CAN總線在計算機遠程控制中的應用

邵丙新

摘要：文章介紹計算機通過CAN總線技術實現(xiàn)的計算機數(shù)據(jù)采集、溫濕度測量和控制技術，重點簡介CAN總線的特點、數(shù)據(jù)格式、報文和濾波器的設置。

關鍵詞：CAN總線；計算機遠程控制；設計應用

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和商品銷售中離不開信息技術，無論是分散式還是集中式生產(chǎn)經(jīng)營活動都需要信息的參與。大型企業(yè)的自動化生產(chǎn)技術和信息通信的結合得更加緊密。CAN總線技術以其可靠性高，抗干擾能力強，應用靈活、方便等特點得到廣泛的應用。本文介紹CAN在計算機遠程信息傳送和控制中的應用。

1 CAN總線技術概述

CAN（Controller Area Net）即控制器局域網(wǎng)是主要用于各種過程（設備）監(jiān)測及控制的一種網(wǎng)絡。CAN最初是則德國BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的。CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當多個節(jié)點同時向總線傳送數(shù)據(jù)時，它采用總線仲裁機制，高優(yōu)先級的節(jié)點優(yōu)先發(fā)送，優(yōu)先級低的節(jié)點停止發(fā)送，從而不免總線沖突。由于CAN具有卓越的特性極高的可靠性，特別適合于工業(yè)過程中監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視。

2 CAN總線報文和幀類型

2.1 CAN報文：CAN是以報文的形式傳輸信息的，報文包括ID號和數(shù)據(jù)場兩個部分，標準ID號是11位的，擴展ID號是29位，數(shù)字場可以是1-8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。報文以幀的形式傳輸。CAN的報文可以是一對一傳輸，也可以多對一或一對多的形式，這取決于CAN節(jié)點濾波器的設置。CAN總線中傳送的報文是以幀的形式出現(xiàn)的，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，即標準格式和擴展格式。兩者的區(qū)別是標識符（ID）長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍霭俗R符擴展位（IDE），指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 （ro），為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié)，其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查（CRC）。應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

2.2 CAN的幀結構和功能位的定義：

CAN有以下四種不同類型的幀：

（1）數(shù)據(jù)幀（DATA）：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)绞瞻l(fā)器。

（2）遠程幀（Remote）：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一標識的數(shù)據(jù)幀。

（3）錯誤幀（Error）：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。

（4）過載幀（Overload）：過載幀用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間提供附加的延時。

數(shù)據(jù)幀或遠程幀與前一個幀之間都會有一個間隔域，即幀間隔，作為一個幀的界定。數(shù)據(jù)幀和遠程幀可以使用標準幀及擴展幀兩種格式。

在報文傳輸時，不同的幀具有不同的傳輸結構，下面將分別介紹四種傳輸幀的結構，只有嚴格按照該結構進行幀的傳輸，才能被節(jié)點正確接收和發(fā)送。

2.2.1 CAN數(shù)據(jù)幀結構

數(shù)據(jù)幀是攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器的幀，是CAN的4種幀格式之一，這4種幀格式分別是數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。

數(shù)據(jù)幀的主要結構有：

（1）幀起始：幀起始（SOF）標志著數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，僅由一個“顯性”位組成。在CAN的同步規(guī)則中，當總線空閑時（處于隱性狀態(tài)），才允許站點開始發(fā)送（信號）。所有的站點必須同步于首先開始發(fā)送報文的站點的幀起始前沿（該方式稱為“硬同步”）。

（2）仲裁場：由11位標識符（ID10～ID0）和 遠程發(fā)送請求位（RTR）組成，RTR位為顯位表示數(shù)據(jù)幀，隱位表示遠程幀。標識符由高至低次序發(fā)送，且前7位 （ID10～ID4）不能全為隱性位，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(shù)值越小，表示優(yōu)先權越高，發(fā)生沖突時優(yōu)先發(fā)送。

（3）控制場：由6位構成，前2位為保留位，為顯性， 后4位為數(shù)據(jù)長度碼；（DLC），表示數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，必須在0～8范圍內(nèi)變化。

（4）數(shù)據(jù)場：由被發(fā)送數(shù)據(jù)組成，數(shù)目為控制場中決定的0～8個字節(jié)，第一個字節(jié)的最高位首先被發(fā)送。

（5）CRC場：包括CRC（循環(huán)冗余碼校驗）序列（15位）和CRC界定符（1個隱位），用于幀校驗。

（6）ACK場：由應答間隙和應答界定符組成，共兩位。

（7）幀結束：由7位隱性位組成，此期間無位填充。

2.2.2 CAN遠程幀結構

遠程幀也有標準格式和擴展格式，而且都由6個不同的位域組成：幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應答域、幀結尾。與數(shù)據(jù)幀相比，遠程幀的RTR位為隱性，沒有數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度編碼域可以是0～8個字節(jié)的任何值，這個值是遠程幀請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域長度。當具有相同仲裁域的數(shù)據(jù)幀和遠程幀同時發(fā)送時，由于數(shù)據(jù)幀的RTR位為顯性，所以數(shù)據(jù)幀獲得優(yōu)先。發(fā)送遠程幀的節(jié)點可以直接接收數(shù)據(jù)。

2.3 CAN 報文濾波器設置

CAN 報文濾波器是基于PHILIPS 公司CAN 控制器SJA1000 的PeliCAN 模式來進行設計的。SJA1000 的濾波器由4 組（4 字節(jié)）驗收代碼寄存器（ACR）和4 組（4 字節(jié)）驗收屏蔽寄存器（AMR）構成。ACR 的值是預設的驗收代碼值，AMR 值是用來表征相對應的ACR 值是否用作驗收濾波。

但是在SJA1000 的某些模式下，濾波器的某些寄存器沒有用到，為了使用方便，所以在配置軟件中使用的是直接ID號進行濾波設置和屏蔽，摒棄一些無關的內(nèi)容。

濾波的一般規(guī)則是：每一位驗收屏蔽分別對應每一位驗收代碼，當該位驗收屏蔽位為1的時候（即設為無關），接收的相應幀ID 位無論是否和相應的驗收代碼位相同均會表示為接收；但是當驗收屏蔽位為0 的時候（即設為相關），只有相應的幀ID 和相應的驗收代碼位值相同的情況才會表示為接收。并且只有在所有的位都表示為接收的時候，CAN 控制器才會接收該幀報文。

濾波的方式上又分“單濾波”和“ 雙濾波”兩種。并且在標準幀和擴展幀情況下濾波又略有不同。在配置軟件的“自定過濾屏蔽碼”的情況下開放濾波器所有功能。

3 總體設計

電路如圖3-1所示，計算機通過USB轉CAN將數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€，在總線上連接N個節(jié)點，每個節(jié)點都有一個唯一的ID號，并通過傳感器進行溫濕度的測量，其結果通過總線傳給計算機。計算機根據(jù)數(shù)據(jù)變化向節(jié)點發(fā)出指令，以實現(xiàn)溫濕度控制。根據(jù)CAN技術規(guī)范，節(jié)點數(shù)可達110個，有最大效傳輸距離能達到10000米。

4 結束語

多點數(shù)據(jù)的傳輸，在各點同時傳送時，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，使得網(wǎng)絡癱瘓，利用CAN總線技術，利用CAN的仲裁功能，能避免數(shù)據(jù)在傳輸中發(fā)生擁堵。同時，CAN總線糾錯能力強，傳輸距離遠，實時性好，抗干擾能力強，所以利用CAN總線技術實現(xiàn)計算機遠程控制是一個理想的方案。