基于CAN Bus MCU的電梯控制器和監測應用設計

CAN Bus(Controller Area Network)，控制器區域網(wǎng)，起源于80年代，由國際標準化組織(ISO)所發(fā)布，因為利用雙線(xiàn)差動(dòng)(two-wired differential)，使其即使在電器條件惡劣環(huán)境下，也可正常運作的一種傳輸總線(xiàn)。又因雙線(xiàn)溝通的特性，大幅縮減了其應用線(xiàn)路的使用量，也降低傳統線(xiàn)路復雜易造成錯誤的發(fā)生機會(huì )。

基于以上特性，CAN Bus一大應用層面即被導入于汽車(chē)工業(yè)，因傳統的汽車(chē)使用線(xiàn)路復雜，使得早期汽車(chē)內部線(xiàn)路易于發(fā)生故障時(shí)且較難以排除。因此雙線(xiàn)差動(dòng)訊號式CAN Bus的電器特性即被快速導入并廣泛運用在各交通工具領(lǐng)域(航空、輪船與汽車(chē))或是工業(yè)控制。

強健的協(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別子(ID)長(cháng)度分別為11位與29位。如圖1所示為一個(gè)CAN 2.0協(xié)議傳輸的數據封包(Data Frame)。

圖1. CAN協(xié)議編碼格式圖

圖1為一個(gè)CAN數據封包的格式，可分為起始域、仲裁域、控制域、數據域、CRC域、應答域和結束域。每個(gè)封包(Frame)最長(cháng)可達128位，以下分別說(shuō)明各域的意義，其它詳細資料可參考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(kāi)始。

●仲裁域(Arbitration Field)：用于確定封包的優(yōu)先級，由11位或29位識別子(ID)加上一位的RTR(Remote Transfer Request)，當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)和表示數據域內的數據長(cháng)度DLC0~DLC3共有4位。

●數據域(Data Field)：0~8個(gè)Byte的被傳送數據

●CRC域(CRC Field)：從SOF到Data Field的CRC驗證碼，用于檢測傳輸上的錯誤，共有15位的長(cháng)度。

●應答域(ACK Field)：確認對方接收是否正常，若接收成功則會(huì )回傳1。

●結束域(EOF, End of Frame)：表示封包的結束，為7位連續的1。

CAN Bus的特征與優(yōu)點(diǎn)

●CAN Bus可透過(guò)簡(jiǎn)單的信息濾波設定實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一對多個(gè)點(diǎn)或全網(wǎng)絡(luò )廣播等資料的傳輸方式。

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

●藉由封包內仲裁域內的識別子來(lái)判定優(yōu)先權，而非藉由地址，因CAN Bus為非破壞性的總線(xiàn)仲裁之技術(shù)，當優(yōu)先層級不同的事件發(fā)生，層級低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)放棄總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)的權利，而高優(yōu)先層級的可繼續傳輸而不受影響。

●因具有優(yōu)先層級之特性，大幅節省了當總線(xiàn)發(fā)生沖突時(shí)的仲裁時(shí)間，提升系統的實(shí)時(shí)性，而不會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )癱瘓的機會(huì )。

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

●傳輸的距離與傳輸速度成反比，當傳輸距離達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)封包具有強大的CRC檢驗與防錯機制，大幅降低了資料的出錯率。

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

CAN Bus的架構與輸出準位

CAN Bus為利用一種雙線(xiàn)的差動(dòng)訊號傳輸規格，典型的CAN節點(diǎn)皆會(huì )由一個(gè)機械控制單元(Micro Controller Unit, MCU)來(lái)做控制，如圖2所示，MCU中CAN Controller透過(guò)CAN_TX與CAN_RX傳送/接收訊號至CAN Transceiver轉換成差動(dòng)訊號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，有效地增強信號。

圖2. CAN Bus架構圖

圖3為CAN Bus輸出準位圖，當CAN_H與CAN_L均為2.5V時(shí)，數據值為邏輯1(隱性);而CAN_H = 3.5V與CAN_L = 1.5V時(shí)，數據值為邏輯0(Dominant)。

圖3. CAN Bus輸出準位圖

強大且可靠的自我檢測能力

CAN Bus協(xié)議中具有五種錯誤偵測的方法，其中三個(gè)是屬于信息(Message)層級，而另外兩個(gè)位(Bit)層級的檢查。當一個(gè)信息發(fā)生錯誤，使該節點(diǎn)不接收這個(gè)信息，并產(chǎn)生一個(gè)錯誤的封包，而發(fā)送端會(huì )嘗試重新發(fā)送新的一個(gè)信息。通過(guò)以下的偵錯方法使CAN Bus的錯誤率低于4.7x10-11。

1. CRC：循環(huán)冗余校驗，CRC檢查為一個(gè)15位的CRC，計算其傳送訊息結尾的FCS(Frame Check Sequence)并進(jìn)行比對，如果不同則為CRC錯誤。

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(méi)有收到則為ACK錯誤。

3. Frame Check：檢查封包中的幾個(gè)特定位，來(lái)驗證內容是否正確。

4. Monitoring：將一個(gè)位的資料寫(xiě)至CAN Bus在讀回來(lái)驗證是否發(fā)生錯誤。

5. Bit Stuffing：用于訊號同步使用。

基于優(yōu)先權的仲裁特色解決多節點(diǎn)發(fā)生沖突的問(wèn)題

CAN Bus采用了非破壞性的仲裁(Non-Destructive Bitwise Arbitration)，因為每個(gè)訊息封包都具其優(yōu)先權，而優(yōu)先權由仲裁域內部的識別子決定。當許多結果同時(shí)發(fā)送訊息時(shí)，只有發(fā)送高優(yōu)先權的封包的節點(diǎn)才能成為CAN Bus上的主站。

基于在各優(yōu)先層級的仲裁來(lái)自于識別子與跟隨在識別子后的傳送請求(RTR)決定，具有兩個(gè)不同識別子的封包中，較高優(yōu)先權的識別子具有較低的二進(jìn)制數值。因此注意到的是，在一個(gè)系統中每條訊息都需給予唯一的是識別子;具有指定的識別子和Data Length Code (DLC)的數據封包僅可由一個(gè)節點(diǎn)所激活。

當CAN Bus閑置時(shí)呈現隱性電壓準位，這時(shí)任何一個(gè)節點(diǎn)都可以發(fā)送一個(gè)顯性電壓準位做為一個(gè)封包的開(kāi)始;若有兩個(gè)以上的節點(diǎn)發(fā)送，即產(chǎn)生了競爭，而CAN Bus解決的方式為對識別子進(jìn)行仲裁，各發(fā)送節點(diǎn)除了一邊向CAN Bus發(fā)送電壓準位，同時(shí)與回收CAN Bus進(jìn)行比較，若電壓準位相同，則繼續發(fā)送下一位，若電壓準位不同則不向下發(fā)送，退出競爭。因此識別子為隱性準位時(shí)，競爭的優(yōu)先級就較低，而最高優(yōu)先級的識別子應該全是顯性準位。