（系统工程专业论文）电梯呼梯控制器的设计和实现.pdf

摘要 电梯控制技术在历经继电器控制阶段，微机控制阶段之后进入了现场总线控 制阶段。与其它几种现场总线比较而言，c a n 总线是最易实现，价格最为低廉的 一种，在众多领域被广泛采用。本文设计的基于c a n 总线技术的呼梯控制器，主 要包括内招和外呼两个部分。设计以串行通信方式实现主控板与内招板、外呼板 之间的呼梯、内选、显示等信号的沟通，使整个控制系统的控制信号线数从数百 根减少到几根，极大地方便了电梯的安装和维修，提高了电梯的运行效率和服务 质量，增强了电梯运行的实时性控制，并为进一步实现多台电梯群控、远程监控、 楼宇自动化提供便利接口，具有广阔的应用前景。 本文首先阐述了c a n 总线技术的特点、规范及其在电梯控制系统中的应用， 介绍了a v r 单片机的特点、控制技术及本系统选用的理由。自定义了一系列的 c a n 通信协议，选择s j l 0 0 0 控制器和总线收发器p c a 8 2 c 2 5 0 为主体组成通信控 制模块。 提出了外呼板的实现方法，使用p h i l i p s 公司的8 0 c 5 1 系列单片机p 8 9 c 5 8 x 2 作为控制单元，给出包括电源单元、通讯单元、显示单元以及1 2 c 模块和复位电路 的设计方法。实现基于s j a l 0 0 0 的c a n 节点的软硬件的设计，选用较常用的5 x7 点阵对电梯主板传来的楼层和电梯状态等信息进行滚动显示，并给主板传送收集 到的按钮信息。 介绍了内招板的硬件开发目标、基本功能，给出其软硬件的详细设计方法。 采用a t 9 0 c a n l 2 8 为控制核心，通过输入输出模块、v i p 模块、语音模块、c a n 通 信模块等的配合实现楼层信号、部分电梯的控制和状态信号的采集和输出、进行 电梯承受重量的监测、控制电梯内风扇和照明的变化、进行主控板的数据的接收、 实现楼层显示的及时更新和语音报站的准确进行等功能。基于a v r 单片机平台的 设计，实现了系统的实时及高效控制。 最后，对课题研究进行总结，指出一些有待进一步提高和改进的地方。 关键词：电梯外呼板；电梯内招板；c a n 总线 a b s t r a c t a f t e rs u f f e r i n gr e l a yc o n t r o ll e v e la n d m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e v e l ，t h e e l e v a t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yc o m e si n t of i e l db u s c o n t r o ll e v e l c o m p a r e dw i t ht h eo t h e r f i e l db u s e s ，c a nb u si st h ec h e a p e s ta n dt h em o s te a s yt or e a l i z e i ti sa b r o a d l yu s e di n t h r o n gd o m a i n t h i sp a p e rd i s c u s s e sad e s i g nm e t h o do fe l e v a t o rc a l l i n gs y s t e m ，b a s i n g o nt h ec a nb u st e c h o n o l o g y t h es y s t e mi n c l u d e st h eh a l lc a l lb o a r da n di n t e r n a lc a l l b o a r d t h ed e s i g nr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o no fc a l l i n g ，i n s i d ec h o o s i n ga n dd i s p l a y i n g s i n g n a l ，a m o n gt h em a s t e rc o n t r o lb o a r d ，h a l lc a l lb o a r da n di n t e r n a lc a l lb o a r d ，i n t h es e r i a lw a y i tc a u s e st h en u m b e ro fs y s t e m sc o n t r o ls i g n a ll i n et or e d u c ef r o m h u n d r e d st os e v e r a l ，e n o r m o u s l yf a c i l i t st h ee l e v a t o r si n s t a l l m e n ta n ds e r v i c e ，a d v a n c e s t h ee l e v a t o r so p e r a t i n ge f f i c i e n c ya n dt h eg r a d eo fs e r v i c e ，s t r e n g t h e n st h et i m e l y c o n t r o lo fe l e v a t o rm o v e m e n t , a n do f f e r st h ec o n v e n i e n c ec o n n e c t i o nt of u r t h e rr e a l i z e e l e v a t o rg r o u pc o n t r o l ，t h el o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n ga n dt h eb u i l d i n ga u t o m a t i o n i th a s t h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i sa r t i c l ef i r s t l ye l a b o r a t e dt h ec a nb u st e c h n o l o g y sc h a r a c t e r i s t i c ，n o r ma n d t h ea p p l i c a t i o nr e a s o ni nt h el i f tc o n t r o ls y s t e m t h e n ，i ti n t r o d u c e sc h a r a c t e r i s t i c sa l l , c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dr e a s o n sf o rs e l e c t i o ni nt h es y s t e mo fa v rs c m i tc u s t o m sa s e r i e so fc a nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，c h o o s e st h es j10 0 0c o n t r o l l e ra n db u s t r a n s c e i v e rp c a 8 2 c 2 5 0a sp r i n c i p a lp a r tt of o r mt h ec o r r e s p o n d e n c ec o n t r o lm o d u l e i nt h ep a p e r , i tp r o p o s e st h ei m p l e m e n tm e t h o do fh a l l c a l lb o a r d u s i n g p 8 9 c 58 x 2o fp h i l i p sc o r p o r a t i o n s8 0 c 51s e r i e sa st h ec o n t r o lu n i t ，i ta d v a n c e s d e s i g nm e t h o do fp o w e rs o u r c eu n i t ，c o m m u n i c a t i o nu n i t ，d i s p l a yu n i ta n dt h er c m o d u l ea n dr e s e tc i r c u i t t h ed e s i g nr e a l i z e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e sd e s i g no fc a n n o d e ，b a s e do nt h es j a l 0 0 0 ，s e l e c t st h ec o m m o n l yu s e d5 x 7l a t t i c et oa c h i e v et r t m d l e d i s p l a yo ff l o o ra n ds t a t u ss i g n a l s e n tf r o mt h em o t h e r b o a r da n dr e m i t st h ec o l l e c t e d b u t t o ni n f o r m a t i o nt om o t h e r b o a r d t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ee x p l o i tt a r g e t ，f u n d a m e n t a lf u n c t i o n s ，a n d b r i n gf o r w a r dd e t a i l e dd e s i g nm e t h o do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fi n t e r n a lc a l lb o a r d u s i n ga t 9 0 c a n 12 8a st h ec o n t r o lc o r e ，t h r o u g ht h ec o o p e r a t i o no fi n - o u tm o d u l e ， v i pm o d u l e ，s o u n dm o d u l e ，c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds oo n ，r e a l i z e sg a t h e r i n g a n dt h eo u t p u to ff l o o rs i g n a l ，p a r t i a le l e v a t o r sc o n t r o la n ds t a t u ss i g n a l ，c a r r i e so n m o n i t o r i n go f e l e v a t o r sb e a r i n gw e i g h t ，c o n t r o l sf a na n dt h ei l l u m i n a t i o nc h a n g ei n t h ee l e v a t o rt h e ，p r o c e s s e st h ed a t ar e c e i v eo ft h em a s t e rc o n t r o lb o a r d ，a n da c h i e v e st h e p r o m p tr e n e w a lo ff l o o rd i s p l a ya n dn i c e l yp r o g r e s so ft h es o u n dr e p o r t b a s e do nt h e a v rs c mt h ed e s i g nr e a l i z e d st h es y s t e mr e a l t i m ea n dt h e h i g h l ye f f e c t i v ec o n t r 0 1 i nt h ee n d ，t h ed i s s e r t a t i o ng i v e st h es u m m a r yo ft h er e s e a r c ha n dt h ep o i n t sw h i c h n e e df u r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d ：h a l lc a l lb o a r do fe l e v a t o r ；i n t e r n a lc a l lb o a r do fe l e v a t o r ：c a nb u s 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 、日 签 月人彩 吼律 触啤 汾 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 枞。：渗 猢年月乙日 第一章绪论 1 1 课题背景介绍 第一章绪论 电梯是机电一体的高层建筑的复杂运输设备。它涉及机械工程、电子技术、 电力电子技术、电机与拖动理论，自动控制理论等多个科学领域。 经过1 5 0 年的发展，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵 控制方面更是步步出新手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人 机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省 井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人 的时间；不同外形扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使 身处其中的乘客的视线不再封闭。如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著 名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服 务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环 保一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞 相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉【3 引。 电梯呼梯控制器是电梯一个重要组成，用于给出每一楼层的呼叫请求信息，并 显示电梯当前运行情况乘客可以通过显示器，按键等了解到电梯运行的大量信 息。早期的电梯控制是由继电器、接触器构成。它不仅存在着可靠性差、成本高、 故障率高等缺点，而且在层数增加时，配线变化给制造及安装带来诸多不变。 而后出现的微机控制电梯技术具有许多优点，最大的优点是将信号传输与交 换功能联系在一起，使得视频信号、音频信号、计算机数据都利用0 、1 二进制代 码在同一网络里传输和交换。这种以数字化为共同语言彼此相容和沟通的特性。 使各种形式的信息传输速度大大加快，使得整个系统更加有效。但呼梯和主控之 间通信是采用点对点的通信方式，主控器通过楼层显示线，方向显示线等多根信号 线直接与每一层楼的呼梯板进行直接连接。当电梯楼层增加时，各类信号迅速增 加，使得系统连线异常复杂，给制造及安装带来诸多不便。大量的数据交换严重 影响电梯的运行效率，对于实时性和安全性要求都很高的电梯控制系统来说无疑 致命洲盯】。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 电梯呼梯控制器的设计与实现 机局域网。现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。通信标准 的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。功能块与结构的规 范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现场，使控制系统结构具 备高度的分散性。 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广 阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于节省安装费用；节省维护开 销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。它的出现 为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支 持，迅速地在各个领域得到广泛的应用。其在电梯控制系统的应用具有很大的优 越性：可以实现无触点逻辑线路，提高系统可靠性；编程控制程序灵活性大，可 以适应不同功能要求；可以实现故障显示，使得维修方便；使得电梯控制系统体 积减小，成本降低，节省能源；可以减少控制装置的占地面积【i 】。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 现场总线的发展与现状 1 9 8 4 年国际电工技术委员会国际标准协会( i e c i s a ) 就着手开始制定现场 总线的标准，但至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技 术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点： 1 ) 多种现场总线并存 目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的f i p ，英国的e r a ，德国 西门子公司s i e m e n s 的p r o f i b u s ，挪威的f i n t ，e c h e l o n 公司的l o n w o r k s ， p h e n i x c o n t a c t 公司的i n t e r b u s ，r o b e r b o s c h 公司的c a n ，r o s e m o u n r 公司的h a r t ， c a r l o g a r a z z i 公司的d u p l i n e ，丹麦p r o c e s s d a t a 公司的p - n e t ，p e t e r h a n s 公司 的f - m u x ，以及a s i ( a c t r a t u r s e n s o r i n t e r f a c e ) ，m o d b u s ，s d s ，a r c n e t ，国际 标准组织一基金会现场总线f f ：f i e l d b u s f o u n d a t i o n ，w o r l d f i p ，b i t b u s ，美国的 d e v i c e n e t 与c o n t r o l n e t 等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、 加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占 有80 左右的市场【1 1 。 2 ) 各种总线都有其应用的领域 2 第一章绪论 每种总线大都有其应用的领域，比如f f 、p r o f i b u s p a 适用于石油、化工、 医药、冶金等行业的过程控制领域；l o n w r k s 、p r o f i b u s - f m s 、d e v i e c e n e t 适用于 楼字、交通运输、农业等领域；d e v i c e n e t 、p r o f i b u s - d p 适用于加工制造业，而 这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。 3 ) 每种现场总线都有其国际组织和支持背景 大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组 织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。比如p r o f i b u s 以s i e m e n s 公司 为主要支持，并成立了p r o f i b u s 国际用户组织w o r l d f i p 以a l s t o m 公司为主要后 台，成立了w o r l d f i p 国际用户组织。 4 ) 多种总线成为国家和地区标准 为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如 p r o f i b u s 已成为德国标准，w o r l d f i p 已成为法国标准等。 5 ) 设备制造商参与多个总线组织 为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个 总线组织。 6 ) 各个总线彼此协调共存 由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都 力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协 调共存的局面。 工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术 也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一 个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业 利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。而 现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用 户的愿望。 1 2 2c a n 总线的发展趋势 c a n ，全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”，是国际上应用最广泛的现场总 线之一，由2 0 世纪8 0 年代初德国b o s c h 公司开发。c a n 总线能有效支持分布式控 电梯呼梯控制器的设计与实现 制或实时控制的串行通信网络，具有抗干扰性强和使用可靠等优点，提供高速数 据传送，在短距离( 4 0 m ) 条件下具有高速( i m b i t s ) 数据传输能力。 c a n 总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在许多 领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，对多种信息进行 采集、处理、控制、输出等操作。如医疗器械c t 断层扫描仪，为保证其可靠工作， 在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以广播方式进行、简单 经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并能自动进行故障识 别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到很好的解决，直至c a n 总线技术 出现才提供了一个较好的解决方法。测控系统中离不开传感器，由于各类传感器 的工作原理不同，其最终输出的电量形式也各不相同，为了便于系统连接，通常 要考虑将传感器的输出变换成标准电压或电流信号。即便是这样，在与计算机相 连时，必须增加a d 环节。如果传感器能以数字形式输出，就可以方便地与计算 机直接相连，从而简化系统结构，提高精度。这种传感器与计算机相连的总线可 称为传感器总线。实际上传感器总线仍属于现场总线，关键的问题在于如何将总 线接口与传感器一体化。在广泛的工业控制领域，c a n 总线可作为现场设备级的现 场总线，与其它总线相比，具有很高的可靠性和性价比。这必将是c a n 技术开发 应用的一个主要方向。 由于其良好的性能及独特的设计，c a n 总线越来越受到人们的重视。它在汽车 领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、 b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s - r o y c e ( 劳斯莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等都采 用了c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时， 由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控 制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数 控机床、医疗器械及传感器等领域发展。c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几 种最有前途的现场总线之一。 在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用b i t b u s 或r s 一4 8 5 作为通信总线。其不足主要有：一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输 率低；错误处理能力弱。采用c a n 总线技术后即可解决上述问题。c a n 网络上任何 一个节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据；c a n 网络节点的信息帧可以 4 第一章绪论 分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便；c a n 的物理层及数据链路层 有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。c a n 的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之一i j j 。 根据国内外资料报道，c a n 技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设 中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问， 通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如c a n 与t c p i p 协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场c a n 信息转变为 i n t e r n e t 的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为c a n 的 形式，此即实现了所谓的远程控制。 与其它几种现场总线比较而言，c a n 总线是最易实现，价格最为低廉的一种。 作为工业控制的底层网络，c a n 总线通波特率可高达1 m b p s ，最远距离可达l o k m ； 通讯采用短帧结构，使得数据传输的时间短，受干扰的几率低，并且c a n 总线协 议有良好的检错措施，因此c a n 总线通讯的可靠性较高。由于c a n 总线的安全性， 实时性，简单易操作性和价格低廉，使其十分适合在电梯通讯中应用。 1 3 研究课题的内容与意义 本文提出了基于c a n 总线的电梯呼梯控制器的设计和实现方法。 采用c a n 总线后，通过串行通信方式，构成控制器局域网。它可以使整个控 制系统的控制信号线数从数百根减少到几根，极大地方便了电梯的安装和维修， 提高了电梯的运行效率，并增强了电梯运行的实时性控制，系统的灵活性与可靠性 得到了提高。而且对于不同楼层数的控制系统只需在c a n 总线中加入相应数目的 呼梯控制器即可，主控制器硬件软件不需做任何改动，使得电梯控制系统安装更 加灵活和方便，为进一步实现多台电梯群控、远程监控、楼字自动化提供便利接 口，具有广阔的应用前景。 1 4 本文结构 第一章：介绍了课题的背景，现场总线发展的一些现状，以及研究开发c a n 总线的意义。 第二章：介绍了c a n 总线技术的特点，c a n 协议的概念和特征，c a n 总线 5 电梯呼梯控制器的设计与实现 的电气特性与分层结构，以及c a n 总线报文发送及其帧结构。 第三章：介绍了外呼板的硬件设计与实现。 第四章：介绍了内招板的硬件设计与实现。 第五章：介绍外呼板和内招板的软件设计与实现。 第六章：介绍本系统的软硬件部分的测试方法、测试效果。 第七章：结语。 6 第二章c a n 总线技术 第二章c a n 总线技术 2 1 控制器局域网总线c a n 概述 c a n ( c o n t r 0 1 l e ra r e an e t w o r k ) 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分 布式控制或实时控制的串行通信网络。其典型的应用协议有： s a e j 19 3 9 i s 0 1 l7 8 3 、c a n o p e n 、c a n a e r o s p a c e 、d e v ic e n e t 、瑚e a2 0 0 0 等。 较之目前许多r s - 4 8 5 基于r 线构建的分布式控制系统而言， 基于c a n 总线的 分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性： 首先，c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先 权( 取决于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且 c a n 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点 同时接收到相同的数据，这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通 信实时性强，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用r s - 4 8 5 只能构成主从式 结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差； 其次，c a n 总线通过c a n 控制器接口芯片8 2 c 2 5 0 的两个输出端c a n h 和c a n l 与物 理总线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低电平或 悬浮状态。这就保证不会出现象在r s 一4 8 5 网络中，当系统有错误，出现多节点同 时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不 受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死 锬状态。 而且，c a n 具有的完善的通信协议可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来实现， 从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的 r s - 4 8 5 所无法比拟的。 另外，与其它现场总线比较而言，c a n 总线是具有通信速率高、容易实现、 且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线【2 】。 2 2c a n 总线技术特点 7 电梯呼梯控制器的没计与实现 c a n 是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，具有 物理层，数据链路层和应用层三层协议。通信速率可达1 m b p s 。c a n 总线专用接口 芯片中以固件形式集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能：可完成对通信数 据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工 作。c a n 总线各节点之间依据优先权进行总线访问，以广播的形式进行通信。c a n 具有以下特性： c a n 总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行 总线以及广播通信的特点。c a n 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其 它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信，通信方式灵活， 且无需站地址等节点信息，利用此特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经 商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。c a n 总线插卡可 以任意插在p ca tx t 兼容机上，方便地构成分布式监控系统。 c a n 网络上的节点信息可分为不同的优先级，可满足不同的实时要求，高 优先级的数据最多可在1 3 4 s 内得到传输。 c a n 采用无破坏性的基于优先权的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不 受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载 很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传输数据，无需专门“调度”。 c a n 的直接通信距离最远可达i o k m ( 速率5 k b p s 以下) ，通信速率最多可达 1 m b p s ( 通信距离最长为4 0 m ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，可达l l 阶；报文标示符可达 2 0 3 2 种( c h n 2 o h ) ，而扩展标准( c a n 2 o g ) 的报文标示符几乎不受限制。 c a n 采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错结果。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。 c a n 的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 1 1 ) c a n 节点在错误严重的情况时，具有自动关闭功能，以切断该节点与 8 第二章c a n 总线技术 总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，抗干扰能力强，可靠性高。 c a n 总线产品由于结构简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉等优点， 越来越受到工业界青睐 2 1 。据1 9 9 2 年成立的国际c a n 用户和制造商非营利组织c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 统计，在1 9 9 8 年销售了9 7 0 0 万个节点。其中8 0 安装于欧洲 ( 其中又有8 0 安装于德国) 。c a n 节点的8 0 应用于车辆，其余应用于嵌入式网络 和工业控制系统，如工厂控制系统、机器人控制系统、监测系统、机床控制系统 等。在欧洲高能物理项目c e r n 中也采用了c a n 总线3 j 【4 】【1 6 1 。 2 3c a n 总线技术规范 由于c a n 总线在不同领域内的应用和推广，故要求对其通信格式标准化。 为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分，2 o a 给出了c a n 报文标准格式，2 0 b 给出了标 准的和扩展的两种格式。1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具一数据信 息交换一高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准i s o i1 8 9 8 。 2 3 1c a n 协议的一些概念和特征的说明 依据国际标准化组织开放系统互连( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ，i s o o s i ) 参考模型，c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构如图7 6 所示。下面对c a n 协议的媒体访问控制子层的一 些概念和特征做如下说明： 1 ) 报文( m e s s a g e ) 总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制。当 总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。 2 ) 信息路由( i n f o r m a t i o nr o u t i n g ) 在c a n 中，节点不使用任何关于系统配 置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。 因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变，可以直接在 c a n 中增加节点。 3 ) 标识符( i d e n t i f i e r ) 要传送的报文有特征标识符( 是数据帧和远程帧的 一个域) ，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播 方式在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接收这帧 信息。 9 电梯呼梯控制器的设计与实现 4 ) 数据一致性应确保报文在c a n 里同时被所有节点接收或同时不接收，这是 配合错误处理和再同步功能实现的。 5 ) 位传输速率不同的c a n 系统速度不同，但在一个给定的系统里，位传输速 率是唯一的，并且是固定的。 6 ) 优先权由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识 符越小，优先权越高。 7 ) 远程数据请求( r e m o t ed a t ar e q u e s t ) 通过发送远程帧，需要数据的节点 请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相 同的标识符命名。 8 ) 仲裁( a r b i t r a t i o n ) 只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如 果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问碰撞。通过使用标 识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当 具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期 间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相 同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是“隐性”电平而监视到的是“显 性 电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。 9 ) 总线状态总线有“显性”和“隐性 两个状态，“显性 对应逻辑 “o ，“隐性 对应逻辑“1 ”。“显性状态和“隐性 状态与为“显性”状 态，所以两个节点同时分别发送“o ”和“1 时，总线上呈现“0 。c a n 总线采 用二进制不归零( n r z ) 编码方式，所以总线上不是“0 ，就是“1 。但是c a n 协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式，如图7 - 7 所示。 1 0 ) 故障界定( c o n f i n e m e n t ) c a n 节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性 故障。故障节点会被关闭。 1 1 ) 应答接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记。 2 3 2c a n 总线的电气特性 c a n 总线的通信线路由两根导线组成，分别为c a n h 和c a n l ，这两根导线也 就是c a n 网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过这两 根导线交换数据。 总线上某一时刻显现的数值由两根导线上电压v c a n h 和v c a n l 的差值表示。 1 0 第二章c a n 总线技术 该差分电压v d i f 可表示“显性 和“隐性”两种互补的逻辑数值。如图3 4 所示 半 均 电 压 电 平 时间t 图2 1c a n 总线位数值表示 在“隐性状态下，差分电压v d i f 近似为o 。“显性”状态v d i f 贝j j 大于一个最小阀 值。在c a n 总线标准通信协议中规定“显性表示逻辑“0 ”，而“隐性”则表示 逻辑“1 。 当在总线上存在“显性 位和“隐性位同时发送时，节点发送驱动电路的 设计使得总线数值表现为“显性 。在总线空闲位期间，总线表现“隐性”状态( 即 逻辑1 ) 。“显性”状态改写“隐性”状态启动发送并进行各节点之间的同步。 c a n 总线上的数据按位串行传输，其传输速率可高达1m b p s ，在速率为5 k b p s 时传输距离可为达1o k m ，在速率为1m b p s 时的传输距离为4 0 m 。当然，挂接在同 一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率p l 。 2 3 3c a n 总线的分层结构 c a n 按照开放系统互连( 0 s i ) 基本参考模式( i s 0 7 4 9 8 ) 实现了一种简化的o s i 模型，它只具有o s i 七个层次中的两层：数据链路层和物理层。这两层一般固化在 专用的c a n 总线接口芯片和微处理器中。c a n 总线系统的开发者在软件上主要进行 应用层的工作。数据链路层和物理层的具体结构如图所示： 电梯呼梯控制器的设计与实现 图2 2c a n 总线的分层结构 c a n 总线的物理层是将e c u 连接至总线的驱动电路。e c u 的总数将受限于总 线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是 连接介质、线路电气特性、数据的编码解码、位定时和同步的实施标准。b o s c h c a n 基本上没有对物理层进行定义，但基于c a n 的i s o 标准对物理层进行了定义。 设计一个c a n 系统时，物理层具有很大的选择余地，但必须保证c a n 协议中媒体 访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取 总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持c a n 总线中隐性位和显性位的状态特 征。在没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态：当 有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此 基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。从物理结构上看，c a n 节点的构成 如图7 - 8 所示。在c a n 中，物理层从结构上可分为三层：分别是物理层信令 ( p h y s i c a ll a y e rs i g n a li n g ，p l s ) 、物理介质附件( p h y s i c a lm e d i a a t t a c h m e n t ， p m a ) 层和介质从属接口( m e d i ad e p e n d e n t ：i n t e r - f a c e ，m d i ) 层。其中p l s 连同 1 2 lii；il；“ 第二章c a n 总线技术 数据链路层功能由c a n 控制器完成，p m a 层功能由c a n 收发器完成，m d i 层定义 了电缆和连接器的特性。目前也有支持c a n 的微处理器内部集成了c a n 控制器和 收发器电路，如m c 6 8 h c 9 0 8 g z l 6 。p m a 和m d i 两层有很多不同的国际或国家或行 业标准，也可自行定义，比较流行的是i s 0 1 1 8 9 8 定义的高速c a n 发送接收器 标准。理论上，c a n 总线上的节点数几乎不受限制，可达到2 0 0 0 个，实际上受 电气特性的限制，最多只能接1 0 0 多个节点。 c a n 的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ， l l c ) 完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制( m e d i u ma e e e s s c o n t r o l ，m a c ) 子层完成数据打包解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、 错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。 2 3 4c a n 总线报文发送及其帧结构 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器，该单元在总线空 闲或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，且总线不