基于CAN總線智能建筑監(jiān)控的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

現(xiàn)代智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)廣泛采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線的種類目前有40多種，但適合智能建筑且在我國(guó)推廣的主要有兩種：CAN(ControlAreaNetwork)總線和Lonworks總線。CAN總線技術(shù)以其可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸距離長(zhǎng)和成本低而具有巨大的應(yīng)用潛力。

控制局域網(wǎng)CAN是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中最成熟、最有發(fā)展前途的微處理器局域網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)研究CAN2.0B協(xié)議規(guī)范，制定了符合智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議，并進(jìn)行了通信節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)。

1基于CAN總線的智能建筑網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN總線的智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成：上位機(jī)、CAN通信節(jié)點(diǎn)和各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備組成。通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)建筑物的規(guī)模增減，CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接成一個(gè)分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)。

(1)上位機(jī)：由計(jì)算機(jī)和監(jiān)控軟件組成，對(duì)整個(gè)智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的管理和控制，是整個(gè)系統(tǒng)的中心。

(2)CAN通信節(jié)點(diǎn)：各通信節(jié)點(diǎn)功能相同，主要完成把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，接收CAN總線發(fā)送來(lái)的控制信息。CAN通信節(jié)點(diǎn)的硬件由微處理器、CAN控制器SJAl000、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。

(3)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備：由微處理器、和現(xiàn)場(chǎng)功能裝置等組成。完成檢測(cè)、報(bào)警、控制、顯示等功能。智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由照明、空調(diào)、電梯、安全監(jiān)控、消防監(jiān)控、給排水，配電等組成。

2CAN總線通信協(xié)議的硬件基礎(chǔ)

CAN總線協(xié)議描述了信息在設(shè)備之間的傳遞規(guī)則，它對(duì)層的定義與開(kāi)放系統(tǒng)互連模型OSI一致，CAN被分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)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(shè)備上相同的那一層通訊，實(shí)際的通訊是發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層之間，而各個(gè)設(shè)備只通過(guò)物理層的通信介質(zhì)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(shù)據(jù)鏈路層。CAN總線驅(qū)動(dòng)器和通信介質(zhì)則實(shí)現(xiàn)了物理層的主要功能。CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)了總線協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸任務(wù)。常用的CAN總線驅(qū)動(dòng)器有PHILIPS公司的PCA82C250，總線控制器是SJAl000，通信介質(zhì)是雙絞線或同軸電纜。

2.1總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250的工作原理

PCA82C250是CAN總線控制器與物理導(dǎo)線之間的接口，該驅(qū)動(dòng)器可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。PCA82C250的驅(qū)動(dòng)部分由1個(gè)PNP的極管和1個(gè)NPN的三極管組成。這2個(gè)三極管根據(jù)TXD的信號(hào)導(dǎo)通或截止。當(dāng)TXD=0時(shí)，2個(gè)三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，總線上顯示為顯性電平。當(dāng)TXD=1時(shí)，2個(gè)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，總線上顯示為隱性電平，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器對(duì)總線的影響很小。因此，如果存在其他節(jié)點(diǎn)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(qū)動(dòng)器都發(fā)送隱性電平，總線的電平狀態(tài)才是隱性。實(shí)現(xiàn)了CAN總線物理層的線與功能。

2.2基于線與功能多節(jié)點(diǎn)仲裁過(guò)程

通信節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)總線，對(duì)總線上信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許發(fā)送。當(dāng)總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，必須通過(guò)“無(wú)損的逐位仲裁”方法來(lái)使有最高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報(bào)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(jìn)制數(shù)‘O’而不是 ‘1’，所以ID號(hào)越小，該報(bào)文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。因此一個(gè)為全‘0’標(biāo)志符的報(bào)文具有總線上的最高級(jí)優(yōu)先權(quán)。

2.3CAN控制器SJAl000的功能介紹

CAN的通信協(xié)議由CAN控制器完成，CAN控制器由實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議的部分和實(shí)現(xiàn)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(qiáng)CAN模式(PeliCAN)，這種模式支持CAN2.0B協(xié)議。SJAl000以一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，提供了與模塊控制器及微控制器的接口，通過(guò)對(duì)它的編程，CPU可設(shè)置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，與CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。