基于CAN总线的学生宿舍报警系统设计(论文).doc

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1、摘 要本论文综述了火灾自动报警技术的历史以及国内外现状。根据火灾自动报警系统的实时性、可靠性、稳定性等要求，提出了一种基于CAN总线的火灾自动报警系统，并详尽的介绍了该系统的组成原理和构成。重点论述了CAN总线的规范，TMS320LF2407A DSP芯片中集成的CAN模块的通信技术，以及利用DSP芯片中集成的CAN邮箱进行通信的具体流程和核心程序。对于该系统的关键技术-CAN总线规范、TMS320LF2407A DSP的CAN邮箱通信技术，本论文作了系统、详尽的论述。在CAN总线规范介绍中，给出了CAN的简介、基本概念和具体规范。在TMS320LF2407A DSP芯片中集成的CAN模块通信

2、技术中，介绍了DSP中CAN模块的3个邮箱寄存器和15个控制器的寄存器，通过对寄存器的操作，实现CAN邮箱的初始化、信息的写入、发送、接收的整个流程，以及利用CAN总线通信对分布式控制网络实现点名和广播通信的原理与方法。另外，给出了CAN邮箱通信的核心程序。 关键词：火灾自动报警；CAN总线；TMS320LF2407A DSP。AbstractThis paper gives a comprehensive description of the fire automatic warning technology and the current situation internal and ex

3、ternal .A kind of fire automatic warning system based on the CAN bus is proposed according to the demand of stability ,reliability and real time property of fire automatic warning system,and also the thorough introduction of the systems constituent theory and construction.This paper is focused on th

4、e rule of the CAN bus,CAN modular communication technology integrated withTMS320LF2- 407A DSP chip ,as well as the detailed process and core program of the communication used CAN mail-box integrated with DSP chip.The systematic and detailed explication is given in this paper for the key technology o

5、f this system-the rule of CAN bus ,CAN mail-box communication technology TMS320LF2407A DSP.The CAN brief introduction ,basic definition and detailed rule is proposed in CAN bus rule introduction.In the CAN modular communication technology integrated with TMS320LF2407A DSP chip,we introduced 3 mail-b

6、ox registers and 15 controller registers of CAN module in DSP.Through the operation of registers ,we can realize the initialization of CAN mail-box ,the whole proceeding to write ,send and receive the information,as well as the principles and methods of realizing the rolling and broadcast communicat

7、ion for contributed control network with utilization of CAN bus communication.In addition ,the core program of CAN mail-box communication is also given in this paper.Key words: Fire Automatic arning；CAN Bus ；TMS320LF2407A DSP。IV基于CAN总线的学生宿舍报警系统设计目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 引言11.2 国内外火灾自动报警技术的现状11.3

8、国内外火灾自动报警技术的发展31.4 论文的课题背景及主要内容7第二章 CAN总线规范82.1 CAN总介绍82.1.1 基本概念82.1.2 产生与发展82.1.3 CAN总线优势102.1.4 CAN总线特点112.1.5 CAN总线技术介绍122.1.6 CAN的系统结构162.1.7 CAN节点的硬件结构162.1.8 CAN节点的软件结构172.2 CAN总结182.2.1 CAN总线分层结构182.2.2 CAN报文传送及总线上的位电平表示182.2.3 CAN总线报文的帧结构20第三章 CAN智能节点的电路设计313.1 CAN智能节点的硬件电路设计313.1.1 CAN总线接口

9、的硬件设计313.1.2 CAN总线接口的程序设计323.2 CAN收发器SN65HVD230353.2.1 主要特点及引脚功能353.2.2 工作模式373.3 CAN控制器TMS320LF2407A的DSP芯片393.3.1 DSP的CAN模块简介393.3.2 CAN控制器的自测试模式403.4 火灾探测器413.4.1 温度传感器DS18B20413.4.2 声光报警及语音报警模块413.4.3 烟雾检测模块423.4.4 人体检测模块423.5 CAN智能节点的软件设计42第四章 基于CAN总线的火灾自动报警系统454.1 系统总体方案的设计454.2 火灾报警系统的硬件设计464.

10、2.1 智能适配卡设计方案464.2.2 中继器电路设计474.3 本章小结48结 论49致 谢50参考文献51基于CAN总线的学生宿舍报警系统设计第一章 引言1.1 引言火灾报警系统是目前国内外火灾探测报警领域最受关注的研究方向之一。综合利用现代计算机技术(Computer)、现代控制技术(Control)、现代通信技术(Communication) 和现代图形显示技术(CRT)即4C 技术的火灾报警系统既能快速准确的探测出早期的真实的火灾信号，又能通过联动控制在一定范围内，及时消除火灾隐患，防患于未然，最大限度的降低了火灾造成的危害，保护人们的生命财产安全。随着社会经济的发展，建筑物的规模

11、日欲趋于大型化和一体化，火灾报警系统监控的范围也随之增大，这就要求系统具有更高的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线作为应用最广泛的现场总线技术之一，它的数据通信在可靠性、实时性和灵活性等方面有着突出的优点，针对有着极高可靠性要求的火灾报警系统，该总线系统是一种理想的报警信息传输模式。本文提出了一种基于CAN总线的复合式火灾报警系统。1.2 国内外火灾自动报警技术的现状 从第一个感温探测器面世，至今已有一百多年了。其低灵敏性和不兼容性，早已难以满足时下客户的要求。第二次世界大战后，光电和离子感烟探测器进入市场。这些新型灵敏度高的探测器在发展初期，已能够探测早期火警，难怪它们能以革命性姿态进军世界

12、消防保安行业。众所周知，火警时任何事都是分秒必争的。为此，生产商，甚至一些顾客，擅自调高探测器灵敏度，大大减低自动火灾报警系统可靠性，以至这些系统的“主要产品”被加上“误报”帽子，引起了很多连带问题。对现代消防技术的发展来说，这绝对是急需改善的。长期以来，大幅度地改善火灾探测器的可靠性，是客户的迫切要求和迅速扑来火警所不可或缺的。也是世界各国科学家努力研究的方向。随着科技的不断发展，更新的传感器、微型电子装置、数据处理及通讯设备等都正积极地寻找在火灾探测方面的新的突破。目前国内外专业界对其分类方法还存在一些差异，从探测器利用的原理可以分为四代：第一代 四线制式开关量探测器，这种探测器历史悠久，

13、目前依然有一定的市场；第二代 带地址编码的开关量探测器，这种探测器作为四线制探测器技术的延伸，是属于一种过渡性产品；第三代 集中智能模拟探测器，采用探测器主机的对话方式及自动编址等技术，为目前最为流行的产品；第四代 无线智能模拟探测器和空气采样分析探测器。目前这两种探测器已在少数工程应用之中，价格偏高，但安装方便，报警安全可靠，为未来应用的发展趋势。根据最新的技术资料，火灾探测系统应能满足以下要求：（1）大幅度提高探测可靠性；（2）极强的抗干扰能力；（3）最大系统可行性及易维修性；（4）专为火灾等危机而设的系统概念；（5）操作简单；（6）成本利益比例明显提高；（7）产品美观耐用。 二、火灾自动

14、报警系统的选型火灾自动报警系统的选型的依据： a.可靠性、可用性 b.稳定性 c.所采用技术的先进性 d.性价比 e.系统扩展性火灾自动报警系统的可靠性和可用性是使用户真正受惠的两项先决条件，所以在选型过程中，以满足最高性能和价格比的前提下，尽量提高系统的可靠性和可用性是所有建设单位、设计单位、施工单位、使用人员的共同的追求。下面探讨火灾探测器和传输线路这二方面的选型要素及其对整个系统的影响。1.3 国内外火灾自动报警技术的发展 火灾自动探测报警技术这些年发展很快,技术上的更新变化也非常明显,总体来看,主要的发展变化是:数字技术和新工艺、新材料的应用,改进了系统能力和减少维护要求, 向着高可靠

15、、低误报和网络化、智能化方向发展。如德国等欧洲发达国家的城市火灾探测系统的网络化。1硬件技术 硬件技术上的总体趋向是发展超薄技术。减小硬件体积,在小型化的同时,可降低功耗和成本,增大系统容量,并朝高可靠、多功能、抗电磁干扰和结实耐用方向发展,使系统更加易安装、易维护和易使用。2软件技术这里主要涉及到两个关键技术。在报警传输协议上,国外普遍采用数字通信传输协议,能增加信息的传输量,减少数据讹误,增强抗干扰性。另一关键技术是信息处理技术,它包括信号处理算法,程序和执行软件等。其目的是区分真假火灾现象,是火灾报警技术研究的重点环节,发达国家已普遍采用神经模糊算软件,以提高可靠性,减少误报率。我国在这

16、方面的研究也取得了很大进展,理论上已趋于成熟。3探测技术（1）感烟探测器是使用最广泛的一种探测器据统计各种感烟探测器在国外市场上的销售和使用量约占火灾探测器总量的70%80%。其中主要是单一火灾探测原理的点型离子感烟和光电感烟探测器,且光电感烟探测器的用量越来越大于离子感烟探测器。有数字说,在日本离子感烟探测器只占市场份额的3%弱,光电感烟则占97%以上,成为主导产品,这要是出于环保的原因,离子感烟的原料镅-241等,属于放射性元素。因此在国际市场上离子感烟探测器正在逐步缩小份额,预计会退出市场,而由光电及其它新型探测器的出现来取代。吸气式感烟探测器,在20世纪50年代开始出现,但并没有得到广

17、泛认可。最近,欧洲出现了甚高灵敏度的吸气式探测器,由于还没有适宜的标准, 应用上不很理想,鉴于此,英国消防系统协会根据经验制订了一个指导性的实用规范,使其在特殊应用探测方向的广阔前景成为可能。目前欧洲正在制订相关的欧洲标准。这种探测器尤其适宜于隐蔽空间,人员无法进行维护的场所,如高压室、密封室、屏蔽室等。 另外,红外光束线型感烟探测器在国外发展较快,相关的技术规范使其在应用得以推广。欧美还很重视家用感烟报警器的应用研究,出现了很多产品,使用也越来越多,主要的技术趋向是早期探测,即在火灾发生的初期萌芽阶段,就能够发现火灾,超早报警。（2）感温探测技术 近些年,感温技术在探测原理、方式上没有大的突

18、破,出现的新技术是线型感温探测技术,欧洲已经出现了对可选择的探测热源精度在1米之内的新一代感温电缆; 光纤线型感温技术也取得了突出的进步, 英国标准学会已提出了新标准的草案,欧洲可能也要为新产品的出现重新起草标准。线型感温探测器在我国已能生产并投入应用,主要适宜于电缆管井、配电装置、货架仓库、管道线栈、冷藏及市政设施、桥梁、港口等。光纤温度探测系统也已进入我国市场, 并在扬子、长江三峡等大型项目中得到应用, 但尚无自己的产品。（3）火焰探测技术 火焰自动探测技术主要是用于工业、国防等领域的防火、防爆上。国外新出现的体型火焰探测技术,是该领域的一大突破。它是采用红外摄像监视燃烧的烟、温、气体和火

19、焰在空间的分布。美国将其称为机械图像探测技术。它优越于点型和线型火灾探测技术,是最为直观、确切的, 可广泛用于火焰监视、火灾探测上,必将成为今后发展的重点。（4）气体探测技术对于物质燃烧初期产生的烟、气体或易燃易爆场所泄漏的可燃气体的探测, 可使我们及时发现或预防火灾和爆炸的发生。国际上以CO 探测技术发展最快。理论上认为,火灾中的燃烧, 不论是多么充分的燃烧,都会产生CO,因此,CO探测也是火灾探测的一个途径。目前常用的CO 探测方法有四种: 比色分析法、半导体法、电化学法和吸光法。国外由于家庭市场的发展比较快, 因此以家用为主的电池电源的比色分析法CO探测器和采用干线电源的半导体CO 探测

20、器销量很大,占主导。目前此类产品需解决的主要问题是降低成本、延长寿命,以促进其普及。3. 5其它火灾探测技术静电探测技术, 通过探测燃烧生成离子的电荷或电荷极性来发现火灾。对无烟火和有机溶剂火灾特别灵敏,一般将其作为离子和光电感烟探的一个补充手段。燃烧声波探测技术, 国外科学家在研究中发现, 任何燃烧现象中都包含可闻声、超声波和超低频声波, 其中0. 05 Hz3 Hz 频率的超低音频段可作为燃烧声波的探测源使用。这项研究日本发展的很快, 据说已经有相关产品出现。复合式探测技术, 是在同一时间段内同时对火灾过程中的烟雾、温度等多个参数进行探测和综合数据处理, 分析判断确认火灾。即由光电感烟传感

21、器与其它传感器, 如感温传感器、离子传感器、CO 传感器等复合的多判据传感器探测器它兼顾了火灾探测的可靠性和报警及时性, 代表了探测器的发展方向, 发展十分迅速, 特别是在欧洲和美国使用越来越多。国内也正在做开发应用的研究工作。4报警传输技术（1）线缆传输欧洲在1988 年就把PVC( 聚氯乙烯) 电缆列入淘汰对象, M ICC( 无机绝缘铜包层电缆) 的使用也正在减少, 趋于淘汰。目前使用的替代电缆具有成本低、耐火性能好、无毒性的优点。英国正在对火灾探测系统用的各种电缆的耐火性能进行全面检查,并专门制订了一个新的电缆规范,开发适宜的耐火电缆。另一个趋势是光缆的应用可能会越来越广泛。它的优点是

22、不存在EMC (电磁兼容性)和RFI (射频干扰)的问题, 尤其是适于长距离传输,其信号损失的危险性最小。但目前尚需改进电缆的连接技术, 以减少接点信号损失,并要在降低成本上下一番功夫。（2）无线传输近两年,在普遍采用硬连线的同时, 无线火灾自动报警传输技术已开始大量涌现,以欧洲发展最快, 其频点多选用146、16 和182 MHz。主要应用于医院、古建筑和机场、综合建筑、体育场、展览中心、旅馆等规模较大、干扰较小的建筑,以及一些必要设置的临时建筑,它的好处是:便于安装、对建筑的损坏小、经济、便于与原有系统集成且容易扩展, 系统设计简单且可完全寻址, 便于网络化设计。市场前景非常好。5报警联动

23、技术报警联动包含两个方面: 一方面是火灾自动报警供电电缆的保护根据NFPA 统计,1997 年大约发生了552 000 起建筑物火灾, 其中大约5500 起由供电电缆产生的电弧引发。这里所说电弧和电焊机的电弧系统之间的联动或互联, 即网络化, 国外已开始普遍实行, 是今后发展方向; 另一方面是报警系统与非火灾报警系统之间的联动或互联,如与防盗系统,防排烟系统等的联动。国外火灾报警系统的最新发展趋势, 是以火灾报警系统为代表的消防安全系统与防盗安全系统实现联动, 以实现对生命财产的安全保护。发展出的最现实的技术就是体型探测技术, 它能很好的兼容防火与防盗两个方面, 很有发展前景。6报警控制技术在

24、报警控制技术上, 国内外市场上都以智能型火灾报警控制器为主流。智能型报警系统从结构型式上有三种类型: 分散智能型、集中智能型和分布智能型。分散智能型的探测器为智能型探测器, 而控制器仅接收探测器传来的信息, 不参与火灾判断。系统中控制器为被动, 探测器是主动的。集中智能型的探测器实际上只是传感器, 仅是将火灾现场探测到的烟雾、温度等火灾参数不断地传送给控制器( 即系统主机) , 由控制器内置的应用软件对这些火灾参数进行综合智能处理,判断是否发生火灾。系统的关键在控制器, 也称为主机智能型。目前我国的智能系统绝大多数即属于集中智能系统。当建筑规模庞大时,由于探测器和消防设备数目众多, 系统主机会

25、出现应用软件复杂庞大、探测器巡检周期过长、火灾监控系统可靠性降低和使用维护不便等缺点。分布智能型实质上是主机智能与探测器智能两者结合, 也称全智能系统。即探测器与控制器均为智能型, 分别承担不同的职能, 具体讲: 将对火灾信息的基本处理、环境补偿、探头报脏和故障判断等功能返还给探测器, 使控制器能从容实现上级管理功能, 如系统巡检、火灾参数算法运算、消防设备监控、联网通信等, 提高了系统巡检速度、稳定性和可靠性。全智能系统在欧、美发展很快, 将成为今后发展方向。我国也正在开发基本上属于分布智能型的火灾报警系统。1.4 论文的课题背景及主要内容根据资料分析，现如今在学校的寝室里，学生贵重物品被盗

26、、由于学生过失而引起着火等事故时有发生，这些都是一直以来困扰着学生、学工以及学校保卫处的“大问题”。传统的防范措施存在很大的弊端，比如当事故发生时，防护铁门、铁栏杆就会成为主人逃生的最大障碍。而采用智能防火防盗报警系统，便能很好地解决此类问题了。但是市场上防火防盗系统价格对大学生来讲过高，本系统便是针对大学宿舍，从低成本的角度来设计制作的。学生宿舍报警系统是以火灾为监控对象，研究总线协议，采用can总线实现网络报警。采集20路火警、盗警信息。接警中心要有报警信息点指示。宿舍中采用热释电传感器对人体进行检测，烟雾传感器实现烟火检测，主机通过CAN总线对从机实时监控，当有异常出现时，宿舍和监控室的

27、报警装置会同时响起，只有本宿舍成员在本宿舍成员在本宿舍通过按键才可解除报警状态。第二章 CAN总线规范2.1 CAN总介绍2.1.1 基本概念CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的C

28、AN通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议1。现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。2.1.2 产生与发展控制器局部网（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备

29、、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在中国迅速普及推广。 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将5C技术-COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和 CHANGE（转换技术）紧密结合的产

30、物2。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格必将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN

31、（CONTROLLER AERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年9月PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION 2.0）。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能提供11位地址；而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范

32、化推广铺平了道路。2.1.3 CAN总线优势CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性： 1.网络各节点之间的数据通信实时性强首先，CAN控制器工作于多种方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据3，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高

33、系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差； 2.缩短了开发周期CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线

34、处于“死锁”状态。而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。3.已形成国际标准的现场总线另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。4.最有前途的现场总线之一CAN 即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到

35、人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLLS-ROYCE（劳斯莱斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANae

36、rospace、DeviceNet、NMEA 2000等。 2.1.4 CAN总线特点CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。 1.完成对通信数据的成帧处理CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。使网络内的节点个数在理论上不受限制。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的

37、优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。2.可在各节点之

38、间实现自由通信CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点4。CAN总线上任意节点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次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯5。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。3.结构简单只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。 2.1.5 CAN总线技术介绍1.位仲裁要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高

39、的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。一个快速变化的物理量，如汽车引擎负载，将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。 CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。当几个站同时发送报文时，站1的报文标识符为011111；站2的报文标识符为0100110；站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报

40、文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢失。注意，总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中，站2的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权 报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放

41、在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信，包括总线读取（许可）控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。 2.CAN与其它通信方案的比较在实践中，有两种重要的总线分配方法：按时间表分配和按需要分配。在第一种方法中，不管每个节点是否申请总线，都对每个节点按最大期间分配。由此，总线可被分配给每个站并且是唯一的站，而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。这将保证在总线存取时有明确的总线分配。在第二种方法中，总线按传送数据的基本要求分配给一个站，总线系统按站希望的传送分配（如：E

42、thernet CSMA/CD）。因此，当多个站同时请求总线存取时，总线将终止所有站的请求，这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。 CAN实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ethernet网络的消息仲裁，CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足，所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在CSMA/CD这样的网络中，如

43、Ethernet，系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在CAN中不会发生。 3.CAN数据帧的组成（1）远程帧远程帧由6个场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧不存在数据场。远程帧的RTR位必须是隐位。DLC的数据值是独立的，它可以是08中的任何数值，为对应数据帧的数据长度。（2）出错帧出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是出错界定符。错误标志具有两种形式：活动错误标志（Active error flag），由6个连续的显位组成；认可错误标志（Passive error flag），由6个连续的隐位组成；出错界定符包括8个隐位。（3）超

44、载帧超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。发送超载帧的超载条件： 要求延迟下一个数据帧或远程帧； 在间歇场检测到显位； 超载标志由6个显位组成； 超载界定符由8个隐位组成。4.数据错误检测不同于其它总线，CAN协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。（1）循环冗余检查（CRC)在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否有错。（2）帧检查这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误。（3）应答错误如前所述，被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确

45、认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。（4）总线检测有时，CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。（5）位填充一帧报文中的每一位都由不归零码表示，可保证位编码的最大效率。然而，如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。为保证同步，同步沿用位填充产生。在五个连续相等位后，发送站自动插入一个与之互补的补码位；接收时，这个填充位被自动丢掉。例如，五个连续的低电平位后，CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错

46、误，如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。如果至少有一个站通过以上方法探测到 一个或多个错误，它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文，并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。作为规则，在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合，系统的恢复时间为31个位周期。但这种方法存在一个问题，即一个发生错误的站将导致所有数据被终止，其中也包括正确的数据。因此,如果不采取自监测措施，总线系统应采用模块化设计。为此，CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部站失败中区别出来的办法。这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一

47、个站本身的错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现，即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。5.硬同步和重同步硬同步只有在总线空闲状态条件下隐形位到显性位的跳变沿发生时才进行，表明报文传输开始。在硬同步之后，位时间计数器随同步段重新开始计数。硬同步强行将已发生的跳变沿置于重新开始的位时间同步段内。根据同步规则，如果某一位时间内已有一个硬同步出现，该位时间内将不会发生再同步。再同步可能导致相位缓冲段1被延长或相位缓冲段2被短。这两个相位缓冲段的延长时间或缩短时间上限由再同步跳转宽度（SJW）给定。 2.1.6 CAN的系统结构CAN总线采用多主方式工作

48、，其控制系统由计算机和智能节点组成。该系统最大的特点就是所有的节点（包括上位PC机）都能以平等的地位挂接在总线上。一个CAN总线节点通常至少包括三个部分，即负责节点任务控制的单片机、CAN总线控制器以及CAN总线收发器。CAN通讯系统结构图如图2-1所示。图2-1 CAN通讯系统结构图2.1.7 CAN节点的硬件结构CAN节点的电路原理简图如图2-2所示。该电路的三个核心器件是单片机、独立的CAN总线控制器SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250。其中SJA1000和PCA82C250两者的组合应用非常普遍。图2-2 CAN节点的硬件电路原理图SJA1000作为单片机的片外扩展芯片，其片选引脚CS应接在单片机的P2.0上，用来决定CAN控制器各寄存器的地址。SJA1000通过CA