CAN Bus(Controller Area Network)，控制器區(qū)域網(wǎng)，起源于80年代，由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所發(fā)布，因?yàn)槔秒p線差動(dòng)(two-wired differential)，使其即使在電器條件惡劣環(huán)境下，也可正常運(yùn)作的一種傳輸總線。又因雙線溝通的特性，大幅縮減了其應(yīng)用線路的使用量，也降低傳統(tǒng)線路復(fù)雜易造成錯(cuò)誤的發(fā)生機(jī)會(huì)。

基于以上特性，CAN Bus一大應(yīng)用層面即被導(dǎo)入于汽車工業(yè)，因傳統(tǒng)的汽車使用線路復(fù)雜，使得早期汽車內(nèi)部線路易于發(fā)生故障時(shí)且較難以排除。因此雙線差動(dòng)訊號(hào)式CAN Bus的電器特性即被快速導(dǎo)入并廣泛運(yùn)用在各交通工具領(lǐng)域(航空、輪船與汽車)或是工業(yè)控制。

強(qiáng)健的協(xié)議與其編碼格式

CAN Bus基本的協(xié)議可分為CAN2.0A與CAN2.0B兩個(gè)版本，A版與B版的主要差別在于識(shí)別子(ID)長(zhǎng)度分別為11位與29位。如圖1所示為一個(gè)CAN 2.0協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封包(Data Frame)。

圖1. CAN協(xié)議編碼格式圖

圖1為一個(gè)CAN數(shù)據(jù)封包的格式，可分為起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、應(yīng)答域和結(jié)束域。每個(gè)封包(Frame)最長(zhǎng)可達(dá)128位，以下分別說明各域的意義，其它詳細(xì)資料可參考BOSCH公司的相關(guān)CAN Bus技術(shù)文件。

●起始域(SOF, Start of Frame)：該值必為0，表示封包的開始。

●仲裁域(Arbitration Field)：用于確定封包的優(yōu)先級(jí)，由11位或29位識(shí)別子(ID)加上一位的RTR(Remote Transfer Request)，當(dāng)RTR為0時(shí)，表示傳出資料;RTR為1則表示為接收資料。

●控制域(Control Field)：包含兩個(gè)保留位(一般為0)和表示數(shù)據(jù)域內(nèi)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度DLC0~DLC3共有4位。

●數(shù)據(jù)域(Data Field)：0~8個(gè)Byte的被傳送數(shù)據(jù)

●CRC域(CRC Field)：從SOF到Data Field的CRC驗(yàn)證碼，用于檢測(cè)傳輸上的錯(cuò)誤，共有15位的長(zhǎng)度。

●應(yīng)答域(ACK Field)：確認(rèn)對(duì)方接收是否正常，若接收成功則會(huì)回傳1。

●結(jié)束域(EOF, End of Frame)：表示封包的結(jié)束，為7位連續(xù)的1。

CAN Bus的特征與優(yōu)點(diǎn)

●CAN Bus可透過簡(jiǎn)單的信息濾波設(shè)定實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多個(gè)點(diǎn)或全網(wǎng)絡(luò)廣播等資料的傳輸方式。

●沒有特定的主從端，且可以以多個(gè)主端方式工作，因此Bus上各節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)發(fā)送信息至其它節(jié)點(diǎn)。

●藉由封包內(nèi)仲裁域內(nèi)的識(shí)別子來判定優(yōu)先權(quán)，而非藉由地址，因CAN Bus為非破壞性的總線仲裁之技術(shù)，當(dāng)優(yōu)先層級(jí)不同的事件發(fā)生，層級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)放棄總線訪問的權(quán)利，而高優(yōu)先層級(jí)的可繼續(xù)傳輸而不受影響。

●因具有優(yōu)先層級(jí)之特性，大幅節(jié)省了當(dāng)總線發(fā)生沖突時(shí)的仲裁時(shí)間，提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的機(jī)會(huì)。

●具有良好的擴(kuò)充性，因CAN Bus協(xié)議是定義信息，非以站臺(tái)方式定義，因此可不需為軟件硬件做修改即可增加站臺(tái)。

●傳輸?shù)木嚯x與傳輸速度成反比，當(dāng)傳輸距離達(dá)10km時(shí)傳輸速率約為5Kbps，若需較高的傳輸速率1Mbps，此時(shí)的傳輸距離為40m。

●在CAN Bus上的每個(gè)封包具有強(qiáng)大的CRC檢驗(yàn)與防錯(cuò)機(jī)制，大幅降低了資料的出錯(cuò)率。

●CAN Bus的通訊介質(zhì)可為光纖、同軸電纜與常見的雙絞線，相較其它通訊方式較為彈性。

CAN Bus的架構(gòu)與輸出準(zhǔn)位

CAN Bus為利用一種雙線的差動(dòng)訊號(hào)傳輸規(guī)格，典型的CAN節(jié)點(diǎn)皆會(huì)由一個(gè)機(jī)械控制單元(Micro Controller Unit,MCU)來做控制，如圖2所示，MCU中CAN Controller透過CAN_TX與CAN_RX傳送/接收訊號(hào)至CAN Transceiver轉(zhuǎn)換成差動(dòng)訊號(hào)CAN_H與CAN_L。而終端電阻120歐姆能有效的吸收CAN網(wǎng)絡(luò)上的反射波，有效地增強(qiáng)信號(hào)。

圖2. CAN Bus架構(gòu)圖

圖3為CAN Bus輸出準(zhǔn)位圖，當(dāng)CAN_H與CAN_L均為2.5V時(shí)，數(shù)據(jù)值為邏輯1(隱性);而CAN_H = 3.5V與CAN_L = 1.5V時(shí)，數(shù)據(jù)值為邏輯0(Dominant)。

圖3. CAN Bus輸出準(zhǔn)位圖

強(qiáng)大且可靠的自我檢測(cè)能力

CAN Bus協(xié)議中具有五種錯(cuò)誤偵測(cè)的方法，其中三個(gè)是屬于信息(Message)層級(jí)，而另外兩個(gè)位(Bit)層級(jí)的檢查。當(dāng)一個(gè)信息發(fā)生錯(cuò)誤，使該節(jié)點(diǎn)不接收這個(gè)信息，并產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤的封包，而發(fā)送端會(huì)嘗試重新發(fā)送新的一個(gè)信息。通過以下的偵錯(cuò)方法使CAN Bus的錯(cuò)誤率低于4.7x10-11.

1. CRC:循環(huán)冗余校驗(yàn)，CRC檢查為一個(gè)15位的CRC,計(jì)算其傳送訊息結(jié)尾的FCS(Frame Check Sequence)并進(jìn)行比對(duì)，如果不同則為CRC錯(cuò)誤。

2. ACK Errors:接收的一端在接收訊息后會(huì)發(fā)送ACK告知發(fā)送端，如果發(fā)送訊息的一端沒有收到則為ACK錯(cuò)誤。

3. Frame Check:檢查封包中的幾個(gè)特定位，來驗(yàn)證內(nèi)容是否正確。

4. Monitoring:將一個(gè)位的資料寫至CAN Bus在讀回來驗(yàn)證是否發(fā)生錯(cuò)誤。

5. Bit Stuffing:用于訊號(hào)同步使用。

基于優(yōu)先權(quán)的仲裁特色解決多節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突的問題

CAN Bus采用了非破壞性的仲裁(Non-Destructive Bitwise Arbitration)，因?yàn)槊總€(gè)訊息封包都具其優(yōu)先權(quán)，而優(yōu)先權(quán)由仲裁域內(nèi)部的識(shí)別子決定。當(dāng)許多結(jié)果同時(shí)發(fā)送訊息時(shí)，只有發(fā)送高優(yōu)先權(quán)的封包的節(jié)點(diǎn)才能成為CAN Bus上的主站。

基于在各優(yōu)先層級(jí)的仲裁來自于識(shí)別子與跟隨在識(shí)別子后的傳送請(qǐng)求(RTR)決定，具有兩個(gè)不同識(shí)別子的封包中，較高優(yōu)先權(quán)的識(shí)別子具有較低的二進(jìn)制數(shù)值。因此注意到的是，在一個(gè)系統(tǒng)中每條訊息都需給予唯一的是識(shí)別子;具有指定的識(shí)別子和Data Length Code (DLC)的數(shù)據(jù)封包僅可由一個(gè)節(jié)點(diǎn)所激活。

當(dāng)CAN Bus閑置時(shí)呈現(xiàn)隱性電壓準(zhǔn)位，這時(shí)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送一個(gè)顯性電壓準(zhǔn)位做為一個(gè)封包的開始;若有兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送，即產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)，而CAN Bus解決的方式為對(duì)識(shí)別子進(jìn)行仲裁，各發(fā)送節(jié)點(diǎn)除了一邊向CAN Bus發(fā)送電壓準(zhǔn)位，同時(shí)與回收CAN Bus進(jìn)行比較，若電壓準(zhǔn)位相同，則繼續(xù)發(fā)送下一位，若電壓準(zhǔn)位不同則不向下發(fā)送，退出競(jìng)爭(zhēng)。因此識(shí)別子為隱性準(zhǔn)位時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)先級(jí)就較低，而最高優(yōu)先級(jí)的識(shí)別子應(yīng)該全是顯性準(zhǔn)位。

以NUC240/NUC140/NUC130作為電梯控制器和監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的解決方案

NUC240 CAN Bus的特色

在實(shí)現(xiàn)電梯控制器和監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)模塊應(yīng)用，選擇的解決方案為臺(tái)灣新唐科技的NUC240、NUC140與NUC130,新唐科技于2012年年底推出NUC200系列MCU,其中NUC240為NUC200系列中富含最多周邊的產(chǎn)品系列，也是少數(shù)具有兩組CAN信道的MCU廠商。使用者亦可透過Nu-LB-NUC240學(xué)習(xí)板搭配BSP鏈接庫(Board Support Package)即可簡(jiǎn)易地對(duì)相關(guān)周邊上手。

NUC240 CANBus特色如下：

●支持CAN的協(xié)議規(guī)范2.0 A和2.0 B.

●傳輸速率最快可達(dá)1 MBit/s.

●32個(gè)訊息目標(biāo)

●每一個(gè)訊息目標(biāo)都有自己的識(shí)別子屏蔽。

●可程序化的FIFO模式(鏈接訊息目標(biāo))

●可作為屏蔽中斷。

●對(duì)時(shí)間觸發(fā)的CAN應(yīng)用關(guān)閉自動(dòng)重傳模式。

●自我檢測(cè)時(shí)具可程序化的look-back模式。

●16-bit模塊接口至AMBA APB Bus.

●支持MCU由熟睡模式中喚醒功能。

NuMicro MCU CAN Bus方塊圖

圖4為NuMicro MCU內(nèi)部CAN模塊的內(nèi)部架構(gòu)，主要包含CAN Core、Message RAM、Module Interface和Message Handler四個(gè)部分，其中CAN Core負(fù)責(zé)錯(cuò)誤偵測(cè)與處里，是CAN的主要核心;Message RAM為傳送與接收的緩沖器;Module Interface為與CAN Core與CPU溝通的主要接口。Message Handler則為傳送與接收命令控制中樞。

圖4. NuMicro MCU CAN Bus方塊圖

電梯控制系統(tǒng)方塊圖說明

由圖5電梯控制系統(tǒng)圖得知，在各樓層皆需要一個(gè)MCU來做為樓層信息的判斷或是錯(cuò)誤的回報(bào)，故選具有一組CAN功能的NUC130作為各樓層的MCU配置。依序?qū)㈦娞輼菍泳幪?hào)1-1~1-7與第二棟樓層編號(hào)2-1~2-7以CANBus連至一起，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(A1)。同理樓層編號(hào)3-1~3-7與4-1~4-7形成另一CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(A2)，每一棟電梯皆有其獨(dú)立的步進(jìn)馬達(dá)來控制電梯的包廂。

在此選用具有兩組CAN Bus信道的NUC240做為電梯系統(tǒng)主要的運(yùn)算處理與馬達(dá)控制器，其一信道為連接兩棟電梯大樓間的CANBus;另一信道(B)則連接至另一電梯控制器以及中控室的部分。最后中控室可透過USB方式與PC端連接，做為顯示監(jiān)控接口或除錯(cuò)處里。

圖5. 電梯控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

電梯模塊運(yùn)作流程說明

電梯的運(yùn)作行為可以很多種方式呈現(xiàn)，但主要的目的皆來自于接獲各樓層乘客指令，平安地送達(dá)至指定樓層。如同搭乘百貨大樓電梯，于樓層顯示面板(NUC130)按下上(下)樓按鍵，此時(shí)因CAN Bus網(wǎng)絡(luò)特性，可發(fā)現(xiàn)不同棟而相同樓層之上下樓按鍵會(huì)同時(shí)顯示燈號(hào)，并且所有樓層與NUC240皆顯示當(dāng)下電梯廂之樓層;待電梯移至被按下上(下)按鍵之樓層，乘客進(jìn)入后再按下指定前往樓層按鍵即可。另外當(dāng)電梯發(fā)生故障時(shí)，位處中控室之管理員亦可透過簡(jiǎn)單的人機(jī)接口以簡(jiǎn)單的USB連接計(jì)算機(jī)與NUC140將其資料讀出。