【文章內容簡介】 報文過濾。同一個報文可以發(fā)送給特定的站點或許多站點，就看你怎樣去設計網絡和系統。 CAN 總線協議 另外一個有用的特性是 一個節(jié)點可以主動要求其它節(jié)點發(fā)送信息。這種特性叫做遠程發(fā)送請求（ RTR）。和上面不同之處在于，節(jié)點并不等待信息的到來，而是主動去索取。設計人員就可以利用這一遠程發(fā)送請求特性來減少網絡的數據通信量，同時維持整個系統的完整性。 基于報文的這種協議另外一個好處是新的節(jié)點可以隨時方便地加入到現有的系統中，而不需對所有節(jié)點進行重新編程以便它們能識別這一新節(jié)點。一旦新節(jié)點 加入到網絡中，它就開始接收信息，判別信息標識，然后決定是否作處理或直接丟棄。 CAN 總線定義了四種不同的報文（或叫幀）用于總線通信。第一種也是最常用的是數據幀，用于一個節(jié)點傳送信息到其它任一或所有節(jié)點；第二種叫遠程幀，基本上是一個數據幀但其中的 RTR 位被置 1，表明這是一個遠程發(fā)送請求，用于一個節(jié)點主動要求其它節(jié)點發(fā)送信息；另外兩種用于差錯處理，分別叫做錯誤幀和過載幀。如果節(jié)點在接收過程中檢測到任一在 CAN 總線協議中定義了的錯誤信息，它就會發(fā)送一個錯誤幀，當一個節(jié)點正忙于處理接收的信息，需要額外的等待時間接收下 一報文時，可以發(fā)送過載幀，通知其它節(jié)點暫緩發(fā)送新報文。 CANbus 的 特征 （ 1） CAN 總線有如下基本特點 ： ① 廢除傳統的站地址編碼，代之以對通信數據塊進行編碼，可以多主方式工作； ② 采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網絡上傳送數據時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數據，有效避免了總線沖突； ③ 采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為 8 個，數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短； ④ 每幀數據都有 CRC 校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠 性，適于在高干擾環(huán)境下使用； ⑤ 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上其他操作不受影響； ⑥ 可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數據。 （ 2） CAN 總線的優(yōu)點 ： 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統設計 第 11 頁 共 52 頁 ① 具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點； ② 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作； ③ 具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過 CAN 控制器掛到 CANbus 上，形成多主機局部網絡； ④ 可根據報文的 ID 決定接收或屏蔽該報文； ⑤ 可靠的錯誤處理和檢 錯機制； ⑥ 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)； ⑦ 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能； ⑧ 報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。 CAN 協議簡介 CAN 協議的分層結構 CAN 協議分為三層 ： 目標層、傳輸層和物理層 [6]。主要對應于 ISO(Intermational Standard Organizantion，國際標準化組織 )的 OSI(Open System Interconnertion，開放系統互連 )七層模型中數據鏈路層的媒體訪問控制 子層以及物理層的物理信號部分。目標層和傳輸層包含所有由 ISO/OSI 模型定義的數據鏈路層的服務和功能。由于 CAN 的數據結構簡單，又是范圍較小的局域網，因此不需要其他中間層，應用層數據直接取自數據鏈路層或直接向鏈路層寫數據。結構層次少有利于系統中實時控制信號的傳送。 圖 CAN協議的分層結構 CAN 協議的分層結構如圖 所示。 PMA 子層和 MDI 子層有多種規(guī)范，由不同的組織制定，可應用在不同的領域和場合。 CAN 層的定義與開放系統互連模型（ OSI） 一致，每一層與另一設備上相同的那一層通訊，實際的通訊發(fā)生在每一設備上的相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理傳 播 媒 體 應用層 有設計者自行定義 … 數據 鏈路層 物理層 邏輯鏈路控制子層 LLC 媒體訪問控制子層 MAC 物理信號子層 PLS 物理媒體附屬子層 PMA 媒體相關接口子層 MDI CAN 控制器 CAN 收發(fā)器 CAN 協議 規(guī)范 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統設計 第 12 頁 共 52 頁 介質互連，表 21 中展示了 OSI 開放式互連模型的各層。應用層協議可以由 CAN 用戶定義成合適特別工業(yè)領域的任何方案，已在工業(yè)控制和制造業(yè)領域得到了廣泛應用的標準是 DeviceNet，這是 PLC 和智能傳感器設計的，在汽車工業(yè)，許多制造商都應用他們的標準。 表 21 OSI 開放系統互連模型 7 應用層 最高層用戶軟件網絡終端等之間用來進行信息交換如 DeviceNet 6 表示層 將兩個應用不同數據格 式的系統信息轉化為能共同理解的格式 5 會話層 依靠低層的通信功能來進行數據的有效傳遞 4 傳輸層 兩通信節(jié)點之間數據傳輸控制操作如數據重發(fā)數據錯誤修復 3 網絡層 規(guī)定了網絡連接的建立維持和拆除的協議如：路由和尋址 2 數據 鏈路層 規(guī)定了在介質上傳輸的數據位的排列和組織如數據校驗和幀結構 1 物理層 規(guī)定通訊介質的物理特性如電氣特性和信號交換的解釋 CAN 物理層定義了傳輸線和硬件的機械、電氣和電信號特征及功能。機械特征包括連接器尺寸、類型等； 電氣特性包括最大傳輸速率、最大傳輸距離、信號電平狀 態(tài)代表意義等；電信號特征包括對應電平信號的邏輯信號、信號的傳輸時序、數據采樣方式等。但在 ，而在 ISO11898 標準中的內容更加具體，但沒有指明通訊介質的材料，因而用戶可以根據自己的需要選擇雙絞線，同軸電纜或光纖，最常用的就是雙絞線。 表 22 CAN 總線長度與傳輸距離的關系 CAN 總線波特率 任意兩節(jié)點間的最大距離 1Mbps 40m 500kbps 130m 250kbps 270m 125kbps 530m 100kbps 620m 50kbps 20kbps 10kbps 5kbps 10km CAN 網絡的速度取決于總線的長度。控制器最快能達到 1Mbps，但對總線長度有限制。對于 50m長的總線，最大波特率是 1Mbps，而對于 150m的總線，波特率約為。 CAN 網絡上的任意兩個節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關，其對應關 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統設計 第 13 頁 共 52 頁 系見表 22 所示。 圖 總線位的數值表示 CAN 總線上的 電平形式中的總線數值為兩種互補邏輯數值之一：“顯性”或“隱性”。顯性數值表示邏輯“ 0”，而“隱性”數值表示邏輯“ 1”?！帮@性”和“隱性”同時發(fā)送時，最后總線數值將顯示為“顯性”。在“隱性”狀態(tài)下， HCANV ? 和 LCANV ? 被固定于平均電壓電平， diffV 近似為 0。在總線空閑或“隱性”位期間，發(fā) 送“隱性”狀態(tài)。“顯性”狀態(tài)改寫“隱性”狀態(tài)并發(fā)送?？偩€位的數值表示如圖 所示。 (差動傳輸方式 ) 報文傳輸及其幀結構 圖 數據幀標準格式中的仲裁場結構 CAN總線的數據傳輸由以下 4個不同的幀類型所表示和控制，它們分別是 [7]： 數據幀：數據幀將數據從發(fā)送器傳送到接收器。 遠程幀：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有相同標識符的數據幀。 錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 超載幀：超載幀用以在相鄰的數據幀或遠程幀之間提供附 加的延時。 數據幀和遠程幀用一個幀空間與前面的幀分開。以下將逐一對各幀的結構做詳細介紹。 SOF 11 位標示符 仲裁場 控制場 RTR 位 diffV diffV 隱性位 顯性位 隱性位 時間 t HCANV ? LCANV ? 平均電壓 U 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統設計 第 14 頁 共 52 頁 CAN技術規(guī)范 ，標準幀和擴展幀。不同之處在于每幀的標識符的長度不同：標準幀的標識符長度為 11位，而擴展幀的長度則為 29位。 標準格式和擴展格式的仲裁場格式不同。在標準格式中，仲裁場由 11 位標識符 ID和遠程發(fā)送請求位 RTR組成。 11位標識符為 ～ ，如圖 。 數據幀由 7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、 CRC場、應答場和幀結束。數據場的長度可為 0。數據 幀的結構如表 23所示。 表 23 數據幀結構 ?? 幀起始 仲裁場 控制場 數據場 CRC場 ACK場 幀結束 ?? 幀起始（ SOF）標志數據幀和遠程幀的起始，僅由一個顯性位構成。只有在總線處于空閑狀態(tài)時才允許站開始發(fā)送。所有站都必須同步于首先開始發(fā)送的那個站的幀起始前沿。 而在擴展格式中，仲裁場由 29位標識符、 SRR位、 IDE位和 RTR位組成，標識符為 ～ ，如圖 。 圖 數據幀擴展格式中的仲裁場結構 控制場由 6位組成。其結構如圖 。 圖 控制場結構 標準格式的控制場結構和擴展格式的不同。標準格式里的控制場包括數據長度碼 DLC， IDE位及保留位 r0；擴展格式里的控制場包括 DLC和兩個保留位 r1 和 r0。保留位必須發(fā)送顯性位。數據長度碼指出數據場的字節(jié)數目。數據長度碼為 4位，在控制場中發(fā)送。數據字節(jié)的允許數目為 0～ 8。 遠程幀由 6個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、 CRC場、應答場和幀結束。與數據幀相反，遠程幀的 RTR位是隱性位。遠程幀 不存在數據場， DLC的數值沒有意義，它可以是 0～ 8中的任何數值，這一數值為對應數據幀的 DLC。 錯誤幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是出錯界定符。有兩種形式的錯誤標志，一種是活動錯誤標志，另一種是認可錯誤標志?；顒渝e誤標志由 6個連續(xù)的顯性位組成，認可錯誤標志由 6個連續(xù)的隱性位組成。 仲裁場 RTR 18 位標示符 SRR IDE 11 位標示符 SOF 控制場 IDE/r1 r0 DLC3 DLC2 DLC1 DLC0 控制場 數據場 數據長度代碼 保留為 仲裁場 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統設計 第 15 頁 共 52 頁 超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。有三種超載條件會導致超載標志的發(fā)送：一是要求延遲下一個數據幀或遠程幀的內部條件，二是在間歇場的第 1位和第 2位檢測到顯性位，三是如果 CAN節(jié)點在錯誤界定符 或超載界定符的第 8位（最后一位）采樣到一個顯性位，節(jié)點會發(fā)送一個超載幀（不是錯誤幀）。超載標志由 6個顯性位組成，所有形式對應于活動錯誤標志形式。超載界定符由 8個隱性位組成，與出錯界定符具有相同的形式。 報文濾波 CAN總線通過報文濾波技術，可以實現點對點、一點對多點及全局廣播等多種數據傳送方式 [8]。報文濾波技術實際是通過屏蔽寄存器和濾波寄存器來實現。屏蔽寄存器設定需要校驗的二進制位，濾波寄存器存儲需比較的數值。對這一概念的理解有助于深刻了解 CAN協議的原理及其硬件結構，為軟件的實現打下基礎。 濾波寄存器和 屏蔽寄存器決定是否將信息裝入接收緩沖區(qū)。信息幀仲裁場的標識符與濾波寄存器中的值比較，如果二者相等，則將信息裝入相應的接收緩沖區(qū)。屏蔽寄存器的作用是決定標識符的哪些位需要與濾波寄存器比較。如果屏蔽寄存器的每一位為 1，那么這一位會自動接收，無須與濾波寄存器的相應位進行比較。 可見如果信息標識符的高字節(jié)為 11001101，屏蔽寄存器值為 00001111，若濾波寄存器的值為11001101則將數據收入緩沖區(qū)。也就是說滿足下列兩等式之一，則報文被接收。（ ～ ）≡(～ ) （ ～ ）≡ 11111111 屏蔽寄存器和濾波寄存器存放在 CAN控制器中，其自動識別標識符的功能由硬件實現，但濾波寄存器和屏蔽寄存器的值需要軟件設定。 3 基于 CAN 多點溫度檢測系統的總體設計 系統總體方案設計 溫度檢測系統有則共同的特點：測量點多、環(huán)境復雜、布線分散、現場離監(jiān)控室遠等。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號，則需要設計信號調理電路、 A/D 轉換及相應的接口電 路，才能把傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號送到計算機去處理。這樣，由于各種因素會造成檢測系統較大的偏差；又因為檢測環(huán)境復雜、測 量點多、信號傳輸距離遠及各種干擾的影響，會使檢測系統的穩(wěn)定性和可靠性下降 。 所以多點溫度檢測系統的設計的關鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和遠程通信的設計。溫度傳感器應用范圍廣泛、使用數量龐大，也高居各類傳感器之首。 系統采用針對傳統溫度測溫系統測溫點少，系統兼容性及擴展性較差的特點，運用分布式通訊的思想。設計一種可以用于 基于 CAN總線