基于CAN總線的可視對講控制系統的實現

［摘 要］ 隨著城市化進程的加快，城市人口越來越多，城市土地資源越來越緊缺，因此現代住宅小區樓房逐漸由多層建筑轉變為高層建筑，二三十層的樓房越來越普遍，因此智能小區對講系統單元內總線需要傳輸距離遠、實時性好。CAN總線可靠性高、通信距離遠、速度快、價格便宜，能滿足現代自動化控制系統的需要，在自動化控制領域得到廣泛應用。

［關鍵詞］ CAN； 協議； 可視對講

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 09. 053

［中圖分類號］ TP273+.5 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1673 - 0194（2012）09- 0087- 02

1 前 言

ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，控制器局域網）是目前國際上應用最廣泛的一種開放式現場總線。ＣＡＮ總線可靠性高、通信距離遠、速度快、價格便宜，能滿足現代自動化控制系統的需要，在自動化控制領域得到廣泛應用。其主要特點是：

（1） ＣＡＮ總線采用獨特的非破壞性仲裁技術。ＣＡＮ網絡上節點信息被分成不同的優先級，網絡中不同節點同時進行通信時，這些節點都會通過ＣＡＮ總線發送信息。為避免通信沖突，保證數據傳輸的可靠性，總線總是選擇優先級最高的節點先傳送數據，而優先級低的節點則主動退出發送。可見，ＣＡＮ總線采用的這種獨特仲裁技術能夠滿足系統實時性要求，不管網絡負載多大，都不會出現網絡癱瘓的情況。

（2） ＣＡＮ總線為多主總線，網絡中各節點地位平等，網絡中任意一個節點可隨時隨地向其他任意一個或多個節點發送信息，還能進行全局廣播。ＣＡＮ總線這種靈活的數據收發方式使用戶在設計系統時有很大的靈活性，具有很高的實時性，能滿足本系統需求。

（3） ＣＡＮ網絡具有完善的錯誤處理機制。ＣＡＮ的每幀信息有效字節數最多為８個，并且均采用ＣＲＣ校驗，ＣＡＮ節點能夠判斷節點出現的錯誤是暫時擾動還是永久性故障，標注已損壞的報文，當故障計數超過２５５時，該節點自動脫離總線網絡。這使得該故障影響的范圍只是該節點，不會影響到網絡上其他節點的通信。

（4） 通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，可選擇余地大，且具有較好的抗干擾能力，最大傳輸距離可達１０千米。

（5） ＣＡＮ總線采用幀編碼的形式。ＣＡＮ模塊的接收和發送是以幀為單位的，這提高了系統的工作效率。

（6） ＣＡＮ是到目前為止唯一有國際標準的現場總線。

2 ＣＡＮ網絡節點的硬件電路設計

一個ＣＡＮ協議定義了數據鏈路層和物理層，沒有定義應用層，針對具體問題，用戶可自己定義應用層。在該可視對講系統中，一個ＣＡＮ節點硬件主要由主控芯片、ＣＡＮ控制器、ＣＡＮ收發器３個部分組成，這3個部分分別對應ＣＡＮ通信協議的物理層、數據鏈路層和應用層。

2.１ 主控芯片

主控芯片通常為單片機，實現了ＣＡＮ通信協議的應用層，主要負責ＣＡＮ控制器的初始化和收發控制以及ＣＡＮ節點功能的實現。

該系統中的主控芯片選擇了ＳＳＴ公司的ＳＳＴ８９Ｅ５１６ＲＤ作為處理器。它是通用的８位單片機，是８０５１系列兼容的控制器。

2.２ ＣＡＮ控制器

中間層為ＣＡＮ總線控制器。ＣＡＮ控制器硬件實現了整個ＣＡＮ總線協議控制的信息幀的接收和發送，包括對數據幀進行處理：打包、解包、錯誤界定，以及發送出現錯誤時的重發控制。

在該可視對講系統中，ＣＡＮ的通信協議主要由ＣＡＮ控制器完成。ＣＡＮ控制器主要由ＣＡＮ的通信協議和與微處理器連接的電路組成。該系統采用ＭＣＰ２５１０，ＭＣＰ２５１０是一款控制器局域網絡（ＣＡＮ）協議控制器芯片，是由 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生產的并帶有ＳＰＩ接口的一種控制器芯片。ＭＣＰ２５１０傳輸數據的速度最高達到５ＭB／ｓ ，它完全符合ＣＡＮ技術規范Ｖ２．０Ａ和Ｖ２．０Ｂ，能夠收發標準的以及擴展的報文，它還同時具備驗收過濾以及報文管理功能。該器件內部含有3個發送緩沖器、2個接收緩沖器，減少了單片機的負擔。同時還具有靈活的中斷管理能力、幀屏蔽與過濾、幀優先級設定等功能，這些特點使得ＭＣＵ對ＣＡＮ總線的操作變得非常簡便。ＭＣＰ２５１０內含６個接收過濾器和２個接收過濾屏蔽器，在實際應用時具有較大的靈活性。

2.３ ＣＡＮ收發器

最底層為ＣＡＮ收發器，主要實現ＣＡＮ總線接口電平和ＣＡＮ控制器接口電平的轉換。ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０只是ＣＡＮ協議控制器，它的ＣＡＮ總線輸入輸出是ＴＴＬ電平５Ｖ，是不能直接掛載在ＣＡＮ總線上的，需要通過ＣＡＮ收發器將ＣＡＮ總線電平轉為接收的ＴＴＬ電平，將發送的ＴＴＬ電平轉為ＣＡＮ總線電平。設計中選用了ＭＣＰ２５５１作為ＣＡＮ收發器。

ＣＡＮ總線一般是鋪設在室外，容易受到雷擊的破壞，設計中增加了兩個ＴＶＳ管——Ｐ６ＫＥ６８ＣＡ做防雷ＥＭＩ，在ＭＣＰ２５１０和ＭＣＰ２５５１之間增加了兩個光耦——６Ｎ１３７做總線隔離，有效地保護了ＣＡＮ控制器和主控單片機。ＣＡＮ的接口電路如圖1所示。

3 ＣＡＮ通信系統介紹

智能小區對講系統對講過程的進行是靠主叫方和被叫方之間不斷交換控制信息完成的。控制信息是雙方必須遵守的協議。

通過通信信道和設備互連起來的多個不同地理位置的數據通信系統，要使其能協同工作實現信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語言。交流什么、怎樣交流及何時交流，都必須遵循某種互相都能接受的規則。這個規則就是通信協議。通信協議在軟件中是以一定數量的字節組成的幀數據，幀中的每個字節具有不同的意義。

通過上面對于對講過程的分析可知，對講協議的內容包括對講命令主要有“呼叫”、“等待”、“占線”、“開始”和“結束”。另外為了小區對講系統設備的辨識，定義了設備的地址，分為樓號、單元號、房間號。因此通信協議中加入了源地址、目的地址。

另外為了增加系統的容錯性，提高抗干擾能力，在協議幀的最后加入了ＣＲＣ１６的校驗。ＣＲＣ即循環冗余校驗碼（Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ），是數據通信領域中最常用的一種差錯校驗碼，其特征是信息字段和校驗字段的長度可以任意選定。

因此智能小區對講系統的對講協議定為５幀９個字節的數據幀。每幀數據結構見表１。

通信過程中，發送方首先構建信息幀前７個字節，包括對講命令、目的地址、源地址，然后對信息幀的０～６字節進行ＣＲＣ數學運算，得到１６位的ＣＲＣ１６校驗數值，將ＣＲＣ１６校驗數值的高字節存儲在信息幀的第７字節，將ＣＲＣ１６校驗數值的低字節存儲在信息幀的第８字節，然后將９個字節依次在總線上發出。

接受方每次接收９個字節，接收完一幀信息后對信息幀的０～６字節進行ＣＲＣ數學運算，得到１６位的ＣＲＣ１６校驗數值， 將ＣＲＣ１６校驗數值的高字節和信息幀的第７字節比較，如果相等，則比較ＣＲＣ１６校驗數值的低字節和信息幀的第８字節，如果也相等，說明此次接收到的數據是有效數據，反之此次接收的數據無效。

一共定義了５個對講命令：“呼叫”、“等待”、“占線”、“開始”和“結束”。隨著對講功能的完善，系統的增加，對講協議可以不斷擴充。

4 結束語

在樓宇可視對講系統中，借用了比較成熟的ＣＡＮ總線，把不同地理位置的設備連接到一起，實現了門禁系統的功能。在樓宇自動化發展過程中，可視對講系統的智能化發展越來越規范，逐步實現硬件的標準化和模塊化，方便安裝；軟件的兼容性，使系統既要易于使用，還要方便安裝和維護，更要有利于擴展和升級。

主要參考文獻

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