Ｉ 匐 似 ＣＡＮ总线技术及其应用 ＣＡＮ ｂｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 韩成浩 ，高晓红’ ＨＡＮ Ｃｈｅｎｇ．ｈａｏ１－一．ＧＡＯ Ｘｉａｏ．ｈｏｎｇ１ （１．吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，长春１３００２１；２．吉林大学机械科学与工程学院，长春１３００２２） 摘要：ＣＡＮ总线技术是较实用的现场总线技术。文中分析了ＣＡＮ总线控制器和驱动器的内部结构 和工作原理，介绍了ＣＡＮ总线技术在智能小区单元门禁控制系统设计中的应用，重点阐述了 ＣＡＮ总线的硬件电路设计和ＳｄＡ１ ０００总线控制器的初始化和接收、发送报文的软件设计。 关键词：ＣＡＮ总线技术；仲裁机制；报文传输；ＳＵＡ１ ０００控制器 中图分类号．ＴＰ２１１＋．５ 文献标识码Ａ 文章编号．１ ００９－０１ ３４（２ｏｉ ０）０２－０１４６－０４ ０引言 １９８６年德国最大的工业企业之一Ｒｏｂｅｒ Ｂｏｓｃｈ 公司首次提出了应用于汽车内各种传感器和执行器 之间相互通信的ＣＡＮ总线（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）技术以来，以其可靠性、实时性和灵活性 强的特点，得到了诸多汽车开发商的青睐。本文介 绍了ＣＡＮ总线的通信协议，分析了ＣＡＮ总线控制 器ＳＪＡ１０００和驱动器ＰＣＡ８２Ｃ２５０的内部结构和工作 原理，主要阐述了ＣＡＮ总线技术在智能小区门禁控 制系统中的应用。 时间ｔ １ ＣＡＮ总线的特点 图１ ＣＡＮ总线的位数值传输方式 １．１ ＣＡＮ总线的位数值表示与通信距离 ＣＡＮ总线协议是建立在国际标准组织的开放系 统ＯＳＩ ７层互连参考模型基础之上的。其模型结构 只有３层，即只取ＯＳＩ底层的物理层、数据链层和 １．２报文传输 ＣＡＮ技术的报文传输为多主方式工作，网络上 任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点 发送信息，而不分主从。ＣＡＮ节点只需通过对报文 的标示符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局 应用层，保证了节点间无差错的数据传输。 ＣＡＮ总线上用“显性”（Ｄｏｍｉｎａｎｔ）和“隐性” （Ｒｅｃｅｓｓｉｖｅ）两个互补的逻辑值表示“０”和“１”。如 图１所示，ＶＣＮＡ—Ｈ和ＶＣＡＮ—Ｌ为ＣＡＮ总线收发器 与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差 分”电压形式出现。在隐性状态，ＶＣＮＡ—Ｈ和ＶＣＡＮ— Ｌ被固定在平均电压电平附近，Ｖｄｉｆ近似于０。显性 广播等几种方式发送、接收数据。 ＣＡＮ总线的数据传输（报文传输）采用帧格式。 按帧格式的不同，分为含有１１位标识符的标准帧和 含有２９位标识符的扩展帧。ＣＡＮ总线的帧类型分为 数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。 位以大于最小阀值的差分电压表示Ⅲ。ＣＡＮ总线的 １．３仲裁（Ａｒｂｉｔｒａｔｉｏｎ） 只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报 文。如果两个或两个以上节点同时开始传送报文， 通信距离最远可达１０Ｋｉｎ（位速率为５ ｋｂｐｓ），通信速 率最快可达１Ｍｂｐｓ（此时最长通信距离为４０ｍ）。 收稿日期：２００９—０７－２２ 基金项目：建设部科研计划资助项目（２００７．Ｋ９—３４） 作者简介：韩成浩（１９７２一），男，吉林图们人，副教授，硕士，研究方向为信息采集和处理技术及智能控制。 ［１４６１ 第３２卷第２期２０１０—２ 务Ｉ 那么就会有总线访问冲突。通过使用标识符的逐位 仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保了报文和 时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程 化 的报文，才能被保存在接收缓冲器中。 位流处理器（ＢＳＰ）是一个控制发送缓冲器、接 收ＦＩＦＯ和ＣＡＮ总线之间数据流的程序装置。它还 执行总线上的错误检测、仲载、总线填充和错误处 帧同时发送时，数据帧优先于远程帧 。在仲裁期间， 每一个发送器都对总线进行监测，如果发送和接收 电平相同，则该节点可以继续发送报文。比如发送的 是一“隐性”电平，而监视到的是一“显性”电平， 理。位时序逻辑（ＢＴＬ）监视串行的ＣＡＮ总线和位 时序。它在信息开头“弱势支配”的总线传输时，同 步ＣＡＮ总线位流（硬同步），接收报文时再次同步 那么这个节点就失去了仲裁，必须退出发送状态。 ２ ＣＡＮ总线控制器和驱动器 ２．１ ＣＡＮ总线控制器ＳＪＡ１０００的内部结构 ＣＡＮ总线控制器主要保证数据链路层和物理层 的通信质量。ＳＪＡ１０ｏ０是一种独立的ＣＡＮ总线控制 器。ＳＪＡ１０００的内部结构如图２所示。 控制总线 接口管理逻辑 ８位地址／ 数据总线 内部总线 报文缓冲器 ＴＸＯ 位流 位时序 ＴＸ１ ｌ发送 处理 逻辑 ＲＸＯ 缓冲器 器 ＲＸ１ ｌＩ缓冲器ｌ磊］ 验收 错误管 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿’Ｊ 滤波器 理逻辑 图２ ＳＪＡ１０００内部结构图 各功能模块的作用如下： 接口管理逻辑（ＩＭＬ）负责解释来自ＣＰＵ的命 令，控制ＣＡＮ寄存器的寻址，向主控制器（ＣＰＵ） 提供中断信息和状态信息。发送缓冲器（ＴＸＢ）是 ＣＰＵ和位流处理器（ＢＳＰ）之间的接口，负责存储 发送到ＣＡＮ总线上的一条完整的报文。发送缓冲器 的长度为１３个字节，由ＣＰＵ写入、位流处理器读出。 接收缓冲器（ＲＸＢ、长度为１３个字节）是验收 滤波器和ＣＰＵ之间的接口，用来存储从ＣＡＮ总线 上接收并被确认的信息。作为接收ＦＩＦＯ（ＲＸＦＩＦＯ， 长度为６４字节）的一个窗口，接收缓冲器可被ＣＰＵ 访问。ＣＰＵ在接收ＦＩＦＯ的支持下，可以在处理一条 报文的同时接收其他报文。 验收滤波器（ＡＣＦ）将一条接收到的报文标识 码与验收滤波器中的预设值相比较，以决定是否接 收这条报文口】。在纯粹的接收测试中，所有的报文都 保存在接收ＦＩＦＯ中，但只有验收滤波通过且无差错 下一次传送（软同步）。 错误管理逻辑（ＥＭＬ）负责限制传输层模块的错 误。它接收来自位流处理器的出错报告，然后把有关 错误统计告诉位流处理器和接口管理逻辑（ＩＭＬ）。 ２．２ ＳＪＡ１０００的内部寄存器 ＳＪＡ１０００有两种工作模式，即ＢａｓｉｃＣＡＮ模式和 ＰｅｌｉＣＡＮ模式。在这两种模式中，ＳＪＡ１０００寄存器 从数量、地址分配到功能等方面都有所区别。 ＳＪＡ１０００在复位状态下的默认模式为ＢａｓｉｃＣＡＮ模 式。ＣＡＮ控制器在两种模式中又都有两种状态模式， 分别称为操作模式和复位模式。处在这两种不同状 态的模式中，对寄存器的访问操作功能是不同的。 ＳＪＡ１０００的控制寄存器、命令寄存器、状态寄 存器、发送缓冲器（均为８位）等各种寄存器分配 在０～３１地址单元中。设置各寄存器中的参数可实 现不同的操作功能Ｈ】。 ２．３ ＣＡＮ总线驱动器ＰＣＡ８２Ｃ２５０ 总线驱动器ＰＣＡ８２Ｃ２５０是ＣＡＮ控制器与物理 总线之间的接口。该器件对总线提供了差动发送能 力，同时对ＣＡＮ控制器提供了差动接收能力。它可 以用高达１Ｍｂｐｓ的位速率在两条有差动电压的总线 上传输数据，总线可连接ｌ １０个节点。总线驱动器 ＰＣＡ８２Ｃ２５０的功能参如图３所示。 图３ ＰＣＡ８２Ｃ２５０的功能框图 图３中，引脚８（Ｒｓ）用于选定ＰＣＡ８２Ｃ２５０的 第３２卷第２期２０１０—２ １１４７１ １ 工作模式。ＰＣＡ８２Ｃ２５０的工作模式有３种，即高速 模式、斜率控制模式和待机模式。对于高速工作模 式，发送器的输出级晶体管尽可能快速启动和关闭。 在这种模式下，不采取任何措施限制上升和下降的 勺 化 要。ＳＪＡ１０００的初始化只有在复位模式下才能进行， 初始化的关键是设置ＳＪＡ１０００内部寄存器的参数。 其包括：设置工作方式、设置接收滤波方式，设置 斜率。采用斜率控制模式（Ｓｌｏｐｅ Ｃｏｎｔｒｏ１），可降低 射频干扰。 接收屏蔽寄存器（ＡＭＲ）和接收代码寄存器（ＡＣＲ）、 设置波特率参数和中断允许寄存器（ＩＥＲ）等。在完 成ＳＪＡ１０００的初始化设置以后，返回工作状态，进 辩３ ＣＡＮ总线技术应用设计 行报文的发送和接收通信。图５为ＳＪＡ１０００的初始 化程序流程图。 ３．１硬件电路设计 初始化 利用ＣＡＮ总线技术实现了智能小区单元门禁控 开始 设置总线定时寄存器 制器和小区保安部门之间数据的快速、准确传递，提 高了小区智能化管理水平。图４为小区单元门禁控制 关闭ＳＩＡ１０００ 器的ＣＡＮ总线通信部分电路。值得注意的是控制器 所有中断源 设置输出控制寄存器 ＡＴ８９Ｓ５２为高电平复位，而ＳＪＡ１０００为低电平复位。 为了增强ＣＡＮ总线各节点的抗干扰能力， ＳＪＡ１０００的ＴＸ０、ＲＸ０和ＰＣＡ８２Ｃ２５０之间设置光电 耦合器ＴＬＰ５２１－２（即图４中的Ｕ３），实现了ＣＡＮ总 线上各用户之间的电气隔离。同时，两根总线与地 之间分别接了一个防雷击管Ｐ６ＫＥ６．８，当两输入端 与地之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可 墅 盼 是 起到一定的保护作用ｆ５ 。 入栅 式一 豁 １．设置时钟分频寄存器 ２选择Ｂａｓｉ” ｃＣＡＮ模式 打开ＳＪＡ１０００ 另外，ＰＣＡ８２Ｃ２５０的ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ之间接 或ＰｅｌｉＣＡＮ模式 所有中断源和 单片机的外部中断０ ｌ２０Ｑ阻抗匹配电阻是非常必要，否则会影响总线的 数据传输距离和传输质量。 设置接收屏蔽寄存器 设黄接收代码寄存器 初始化 ３．２ ＣＡＮ总线的软件设计 结束 ＣＡＮ总线技术的软件设计主要包括：ＣＡＮ总线 图５ ＳＪＡ１０００初始化程序流程 控制器的初始化、报文发送和报文接收。ＳＪＡ１０００总 发送报文子程序负责完成报文的发送。发送时 ＼ 线控制器的初始化对ＣＡＮ总线的正常工作非常重 式一 用户只需将待发送的报文按特定格式组合成一帧报 ／ ＋ＳＶ ＋ｊⅦ ＋ｊｖ Ｔ 鼬 ｊ００ ｔ，３ ｎ Ｒ５ 啪 Ｄ２ 瞵＿８ 图４ ＣＡＮ总线硬件电路设计 ［１４８１ 第３２卷第２期２０１０—２ 习竺 羹图７接收报文程序流程图 图６发送报文程序流程图 信方式，保证了报文传输的可靠性、准确性、快速 文，送入ＳＪＡ１０００发送缓存区中，然后启动ＳＪＡ１０ｏ０ 性和实时性。正因为如此，国外很多公司生产的控 制芯片内置ＣＡＮ总线控制器（如：Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生产 的发送位，即可发送报文。以查询方式发送报文的 程序流程如图６所示。 的Ｐ８ｘＣ５９１、Ａｔｍｅｌ公司生产的ＡＴ９０ＣＡＮ１２８等器 接收报文子程序负责完成报文的接收以及其他 件），方便了用户的使用，缩短了开发周期。 情况处理。接收子程序比发送子程 参考文献： 序要复杂一些，因为在处理接收报文的过程中， ［１］甘永梅，李庆丰等．现场总线技术及其应用［ＭＩ．北京：机械 同时要对总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进 工业出版社，２００５． 行处理。图７为以查询方式接收报文的程序流程图。 ［２］饶运涛，邹继军等．现场总线ＣＡＮ原理与应用技术【Ｍ】．北 京：北京航空航天大学出版社，２００４． ４结论 ［３】姜幼卿，左国华等．基于ＣＡＮ总线的温室自动控制系统的 通信设计［Ｊ］＿仪表技术与传感器．２００５（４）：６０・６２． ＣＡＮ总线技术是较实用的现场总线技术，该总 【４】邬宽明．现场总线技术应用选编（１）【Ｍ】．北京：北京航空航 线以ＣＡＮ总线控制器和驱动器为硬件基础，采用了 天大学出版社，２００３． 开放式仲裁机制和“隐性”、“显性”位信号差分通 【５］张毅刚．单片机原理及应用［Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００７． 蠢‘ ｋ 如‘ 兜Ｉ 靠‘｛岛‘ 岛‘ 量‘ 靠● ‘． 岛‘ 蠢‘ 岛‘ 矗‘ 岛‘． ‘． 岛‘ 岛‘ 蠢● 盎● 岛● 蠢● 岛Ｉ 【上接第８８页ｌ 佳路径搜索方法，该算法能在较复杂障碍物环境情 径规划【Ｊ】．控制与决策，２００４，ｌ９（２）：１６８—１７０． 况下有效的绕开障碍物规划出一条最优全局路径， 【４］Ｍ Ｄｏｒｉｇｏ，Ｇ Ｄｉ Ｃａｒｏ．Ａｎｔ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｄｉｓｃｒｅａｔ Ｏｐｅｔｉｍｉｚａ－ 该方法过程简单，容易实现，并通过仿真实验验证 ｄｏｎ［Ｊ］．Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｌｉｆｅ，２００７，（５）：１３７－１７２． 【５】陈雄，袁杨．一种机器人路径规划的蚁群算法［Ｊ］．系统工程 了该算法的有效性。 与电子技术，２００８，３０（５）：９５２．９５５． 参考文献： 【６】Ｎ．Ｍｅｕｌｅａｕａｎｄ，Ｍ．Ｄｏｆｉｇｏ．ＡｎｉｃｏｌｏｎｙｏＰｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｔｏｅｈａｓ— ｔｉｅｇｒａｄｉｅｎｔｄｅｓｃｅｎｔ［Ｊ１．Ａｒｔｉｆ．Ｌｉｆｅ，２００２，８（２）：１０３－１２１． 【１】曲道奎，杜振军，徐殿国．移动机器人路径规划方法研究［Ｊ］． 【７】Ｄｕａｎ Ｈ Ｂ，Ｗａｎｇ Ｄ Ｂ，Ｚｈｕ Ｊ Ｑ．Ａｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎｔ 机器人，２００８，３０（２）：９７—１０６． ｃｏｌｏｎｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｓｏｌｖｉｎｇ ｉｌ１．ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ［２】Ｔａｍｂａ，Ｔｕａ Ａｇｕｓｔｉｎｕｓ，Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ Ｃｏｎｔｒ—ｏｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｒｅｆｌｅｘｉｖｅ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｏｆ Ｍｏｖｉｎｇ Ｏｂｓｔａｃｌｅｓ【Ｊ】．Ａｄｖａｎｃｅｄ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００５，１６（３）：６０６－６１０． Ｒｏｂｏｆｉ—ＣＳ，２００８，２２（４）：１３—１６． ［８】张勇德，黄莎白．多目标优化问题的蚁群算法研究［Ｊ】．控制 【３】樊晓平，罗熊．复杂环境下基于蚁群优化算法的机器人路 与决策，２００５，２０（２）：１ ７０—１７３． 第３２卷第２期２０１０－２ ［１４ｇｌ