CAN總線通訊架構在客房控制系統中的應用

龔小斌/潘勝軍（杭州三上電子科技有限公司， 浙江 杭州 郵編 310052）

1 CAN總線通訊總線優越性

CAN是德國一家名為BOSCH的公司在20世紀90年代初所制定的協議規格，并在1993年標準化成工業總線協議（ISO 11898-1），隨后被廣泛應用在各種車輛與電子設備上。CAN總線協議是一種序列總線，它提供高安全等級及有效率的即時控制，具備偵錯和優先權判別的機制。在這樣的機制下，網絡訊息的傳輸變得更為可靠和有效。CAN 亦提供多主控端的架構，這種特性，特別適合使用在主系統或子系統下提供更完整的智慧型網絡設備，如智能傳感器設備等。CAN的網絡擁有高度的彈性調整能力，可以在既有的網絡中增加站臺而不用在軟硬件上作修正與調整。并且，資訊的傳遞不是建構在特殊種類的站臺上，這樣一來就增加了在升級網絡時的便利性。

CAN總線和RS485不同，它并不是一種簡單的電氣協議標準，而是一種完善的通訊協議，具有強大的檢錯和糾錯能力。在其通訊過程中會產生不同格式的幀，例如數據幀、遠程幀、錯誤幀等，每種幀有其特定的數據結構。這種特定的數據結構，用來保證數據在傳輸過程中出現錯誤時，終端在接收到數據時能夠識別所發生錯誤的類型。在可能的情況下，終端甚至可以還原出原來正確的數據。圖1所示是CAN總線協議在傳輸過程中產生的一個數據幀的結構。其數據結構中提供的CRC冗余算法，保證了傳輸的穩定可靠。

1.1 多主機結構

CAN總線多主機結構的網絡為信息的實時傳輸提供了保障。在傳統的客控系統通訊總線中，往往是基于一主多從的網絡結構形式。在這種網絡架構下，從設備有狀態更新時無法主動向主機提交，從設備與從設備之間的狀態或是控制信息的傳遞也都要經過主設備才能到達彼此。這種問答式的網絡結構，信號的傳輸存在嚴重的遲滯，不適合用來傳輸對實時性要求較高的狀態信號。而在多主網絡中，每個設備都能夠接受來自總線的信號，多個設備也能夠在同一時間發送數據，在某種約定下，由硬件決定最后誰能夠發送數據。這樣一來，在設備有狀態更新時，就能即時將數據發送到總線上，不用等待主設備的查詢；總線上的對應設備在收到該設備發來的消息時，也能馬上做出響應，不必等待主機轉發的命令。這樣一來，省去了主機這一中間環節，總線的利用率得到了提高，消息的實時性也因此得到了保證。

1.2 無損仲裁機制

此外，CAN總線的無損仲裁機制也是保證消息實時性的一個重要方面。在CAN總線協議中存在一個11位（CAN2.0 協議中擴展幀為29位）的標記位。通過設置此標記位能夠調整數據在仲裁中的優先級。一般重要的和緊急的信號的發送優先級被設置得較高；而非緊急的信號，被設置為較低優先級發送。如此一來，當有兩個設備同時向總線發送數據時，總線就能根據信號發送的優先級來決定緊急的信號優先發送，而將非緊急信號推遲到下一幀，從而保證了信號在總線上的實時傳輸。

1.3 模塊化便于集成

選擇CAN總線作為客房控制系統通訊方式來開發的另一個重要原因，是因為目前市場上容易采購到集成有CAN總線通訊接口的CPU型號。對于開發來說，使用集成的模塊能夠簡化電路設計，減少調試遇到的問題，縮短硬件產品的調試周期，從而有利于產品的快速推向市場。另外，現在微處理器中集成的CAN總線通訊模塊功能之強大，使開發所要做的事情就是寫入通訊數據那么簡單，而不必像ModBus協議一樣，需要做復雜的校驗和處理。因為硬件模塊可以完成這些任務。

1.4 強糾錯能力

CAN總線的另一個優點是在于其強大的檢錯和出錯處理能力。在CAN總線協議標準2.0B中，設置有5種錯誤類型。包括位錯誤、填充錯誤、CRC校驗錯誤、形式錯誤和應答錯誤。另外，CAN的通訊模塊上還設置有兩個錯誤計數器，讀取錯誤計數器和發送錯誤計數器。系統可以根據這些錯誤提示的狀態來判斷網絡正處于什么樣的狀態，更有效地處理網絡上所發生的情況。當CAN總線上有一個節點不正常時，不會影響總線上其他正常的節點。對比RS485總線，在模塊出錯或損壞的情況下，可能會導致整個控制系統癱瘓，而失去控制。所以，相對于RS485總線，使用CAN總線能夠大幅度提高系統的穩定性及安全性。

相對于基于RS485標準的網絡結構來說，基于CAN總線架構的網絡所具有的優勢是顯而易見的。

2 CAN總線在客房控制系統中的應用

酒店客房智能控制系統是指利用計算機技術，對酒店客房內狀態變化進行收集、處理，并通過專用的網絡將房間狀態整理、記錄、顯示以協助酒店管理者實現對酒店的高效管理的電子系統。系統對于包括安防系統、門禁系統、中央空調系統、智能燈光系統、服務系統、背景音樂系統等在內的系統設備進行智能化管理與控制，實時監測客房狀態、賓客需求、服務狀況以及設備情況等，是幫助酒店對客房設備及內部資源進行實時控制分析的綜合服務管理控制系統。

圖2 基于CAN總線的客房控制系統結構圖

2.1 系統結構設計

一個穩定、安全的酒店客房控制系統，對酒店來說，能夠有效降低能耗支出、管理支出以及后期維護的支出。具有CAN總線結構網絡傳輸機制的酒店客房控制系統正是這樣一個安全穩定的控制系統。圖2是系統的結構圖。

從圖2可以看到，具有CAN網絡通訊接口的客房控制器在小范圍內組成局部網絡。這個網絡可以是一個較大型客房的私有網絡，負責房間內部信號的傳遞；也可以是幾個房間的公共網絡，負責房間狀態信息和控制信息的傳輸。小型的網絡通過中繼器，連接到二級網絡。二級網絡的存在，使得CAN總線上可以連接的節點數量是一級網絡節點數量的平方。按照CAN總線標準CAN2.0B中所定的數量計算，二級的CAN網絡所能掛接的節點數量在1萬個節點以上，遠遠高于客房控制系統對網絡節點數的要求。二級CAN網絡通過TCP/IP協議轉換器，與客控系統的中央控制單元通訊。

2.2 通訊接口硬件實現

圖3 CAN總線通訊接口的硬件連接示意圖

CAN總線通訊接口的硬件實現也是非常簡單的，只需一塊帶有CAN接口的CPU，一個CAN總線驅動芯片和一些必要的外設即可，如圖3所示。

3 結束語

到目前為止，客控系統中所使用的總線類型仍然沒有一個統一的標準，而其中占主導地位的RS485總線結構在使用中逐漸暴露出各種各樣的不足。客控系統迫切需要尋求一種能夠取代RS485結構網絡的總線結構。通訊結構的更新，是智能化控制系統在其發展過程中必將經歷的。CAN總線結構以其優越性在汽車、工業設備等控制領域獲得廣泛的應用，并且以大量成功的應用案例，不斷向其他領域滲透。在形勢的大潮之下，設計者應把握時機，致力于將CAN總線的成功應用，再次體現在客房控制系統中。