畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于can總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 報(bào)文過(guò)濾。同一個(gè)報(bào)文可以發(fā)送給特定的站點(diǎn)或許多站點(diǎn)，就看你怎樣去設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。 CAN 總線協(xié)議 另外一個(gè)有用的特性是 一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以主動(dòng)要求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。這種特性叫做遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求（ RTR）。和上面不同之處在于，節(jié)點(diǎn)并不等待信息的到來(lái)，而是主動(dòng)去索取。設(shè)計(jì)人員就可以利用這一遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求特性來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信量，同時(shí)維持整個(gè)系統(tǒng)的完整性。 基于報(bào)文的這種協(xié)議另外一個(gè)好處是新的節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)方便地加入到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，而不需對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新編程以便它們能識(shí)別這一新節(jié)點(diǎn)。一旦新節(jié)點(diǎn) 加入到網(wǎng)絡(luò)中，它就開始接收信息，判別信息標(biāo)識(shí)，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(bào)文（或叫幀）用于總線通信。第一種也是最常用的是數(shù)據(jù)幀，用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送信息到其它任一或所有節(jié)點(diǎn)；第二種叫遠(yuǎn)程幀，基本上是一個(gè)數(shù)據(jù)幀但其中的 RTR 位被置 1，表明這是一個(gè)遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求，用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)要求其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；另外兩種用于差錯(cuò)處理，分別叫做錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀。如果節(jié)點(diǎn)在接收過(guò)程中檢測(cè)到任一在 CAN 總線協(xié)議中定義了的錯(cuò)誤信息，它就會(huì)發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤幀，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)正忙于處理接收的信息，需要額外的等待時(shí)間接收下 一報(bào)文時(shí)，可以發(fā)送過(guò)載幀，通知其它節(jié)點(diǎn)暫緩發(fā)送新報(bào)文。 CANbus 的 特征 （ 1） CAN 總線有如下基本特點(diǎn) ： ① 廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作； ② 采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突； ③ 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短； ④ 每幀數(shù)據(jù)都有 CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽?性，適于在高干擾環(huán)境下使用； ⑤ 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響； ⑥ 可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。 （ 2） CAN 總線的優(yōu)點(diǎn) ： 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 52 頁(yè) ① 具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)； ② 采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作； ③ 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò) CAN 控制器掛到 CANbus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)； ④ 可根據(jù)報(bào)文的 ID 決定接收或屏蔽該報(bào)文； ⑤ 可靠的錯(cuò)誤處理和檢 錯(cuò)機(jī)制； ⑥ 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)； ⑦ 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能； ⑧ 報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。 CAN 協(xié)議簡(jiǎn)介 CAN 協(xié)議的分層結(jié)構(gòu) CAN 協(xié)議分為三層 ： 目標(biāo)層、傳輸層和物理層 [6]。主要對(duì)應(yīng)于 ISO(Intermational Standard Organizantion，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 )的 OSI(Open System Interconnertion，開放系統(tǒng)互連 )七層模型中數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問(wèn)控制 子層以及物理層的物理信號(hào)部分。目標(biāo)層和傳輸層包含所有由 ISO/OSI 模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)和功能。由于 CAN 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又是范圍較小的局域網(wǎng)，因此不需要其他中間層，應(yīng)用層數(shù)據(jù)直接取自數(shù)據(jù)鏈路層或直接向鏈路層寫數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)層次少有利于系統(tǒng)中實(shí)時(shí)控制信號(hào)的傳送。 圖 CAN協(xié)議的分層結(jié)構(gòu) CAN 協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)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(yīng)用在不同的領(lǐng)域和場(chǎng)合。 CAN 層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（ OSI） 一致，每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊，實(shí)際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上的相鄰的兩層，而設(shè)備只通過(guò)模型物理層的物理傳 播 媒 體 應(yīng)用層 有設(shè)計(jì)者自行定義 … 數(shù)據(jù) 鏈路層 物理層 邏輯鏈路控制子層 LLC 媒體訪問(wèn)控制子層 MAC 物理信號(hào)子層 PLS 物理媒體附屬子層 PMA 媒體相關(guān)接口子層 MDI CAN 控制器 CAN 收發(fā)器 CAN 協(xié)議 規(guī)范 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 52 頁(yè) 介質(zhì)互連，表 21 中展示了 OSI 開放式互連模型的各層。應(yīng)用層協(xié)議可以由 CAN 用戶定義成合適特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案，已在工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是 DeviceNet，這是 PLC 和智能傳感器設(shè)計(jì)的，在汽車工業(yè)，許多制造商都應(yīng)用他們的標(biāo)準(zhǔn)。 表 21 OSI 開放系統(tǒng)互連模型 7 應(yīng)用層 最高層用戶軟件網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來(lái)進(jìn)行信息交換如 DeviceNet 6 表示層 將兩個(gè)應(yīng)用不同數(shù)據(jù)格 式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式 5 會(huì)話層 依靠低層的通信功能來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳遞 4 傳輸層 兩通信節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸控制操作如數(shù)據(jù)重發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤修復(fù) 3 網(wǎng)絡(luò)層 規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立維持和拆除的協(xié)議如：路由和尋址 2 數(shù)據(jù) 鏈路層 規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織如數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀結(jié)構(gòu) 1 物理層 規(guī)定通訊介質(zhì)的物理特性如電氣特性和信號(hào)交換的解釋 CAN 物理層定義了傳輸線和硬件的機(jī)械、電氣和電信號(hào)特征及功能。機(jī)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(hào)電平狀 態(tài)代表意義等；電信號(hào)特征包括對(duì)應(yīng)電平信號(hào)的邏輯信號(hào)、信號(hào)的傳輸時(shí)序、數(shù)據(jù)采樣方式等。但在 ，而在 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容更加具體，但沒(méi)有指明通訊介質(zhì)的材料，因而用戶可以根據(jù)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(zhǎng)度與傳輸距離的關(guān)系 CAN 總線波特率 任意兩節(jié)點(diǎn)間的最大距離 1Mbps 40m 500kbps 130m 250kbps 270m 125kbps 530m 100kbps 620m 50kbps 20kbps 10kbps 5kbps 10km CAN 網(wǎng)絡(luò)的速度取決于總線的長(zhǎng)度。控制器最快能達(dá)到 1Mbps，但對(duì)總線長(zhǎng)度有限制。對(duì)于 50m長(zhǎng)的總線，最大波特率是 1Mbps，而對(duì)于 150m的總線，波特率約為。 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，其對(duì)應(yīng)關(guān) 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 52 頁(yè) 系見(jiàn)表 22 所示。 圖 總線位的數(shù)值表示 CAN 總線上的 電平形式中的總線數(shù)值為兩種互補(bǔ)邏輯數(shù)值之一：“顯性”或“隱性”。顯性數(shù)值表示邏輯“ 0”，而“隱性”數(shù)值表示邏輯“ 1”。“顯性”和“隱性”同時(shí)發(fā)送時(shí)，最后總線數(shù)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。總線位的數(shù)值表示如圖 所示。 (差動(dòng)傳輸方式 ) 報(bào)文傳輸及其幀結(jié)構(gòu) 圖 數(shù)據(jù)幀標(biāo)準(zhǔn)格式中的仲裁場(chǎng)結(jié)構(gòu) CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸由以下 4個(gè)不同的幀類型所表示和控制，它們分別是 [7]： 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳送到接收器。 遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀。 錯(cuò)誤幀：任何單元檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。 超載幀：超載幀用以在相鄰的數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間提供附 加的延時(shí)。 數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀用一個(gè)幀空間與前面的幀分開。以下將逐一對(duì)各幀的結(jié)構(gòu)做詳細(xì)介紹。 SOF 11 位標(biāo)示符 仲裁場(chǎng) 控制場(chǎng) RTR 位 diffV diffV 隱性位 顯性位 隱性位 時(shí)間 t HCANV ? LCANV ? 平均電壓 U 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 52 頁(yè) CAN技術(shù)規(guī)范 ，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。不同之處在于每幀的標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度不同：標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度為 11位，而擴(kuò)展幀的長(zhǎng)度則為 29位。 標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的仲裁場(chǎng)格式不同。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，仲裁場(chǎng)由 11 位標(biāo)識(shí)符 ID和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 RTR組成。 11位標(biāo)識(shí)符為 ～ ，如圖 。 數(shù)據(jù)幀由 7個(gè)不同的位場(chǎng)組成，即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、 CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度可為 0。數(shù)據(jù) 幀的結(jié)構(gòu)如表 23所示。 表 23 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) ?? 幀起始 仲裁場(chǎng) 控制場(chǎng) 數(shù)據(jù)場(chǎng) CRC場(chǎng) ACK場(chǎng) 幀結(jié)束 ?? 幀起始（ SOF）標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由一個(gè)顯性位構(gòu)成。只有在總線處于空閑狀態(tài)時(shí)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(gè)站的幀起始前沿。 而在擴(kuò)展格式中，仲裁場(chǎng)由 29位標(biāo)識(shí)符、 SRR位、 IDE位和 RTR位組成，標(biāo)識(shí)符為 ～ ，如圖 。 圖 數(shù)據(jù)幀擴(kuò)展格式中的仲裁場(chǎng)結(jié)構(gòu) 控制場(chǎng)由 6位組成。其結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 控制場(chǎng)結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)格式的控制場(chǎng)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展格式的不同。標(biāo)準(zhǔn)格式里的控制場(chǎng)包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼 DLC， IDE位及保留位 r0；擴(kuò)展格式里的控制場(chǎng)包括 DLC和兩個(gè)保留位 r1 和 r0。保留位必須發(fā)送顯性位。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼指出數(shù)據(jù)場(chǎng)的字節(jié)數(shù)目。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼為 4位，在控制場(chǎng)中發(fā)送。數(shù)據(jù)字節(jié)的允許數(shù)目為 0～ 8。 遠(yuǎn)程幀由 6個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、 CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束。與數(shù)據(jù)幀相反，遠(yuǎn)程幀的 RTR位是隱性位。遠(yuǎn)程幀 不存在數(shù)據(jù)場(chǎng)， DLC的數(shù)值沒(méi)有意義，它可以是 0～ 8中的任何數(shù)值，這一數(shù)值為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀的 DLC。 錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同場(chǎng)組成，第一個(gè)場(chǎng)由來(lái)自各站的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加得到，第二個(gè)場(chǎng)是出錯(cuò)界定符。有兩種形式的錯(cuò)誤標(biāo)志，一種是活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，另一種是認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志。活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志由 6個(gè)連續(xù)的顯性位組成，認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志由 6個(gè)連續(xù)的隱性位組成。 仲裁場(chǎng) RTR 18 位標(biāo)示符 SRR IDE 11 位標(biāo)示符 SOF 控制場(chǎng) IDE/r1 r0 DLC3 DLC2 DLC1 DLC0 控制場(chǎng) 數(shù)據(jù)場(chǎng) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼 保留為 仲裁場(chǎng) 基于 CAN總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 52 頁(yè) 超載幀包括兩個(gè)位場(chǎng)：超載標(biāo)志和超載界定符。有三種超載條件會(huì)導(dǎo)致超載標(biāo)志的發(fā)送：一是要求延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的內(nèi)部條件，二是在間歇場(chǎng)的第 1位和第 2位檢測(cè)到顯性位，三是如果 CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤界定符 或超載界定符的第 8位（最后一位）采樣到一個(gè)顯性位，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)超載幀（不是錯(cuò)誤幀）。超載標(biāo)志由 6個(gè)顯性位組成，所有形式對(duì)應(yīng)于活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志形式。超載界定符由 8個(gè)隱性位組成，與出錯(cuò)界定符具有相同的形式。 報(bào)文濾波 CAN總線通過(guò)報(bào)文濾波技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等多種數(shù)據(jù)傳送方式 [8]。報(bào)文濾波技術(shù)實(shí)際是通過(guò)屏蔽寄存器和濾波寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。屏蔽寄存器設(shè)定需要校驗(yàn)的二進(jìn)制位，濾波寄存器存儲(chǔ)需比較的數(shù)值。對(duì)這一概念的理解有助于深刻了解 CAN協(xié)議的原理及其硬件結(jié)構(gòu)，為軟件的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。 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(chǎng)的標(biāo)識(shí)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(yīng)的接收緩沖區(qū)。屏蔽寄存器的作用是決定標(biāo)識(shí)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(huì)自動(dòng)接收，無(wú)須與濾波寄存器的相應(yīng)位進(jìn)行比較。 可見(jiàn)如果信息標(biāo)識(shí)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(shù)據(jù)收入緩沖區(qū)。也就是說(shuō)滿足下列兩等式之一，則報(bào)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(dòng)識(shí)別標(biāo)識(shí)符的功能由硬件實(shí)現(xiàn)，但濾波寄存器和屏蔽寄存器的值需要軟件設(shè)定。 3 基于 CAN 多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)系統(tǒng)有則共同的特點(diǎn)：測(cè)量點(diǎn)多、環(huán)境復(fù)雜、布線分散、現(xiàn)場(chǎng)離監(jiān)控室遠(yuǎn)等。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號(hào)，則需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的接口電 路，才能把傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到計(jì)算機(jī)去處理。這樣，由于各種因素會(huì)造成檢測(cè)系統(tǒng)較大的偏差；又因?yàn)闄z測(cè)環(huán)境復(fù)雜、測(cè) 量點(diǎn)多、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)及各種干擾的影響，會(huì)使檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降 。 所以多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和遠(yuǎn)程通信的設(shè)計(jì)。溫度傳感器應(yīng)用范圍廣泛、使用數(shù)量龐大，也高居各類傳感器之首。 系統(tǒng)采用針對(duì)傳統(tǒng)溫度測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫點(diǎn)少，系統(tǒng)兼容性及擴(kuò)展性較差的特點(diǎn)，運(yùn)用分布式通訊的思想。設(shè)計(jì)一種可以用于 基于 CAN總線