基于CAN总线智能建筑监控系统的通信协议设计

2010-04-25孙浩钦易茂祥

电子科技 2010年7期

王忠，孙浩钦，易茂祥

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

现代智能建筑监控系统广泛采用了现场总线技术[1]。现场总线的种类目前有40多种，但适合智能建筑且在我国推广的主要有两种:CAN(Control Area Network)总线和Lonworks总线。CAN总线技术以其可靠性高，结构简单，传输距离长和成本低而具有巨大的应用潜力。

控制局域网CAN是现场总线技术中最成熟、最有发展前途的微处理器局域网络[2]。协议采用总线型拓扑结构，通过研究CAN2.0B协议规范，制定了符合智能建筑监控系统的通信协议，并进行了通信节点软件的设计。

1 基于CAN总线的智能建筑网络拓扑结构

CAN总线的智能建筑监控系统拓扑结构，如图1所示。该系统由3部分组成:上位机、CAN通信节点和各个现场智能设备组成[3-5]。通信节点的数量可根据建筑物的规模增减，CAN总线作为通信网络将各个节点连接成一个分布式智能监控系统。

(1)上位机:由计算机和监控软件组成，对整个智能建筑监控系统的管理和控制，是整个系统的中心。

(2)CAN通信节点:各通信节点功能相同，主要完成把现场设备采集到的实时数据发送到CAN总线上，接收CAN总线发送来的控制信息。CAN通信节点的硬件由微处理器、CAN控制器SJA1000、CAN收发器PCA 82C250组成。

(3)现场智能设备:由微处理器、和现场功能装置等组成。完成检测、报警、控制、显示等功能。智能建筑监控系统现场设备由照明、空调、电梯、安全监控、消防监控、给排水，配电等组成。

图1 系统结构图

2 CAN总线通信协议的硬件基础

CAN总线协议描述了信息在设备之间的传递规则，它对层的定义与开放系统互连模型OSI一致，CAN被分为应用层、数据链路层和物理层3层，各层之间互相透明，每一层只与另一设备上相同的那一层通讯，实际的通讯是发生在每一设备上相邻的两层之间，而各个设备只通过物理层的通信介质连接在一起[6]。

CAN总线规范定义了模型的最下面的两层:物理层和数据链路层。CAN总线驱动器和通信介质则实现了物理层的主要功能。CAN总线控制器实现了总线协议中规定的数据链路层的传输任务。常用的CAN总线驱动器有Philips公司的PCA82C250，总线控制器是SJA1000，通信介质是双绞线或同轴电缆。

2.1 总线驱动器PCA82C250的工作原理

PCA82C250是CAN总线控制器与物理导线之间的接口，该驱动器可以提供对总线的差动发送和接收功能。PCA82C250的驱动部分由1个PNP的极管和1个NPN的三极管组成。这2个三极管根据TXD的信号导通或截止。当TXD=0时，2个三极管处于导通状态时，总线上显示为显性电平。当TXD=1时，2个三极管处于截止状态，总线上显示为隐性电平，此时驱动器对总线的影响很小。因此，如果存在其他节点发送显性电平，则总线的电平状态就是显性，只有所有的驱动器都发送隐性电平，总线的电平状态才是隐性。实现了CAN总线物理层的线与功能。PCA82C250功能图，如图2所示。

图2 PCA82C250功能图

2.2 基于线与功能多节点仲裁过程

通信节点访问总线，对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。当总线上有多个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的报文优先发送。在CAN总线上发送的每一条报文都具有惟一的11位或29位ID。CAN总线的状态取决于二进制数‘0’而不是‘1’，所以ID号越小，该报文拥有越高的优先权。因此一个为全‘0’标志符的报文具有总线上的最高级优先权[7]。多节点仲裁过程如图3所示。

图3 总线仲裁过程

2.3 CAN控制器SJA1000的功能介绍

CAN的通信协议由CAN控制器完成，CAN控制器由实现CAN总线协议的部分和实现与微处理器接口部分的电路组成。

SJA1000是Philips公司推出的一种高性能的CAN总线控制器，它不仅和PCA82C200的基本CAN模式(BasicCAN)兼容，而且还增强CAN模式(PeliCAN)，这种模式支持CAN2.0B协议。SJA1000以一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现这些功能，提供了与模块控制器及微控制器的接口，通过对它的编程，CPU可设置它的工作方式，控制它的工作状态，与CAN驱动器PCA82C250进行数据的接收和发送。

3 CAN的帧结构

CAN协议规定了两种不同的帧格式，不同之处为标识符的长度不同，具有11位标识符的帧称之为标准帧，具有29位标识符的帧被称为扩展帧[7]。

3.1 CAN帧类型

报文传输由以下4个不同的帧类型所表示和控制

(1)数据帧:携带数据从发送器至接收器。

(2)远程帧:由节点发送，请求发送具有相同标识符的数据帧。

(3)错误帧:由任何节点发出，检测到错误就发出错误帧。

(4)过载帧:用于提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延时。

3.2 CAN扩展帧的数据帧结构

扩展帧的数据帧结构，如图4所示。

图4 数据帧结构

扩展帧的数据帧的主要结构有:

(1)帧起始，标志帧的开始，它由单个“显性”位构成，在总线空闲时发送，在总线上产生同步作用。

(2)仲裁域，仲裁域包括29位标识符、SRR位、IDE位、RTR位。29位标识符包括11位基本ID、18位扩展ID。基本ID按ID-28到ID-18的顺序发送，扩展ID按ID-17到ID-0的顺序发送。基本ID首先发送，其次是SRR位和IDE位。扩展ID的发送位于IDE位之后。SRR是“隐性”位。IDE位在标准格式里为“显性”，在扩展格式里为“隐性”。RTR位在数据帧里必为“显性”，而在远程帧里必为“隐性”。标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优先权越高，发生冲突时优先发送。

(3)控制域，由6位构成，前2位为保留位，为“显性”。后4位为数据长度码(DLC)，表示数据域中数据的字节数，必须在0～8范围内变化。

(4)数据域，由被发送的数据组成，字节数为控制域中决定的0～8 bit，第一个字节的最高位首先被发送。

(5)CRC域，包括CRC(循环冗余码校验)序列(15位)和CRC界定符(1个“隐性”位)，用于帧校验。

(6)应答域，由应答间隙和应答界定符组成，共2位。

(7)帧结束，由7位隐性位组成，此期间无位填充。

4 通讯协议的制定

在CAN的协议规范，规定了数据链路层和物理层，没有规定应用层。所以用户在设计通讯软件时，必须首先设计合适的CAN总线通讯协议，才能完成数据准确可靠的传输[8]。基于研究CAN2.0B规范的基础上，采用自定义协议的方法，制定了智能建筑监控系统的通信协议。通讯协议的制定主要包括以下3个步骤。

4.1 CAN总线网络中信息传输类型

智能建筑中信息传输类型主要有以下几种:

(1)紧急信息，用以传输重要信息，优先级最高，如报警信息。

(2)广播信息，向总线上挂接的所有节点发送的信息。

(3)命令信息，控制节点向执行节点发送的信息。

(4)状态信息，执行节点接收到命令执行后，向控制节点反馈的信息。

(5)数据信息，负责采集数据的节点发送的信息，如传感器采集到的信息。

4.2 根据标识符的分配方案确定各节点优先级

标识符的分配方案首先满足节点以及报文信息对优先级的要求，同时利用标识符空间加载有关信息，减少在数据域内占用的空间。本系统采用有29位标识符的扩展帧格式，具体分配如下:

(1)信息类型标识符(ID.28～ID.23)，000001——紧急信息，000010——广播信息，000011——命令信息，000100——状态信息，000101——数据信息。

(2)节点地址标识符(ID.22～ID.15)，00000001——上位机节点，00000010——安全监控节点，00000100——消防监控节点，00000101——配电节点，00000111——给排水节点，00001000——电梯节点，00001001——照明节点，00001010——空调节点。

(3)报文功能标识符(ID.14～ID.08)，如果一个节点发送多帧报文，在报文信息类型相同的情况下，可以用报文功能标识符来区分报文的优先级。

(4)现场装置地址标识符(ID.07～ID.00)。