的接口，通過對它的編程，CPU可設置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，與CAN驅動器PCA82C250開展數據的接收和發(fā)送。 3 CAN的幀構造 CAN協(xié)議規(guī)定了兩種不同的幀格式，不同之處為標識符的長度不同，具有11位標識符的幀稱之為標準幀，具有29位標識符的幀被稱為擴展幀。 3.1 CAN幀類型 報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示和控制 (1)數據幀：攜帶數據從發(fā)送器至接收器。 (2)遠程幀：由節(jié)點發(fā)送，請求發(fā)送具有相同標識符的數據幀。 (3)錯誤幀：由任何節(jié)點發(fā)出，檢測到錯誤就發(fā)出錯誤幀。 (4)過載幀：用于提供先前和后續(xù)數據幀或遠程幀之間的附加延時。 3.2 CAN擴展幀的數據幀

8、構造 擴展幀的數據幀構造，如圖4所示。 擴展幀的數據幀的主要構造有： (1)幀起始，標志幀的開始，它由單個“顯性”位構成，在總線空閑時發(fā)送，在總線上產生同步作用。 (2)仲裁域，仲裁域包括29位標識符、SRR位、IDE位、RTR位。29位標識符包括11位基本ID、18位擴展ID。基本ID按ID-28到ID-18的順序發(fā)送，擴展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。擴展ID的發(fā)送位于IDE位之后。SRR是“隱性”位。IDE位在標準格式里為“顯性”，在擴展格式里為“隱性”。RTR位在數據幀里必為“顯性”，而在遠程幀里必為“隱性”。標識符用于提供關于傳送報

9、文和總線訪問的優(yōu)先權信息，其數值越小，表示優(yōu)先權越高，發(fā)生沖突時優(yōu)先發(fā)送。 (3)控制域，由6位構成，前2位為保存位，為“顯性”。后4位為數據長度碼(DLC)，表示數據域中數據的字節(jié)數，必須在08范圍內變化。 (4)數據域，由被發(fā)送的數據組成，字節(jié)數為控制域中決定的08 bit，個字節(jié)的位首先被發(fā)送。 (5)CRC域，包括CRC(循環(huán)冗余碼校驗)序列(15位)和CRC界定符(1個“隱性”位)，用于幀校驗。 (6)應答域，由應答間隙和應答界定符組成，共2位。 (7)幀結束，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)定了數據鏈路層和物理層，沒有規(guī)定應用層。所以用

10、戶在設計通訊軟件時，必須首先設計合適的CAN總線通訊協(xié)議，才能完成數據準確可靠的傳輸。基于研究CAN2.OB規(guī)范的根底上，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個步驟。 4.1 CAN總線網絡*息傳輸類型 智能建筑*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，如報警信息。 (2)廣播信息，向總線上掛接的所有節(jié)點發(fā)送的信息。 (3)命令信息，控制節(jié)點向執(zhí)行節(jié)點發(fā)送的信息。 (4)狀態(tài)信息，執(zhí)行節(jié)點接收到命令執(zhí)行后，向控制節(jié)點反應的信息。 (5)數據信息，負責采集數據的節(jié)點發(fā)送的信息，如傳感器采集到的信息。 4.2 根據標識符

11、的分配方案確定各節(jié)點優(yōu)先級 標識符的分配方案首先滿足節(jié)點以及報文信息對優(yōu)先級的要求，同時利用標識符空問加載有關信息，減少在數據域內占用的空間。本系統(tǒng)采用有29位標識符的擴展幀格式，具體分配如下： (1)信息類型標識符(ID.28ID.23)，000001緊急信息，000010廣播信息，000011命令信息，000100狀態(tài)信息，000101數據信息。 (2)節(jié)點地址標識符(ID.22ID.15)，0000000l上位機節(jié)點，00000010安全監(jiān)控節(jié)點，00000100消防監(jiān)控節(jié)點，0000010l配電節(jié)點，00000111給排水節(jié)點，00001000電梯節(jié)點，00001001照明節(jié)點，000

12、01010空調節(jié)點。 (3)報文功能標識符(ID.14ID.08)，如果一個節(jié)點發(fā)送多幀報文，在報文信息類型相同的情況下，可以用報文功能標識符來區(qū)分報文的優(yōu)先級。 (4)現(xiàn)場裝置地址標識符(ID.07ID.00)。 4.3 組織各幀報文 明確各節(jié)點發(fā)送的報文，對系統(tǒng)中各類控制信號和數據開展分類，填充各報文的數據域。 5 通信協(xié)議的軟件實現(xiàn) 通信協(xié)議的軟件設計由3部分組成：CAN控制器的初始化、數據的發(fā)送和接收程序，其流程圖如圖5，圖6和圖7所示。 5.1 通信節(jié)點的初始化 初始化程序通過對CAN控制器SJAl000中的存放器寫入控制字，確定CAN控制器的工作方式，包括模式存放器的設置、接收濾波方式設置、接收屏蔽存放器和接收代碼存放器的設置、波特率參數和中斷允許存放器的設置等，完成初始化設置后，SJAl000開展正常的通信。 5.2 數據發(fā)送程序 發(fā)送數據前，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)送的數據按照特定格式組合成一幀報文，送入SJAl000發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動SJAl000發(fā)送命令。 5.3 數據接收程序 接收數據采用中