摘要：從研究CAN2．OB總線規(guī)范入手，介紹了CAN總線規(guī)范的硬件基礎，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的通信協議，并給出了軟件設計流程，較好地解決了智能建筑監(jiān)控系統通信過程中的仲裁問題。
關鍵詞：智能建筑；CAN總線；通信協議；標識符

    現代智能建筑監(jiān)控系統廣泛采用了現場總線技術?，F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，結構簡單，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是現場總線技術中最成熟、最有發(fā)展前途的微處理器局域網絡。協議采用總線型拓撲結構，通過研究CAN2．0B協議規(guī)范，制定了符合智能建筑監(jiān)控系統的通信協議，并進行了通信節(jié)點軟件的設計。

1 基于CAN總線的智能建筑網絡拓撲結構
    CAN總線的智能建筑監(jiān)控系統拓撲結構，如圖1所示。該系統由3部分組成：上位機、CAN通信節(jié)點和各個現場智能設備組成。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。

    (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)控系統的管理和控制，是整個系統的中心。
    (2)CAN通信節(jié)點：各通信節(jié)點功能相同，主要完成把現場設備采集到的實時數據發(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)點的硬件由微處理器、CAN控制器SJAl000、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。
    (3)現場智能設備：由微處理器、和現場功能裝置等組成。完成檢測、報警、控制、顯示等功能。智能建筑監(jiān)控系統現場設備由照明、空調、電梯、安全監(jiān)控、消防監(jiān)控、給排水，配電等組成。

2 CAN總線通信協議的硬件基礎
    CAN總線協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的通信介質連接在一起。
    CAN總線規(guī)范定義了模型的最下面的兩層：物理層和數據鏈路層。CAN總線驅動器和通信介質則實現了物理層的主要功能。CAN總線控制器實現了總線協議中規(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，對總線上信號進行檢測，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)點同時進行發(fā)送時，必須通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(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最高級優(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的通信協議由CAN控制器完成，CAN控制器由實現CAN總線協議的部分和實現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協議。SJAl000以一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來實現這些功能，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可設置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，與CAN驅動器PCA82C250進行數據的接收和發(fā)送。

3 CAN的幀結構
    CAN協議規(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擴展幀的數據幀結構
    擴展幀的數據幀結構，如圖4所示。

    擴展幀的數據幀的主要結構有：
    (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?；綢D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位為保留位，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0～8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0～8 bit，第一個字節(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)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 通訊協議的制定
    在CAN的協議規(guī)范，規(guī)定了數據鏈路層和物理層，沒有規(guī)定應用層。所以用戶在設計通訊軟件時，必須首先設計合適的CAN總線通訊協議，才能完成數據準確可靠的傳輸?；谘芯緾AN2．OB規(guī)范的基礎上，采用自定義協議的方法，制定了智能建筑監(jiān)控系統的通信協議。通訊協議的制定主要包括以下3個步驟。
4．1 CAN總線網絡中信息傳輸類型
    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)點反饋的信息。
    (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．28～ID．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．22～ID．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，00001010—空調節(jié)點。
    (3)報文功能標識符(ID．14～ID．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)現場裝置地址標識符(ID．07～ID．00)。
4．3 組織各幀報文
    明確各節(jié)點發(fā)送的報文，對系統中各類控制信號和數據進行分類，填充各報文的數據域。

5 通信協議的軟件實現
    通信協議的軟件設計由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置、接收濾波方式設置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設置、波特率參數和中斷允許寄存器的設置等，完成初始化設置后，SJAl000進行正常的通信。
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
    接收數據采用中斷方式，主程序中應開放接受中斷，單片機響應接收中斷后讀出CAN控制器中SJAl000的接收緩沖區(qū)數據并保存，再清SJAl000的接收緩存器。

6 結束語
    通過研究CAN2．0B協議規(guī)范，對報文格式的分析和標識符的分配，設計出了基于CAN總線的智能建筑監(jiān)控系統的通信協議。協議具有實現簡單、通用性強、可靠性高，便于擴展等優(yōu)點，通過驗證，該協議有效地解決了智能建筑監(jiān)控系統多節(jié)點通信過程中的仲裁問題。