基于CAN總線的智能家居控制(畢業(yè)設(shè)計).doc

編號： 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書課 題： 基于CAN總線的智能家居控制 學(xué) 院： 電子工程與自動化學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師單位： 姓 名： 職 稱： 題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā)2012年 5 月 10 日摘 要進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，借助計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，信息家電已經(jīng)越來越多的出現(xiàn)在人們的生活之中，伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，家居智能化正以前所未有的速度走進(jìn)尋常百姓之家。以單片機(jī)為核心結(jié)合計算機(jī)構(gòu)成的智能家居產(chǎn)品具有體積小、功能強(qiáng)、應(yīng)用面廣，使用靈活、價格便宜、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計基于CAN總線的智能家居控制系統(tǒng)，研究其硬件電路設(shè)計、軟件程序設(shè)計和CAN總線的智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用。該控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來劃分，可以分為兩個層次，分別為上位機(jī)監(jiān)控和下位機(jī)各節(jié)點(diǎn)控制。上位機(jī)監(jiān)控主要由監(jiān)控計算機(jī)PC機(jī)和CAN-RS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，下位機(jī)由單片機(jī)和CAN總線智能節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，完成對家居的環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計兩路CAN總線節(jié)點(diǎn)，采用溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2、BIS0001人體紅外傳感器，巡回檢測室內(nèi)溫度濕度，火情盜情等環(huán)境信息。并通過CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)發(fā)至PC機(jī)記錄和監(jiān)控，PC機(jī)可查詢當(dāng)前記錄和歷史記錄，上位機(jī)和CAN節(jié)點(diǎn)分別設(shè)有報警功能，可以通過按鍵設(shè)定報警上限和下限。系統(tǒng)硬件包括主控芯片STC89C52RC，CAN總線通信模塊，串行通信接口電路，煙霧濃度檢測模塊，人體移動紅外檢測模塊，溫濕度檢測電路，液晶顯示電路等。系統(tǒng)軟件設(shè)計包括VB上位機(jī)監(jiān)控程序，CAN-RS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，CAN總線智能節(jié)點(diǎn)通信程序，按鍵設(shè)定值程序，液晶顯示程序等。關(guān)鍵詞：智能家居；CAN總線；傳感器；Visual BasicAbstractSince the beginning of the 21st century, with the development of computer and Internet technology, information appliances have been more and more in peoples life, along with advances in science and technology, the intelligent home is at an unprecedented rate into the homes of ordinary people at home. Small size, wide range of applications, the use of flexible, cheap, reliable and advantages of microcontroller as the core, combined with computer composed of smart home products.The design is based on the CAN bus smart home control systems, to study the hardware circuit design, software programming, and CAN bus application in the field of smart home. The control system up from a structural division can be divided into two levels, respectively, for each node of the PC monitoring and machine control. PC monitoring of monitoring computer PC, CAN-RS232 bus protocol converter, the next crew of data acquisition module of the microcontroller and the CAN bus intelligent node to complete the real-time monitoring of the state of the environment of the home.System designs two CAN bus node, using temperature sensor DS18B20, humidity sensor DHT11, smog sensor MQ-2, BIS0001 infrared sensor, to detect circuitly indoor temperature and humidity, fire Pirates of the situation and other environmental information. Recording and monitoring of the data sent to the PC, the PC machine can check the records and history, the host computer and the CAN nodes are equipped with an alarm function, alarm upper and lower limits can be set through the button and the CAN-RS232 protocol conversion. The system hardware consists of the master chip STC89C52RC，CAN bus communication module, serial communications interface circuits, smoke concentration detection module, infrared detection module of human motion, temperature and humidity detection circuit, LCD circuits, etc. System software design, including VB PC monitoring program, the CAN-RS232 bus protocol conversion process, the intelligent node of the CAN bus communication program button to set the value of the program, LCD program.Keywords: Smart Home; the CAN bus; sensor; Visual Basic目 錄引言11 課題研究內(nèi)容21.1 課題背景21.2 課題意義22 系統(tǒng)設(shè)計概述32.1 設(shè)計任務(wù)32.2 系統(tǒng)設(shè)計原理32.3 系統(tǒng)設(shè)計方案32.4 系統(tǒng)可行性分析43 CAN總線概述63.1 CAN總線簡介63.2 CAN總線幀類型63.2.1 數(shù)據(jù)幀63.2.2 遠(yuǎn)程幀73.2.3 錯誤幀83.2.4 過載幀83.3 CAN報文過濾83.4 CAN錯誤處理83.4.1 錯誤檢測83.4.2 錯誤標(biāo)定94 硬件電路設(shè)計104.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)104.1.1 單片機(jī)STC89C52RC104.1.2 最小系統(tǒng)電路114.2 CAN總線模塊124.2.1 CAN控制器SJA1000124.2.2 CAN收發(fā)器TJA1050174.2.3 CAN模塊電路174.3 串口通信184.3.1 電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232184.3.2 串口通信電路194.4 溫濕度檢測模塊194.4.1 溫度傳感器DS18B20194.4.2 濕度傳感器DHT11194.4.3 溫濕度檢測電路204.5 煙霧檢測模塊204.6 紅外人體感應(yīng)模塊214.7 液晶顯示模塊214.8 報警電路224.9 按鍵電路225 系統(tǒng)軟件設(shè)計235.1 軟件整體設(shè)計235.2 CAN通信程序設(shè)計245.3 RS-232通信程序設(shè)計265.4 LCD1602液晶顯示程序設(shè)計275.5 按鍵設(shè)定值程序設(shè)計295.6 溫度采集程序設(shè)計295.7 濕度采集程序設(shè)計315.8 應(yīng)用軟件平臺簡介335.8.1 Keil C51335.8.2 Visual Basic 6.0346 系統(tǒng)調(diào)試376.1 硬件電路調(diào)試376.2 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)377 總結(jié)和展望41謝 辭42參考文獻(xiàn)43附 錄44 第 58 頁 共 57 頁引言科技的進(jìn)步，帶來經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時，也給人們的生活帶來無限的驚奇。不斷更新的生活方式，使得越來越多的人追求對生活的舒適度和享受度。智能家居作為新生力量呼之欲出，自然地走進(jìn)我們的生活，隨之，引領(lǐng)新一代的數(shù)字家庭生活。通過分析現(xiàn)有的智能家居解決方案，智能家居包括四個基本的功能模塊：家庭對外通信模塊、家庭網(wǎng)關(guān)模塊、家庭安全防范模塊、家庭設(shè)備自動控制模塊。本課題提取家庭安全防范模塊研究，設(shè)計基于CAN總線的智能家居控制系統(tǒng)。安全防范就是保障人們在生產(chǎn)、生活和一切社會活動中人身生命、財產(chǎn)和生產(chǎn)、生活設(shè)施不受侵犯，防止侵害行為的總稱。智能家居在滿足人們舒適、方便生活的同時，也要求為家庭提供安全防范方面的保障。它包含的內(nèi)容有防止入侵、盜竊、破壞、爆炸等，它的原則是“以防為主，打防并舉”，安全防范工作貫徹“人防、技防、物防”相結(jié)合的方針政策。因此，智能家居將家庭安全防范模塊定義為其四個基本要素之一。課題將安全防范的內(nèi)容分為兩部分，分別是家庭內(nèi)部環(huán)境安全、家庭對外非法入侵預(yù)防，這兩方面都體現(xiàn)出現(xiàn)代技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用。在本課題中，由于條件限制，并沒有對家庭安防模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對于家庭內(nèi)部環(huán)境安全，采用傳感器檢測室內(nèi)的溫濕度和煙霧濃度。對于家庭對外非法入侵預(yù)防，采用人體移動紅外檢測。本課題采用CAN總線設(shè)計智能家居組網(wǎng)系統(tǒng)，可以設(shè)計多路CAN智能節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同時對多個居室的環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)控。CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。因此，CAN總線在智能家居系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。1 課題研究內(nèi)容1.1 課題背景二十一世紀(jì)是信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，社會的信息化喚起了人們對住宅智能化及家居智能化的要求，智能住宅己成為中國房地產(chǎn)市場的主流。計算機(jī)行業(yè)和家電行業(yè)、電信行業(yè)、安防監(jiān)控行業(yè)的互相滲透、互相融合，使信息時代的未來家居生活逐步成為現(xiàn)實(shí)。建設(shè)部要求根據(jù)不同消費(fèi)者的需要，推動家居數(shù)字化、建筑智能化，可見中國智能家居市場潛力巨大。智能家居安防系統(tǒng)是集信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、無線電技術(shù)、模糊控制技術(shù)等多種技術(shù)為一體的綜合應(yīng)用。智能家居安防系統(tǒng)具有使用方便、安裝簡單、準(zhǔn)確及時的特點(diǎn)，非常適合居家安全防范措施的實(shí)施，它可以檢測居室內(nèi)的煤氣的泄漏情況、是否有火災(zāi)發(fā)生、是否發(fā)生水管爆裂、是否有小偷入室盜竊等危險的情況，并自動采取一定措施盡量把損失降到最小值，還以一定的無線方式去通知居室主人，讓主人可以采取一定的措施去處理這種不好事件，這樣就可以自動地與人為地去采取措施，去做到最好的安防。因此，隨著人們生活水平的不斷提高，白天離家去上班的人越來越多，這系統(tǒng)也會越來越受到青睬，加上目前智能安防系統(tǒng)的設(shè)計領(lǐng)域還很不完善，可以借以開發(fā)的無線網(wǎng)絡(luò)條件也越來越成熟，把這方面的設(shè)計產(chǎn)品化，將會有很廣闊的市場。1.2 課題意義 目前國內(nèi)越來越多智能化的商品已經(jīng)進(jìn)入到人們的生活，特別是在商品房小區(qū)里，人們都知道“安全第一”，所以家居安防的第一要義就是要保證家居的安全，給家居主人一些已經(jīng)發(fā)生了的危險情況的損失降到最低的程度。據(jù)預(yù)測，今后幾年智能家居市場會進(jìn)入一個行業(yè)整合階段，最終可能會出現(xiàn)一些規(guī)模較大、品牌影響較好的智能家居生產(chǎn)廠家。從產(chǎn)品角度來講，以后的智能家居產(chǎn)品會朝著實(shí)用化、傻瓜化（操作簡單）、模塊化的方向發(fā)展，所謂模塊化就是產(chǎn)品開發(fā)商把智能家居產(chǎn)品做成模塊化的，可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求任意搭配。這樣不僅可滿足不同層次用戶的需要，也可以省去不必要的端口模塊的費(fèi)用浪費(fèi)。目前國內(nèi)已在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)如北京、深圳、廣州、上海等地建立了一批智能住宅小區(qū)，而且正快速地向其他地區(qū)輻射，建設(shè)部已將智能化住宅小區(qū)列為國家重點(diǎn)發(fā)展方向。預(yù)計未來5到10年可以形成相當(dāng)規(guī)模的市場容量。屆時，智能住宅的發(fā)展還將帶動信息家電、物業(yè)管理等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。所以，智能家居的發(fā)展前景非常地好，且技術(shù)的研究還有很大的空間。2 系統(tǒng)設(shè)計概述2.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計多路CAN總線節(jié)點(diǎn)檢測室內(nèi)溫度濕度，火情盜情等參數(shù)，發(fā)至PC機(jī)記錄和監(jiān)控，并有報警功能，PC 機(jī)可查詢當(dāng)前記錄和歷史記錄。系統(tǒng)主要由三部分組成：上位監(jiān)控計算機(jī)、CAN-RS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和CAN總線智能節(jié)點(diǎn)。設(shè)計的具體內(nèi)容：（1）設(shè)計CAN-RS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器，把CAN報文儲存并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位監(jiān)控計算機(jī)。（2）設(shè)計CAN總線智能節(jié)點(diǎn)，包括四個部分：單片機(jī)及其外圍電路、CAN總線模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和傳感器檢測模塊（負(fù)責(zé)對環(huán)境參數(shù)的檢測）。（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計、CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計、CAN總線通信程序設(shè)計、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計以及其它控制程序。2.2 系統(tǒng)設(shè)計原理首先，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過CAN總線連接起來。CAN智能節(jié)點(diǎn)通過各傳感器模塊主動巡回檢測家居的當(dāng)前環(huán)境狀況，把采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)至CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器，再通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、顯示和管理。當(dāng)檢測到的環(huán)境信息意味著居家有危險時，下位機(jī)和上位機(jī)同時發(fā)出報警信號?？紤]到季節(jié)的變化，溫濕度的報警上下限可以在CAN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)通過按鍵和LCD1602設(shè)定，然后發(fā)送至各個CAN智能節(jié)點(diǎn)。2.3 系統(tǒng)設(shè)計方案上位監(jiān)控計算機(jī)CAN-RS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器CAN智能節(jié)點(diǎn)1CAN智能節(jié)點(diǎn)2RS232CAN總線圖2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上位監(jiān)控計算機(jī)、CAN-RS232總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和CAN智能節(jié)點(diǎn)等三部分構(gòu)成?？偩€兩端各有加一個120歐的電阻，對匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，將大大提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力。上位監(jiān)控計算機(jī)及監(jiān)控軟件組成該系統(tǒng)的監(jiān)控層，主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送以及各單元環(huán)境參數(shù)實(shí)時顯示。單片機(jī)LED指示LCD1602按鍵電路CAN控制器SJA1000CAN收發(fā)器TJA1050電平轉(zhuǎn)換MAX232RS232CAN總線圖2.2 C AN-RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖LED指示模塊用于指示這個模塊的運(yùn)行情況，便于管理和調(diào)試。按鍵和LCD1602用于設(shè)定溫濕度的上下限并顯示，設(shè)定之后通過CAN總線發(fā)送到各個智能節(jié)點(diǎn)。單片機(jī)溫濕度檢測模塊紅外檢測模塊煙霧檢測模塊CAN總線模塊報警電路CAN總線 圖2.3 CAN智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)通過各傳感器采集環(huán)境信息，按CAN規(guī)范規(guī)定的格式將其寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送命令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。對于接收過程，CAN總線上自動接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾后存人CAN接收緩沖區(qū)，向單片機(jī)發(fā)出中斷請求，此時單片機(jī)可從CAN接收緩沖區(qū)讀取要接收的數(shù)據(jù)。2.4 系統(tǒng)可行性分析CAN總線通信是本系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題，考慮到整個系統(tǒng)的可靠性，并結(jié)合考慮成本，決定采用CAN總線模塊，此模塊主要包括CAN總線控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器TJA1050。經(jīng)過測試，CAN模塊工作穩(wěn)定可靠。在傳感器的選擇上以方便使用、功率低、準(zhǔn)確性高、實(shí)用性強(qiáng)為出發(fā)點(diǎn)去考慮，采用以下傳感器：DS18B20、DHT11、紅外人體感應(yīng)模塊、煙霧傳感器MQ-2。其他的器件均采用經(jīng)濟(jì)常用的LCD1602、蜂鳴器等。3 CAN總線概述3.1 CAN總線簡介控制器局域網(wǎng) CAN 為串行通訊協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實(shí)時控制。CAN 的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用 CAN。在汽車電子行業(yè)里，使用 CAN 連接發(fā)動機(jī)控制單元、傳感器、防剎車系統(tǒng)、等等，其傳輸速度可達(dá)1 Mbit/s。同時，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統(tǒng)里，諸如車燈組、電氣車窗等等，用以代替接線配線裝置。根據(jù) ISO/OSI 參考模型，CAN總線由數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，功能由CAN控制器來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制LLC子層和介質(zhì)訪問控制MAC子層，邏輯鏈路控制子層 (LLC)的作用范圍如下：為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)；確定由實(shí)際要使用的LLC 子層接收哪一個報文；為恢復(fù)管理和過載通知提供手段。MAC子層的作用主要是傳送規(guī)則，包括控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標(biāo)定、故障界定?？偩€上什么時候開始發(fā)送新報文，什么時候開始接收報文，均在MAC子層里確定。位定時的一些普通功能也可以看作是 MAC子層的一部分。理所當(dāng)然，MAC子層的修改是受到限制的。物理層的作用是在不同節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)所有的電氣屬性進(jìn)行位的實(shí)際傳輸。同一網(wǎng)絡(luò)的物理層對于所有的節(jié)點(diǎn)當(dāng)然是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的，物理通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。總線可以有兩個互補(bǔ)的邏輯值之一：“顯性”或“隱性”。在“顯性”和“隱性”位同時傳送期間，總線值將是“顯性”。例如，在實(shí)現(xiàn)線與時，“顯性”代表一個邏輯“0”，“隱性”代表邏輯“1”。3.2 CAN總線幀類型CAN總線有兩種不同的幀格式，不同之處為識別符的長度不同：具有11位識別符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，含有29位識別符的幀為擴(kuò)展幀。本課題使用擴(kuò)展幀進(jìn)行通信，因此，只對擴(kuò)展幀進(jìn)行介紹。CAN報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示和控制： 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌?遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。 錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時。 3.2.1 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾。數(shù)據(jù)場的長度可以為0 。幀起始：幀起始（SOF）標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由一個“顯性”位組成。只在總線空閑時才允許任何節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送（信號）。仲裁場：擴(kuò)展格式里，仲裁場包括 29位識別符、SRR位、IDE 位、RTR位。其識別符由 ID-28. ID-0，包含兩個部分：11位基本ID、18位擴(kuò)展ID?；綢D按 ID-28 到ID-18 的順序發(fā)送。它相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)識別符的格式?；?ID定義擴(kuò)展幀的基本優(yōu)先權(quán)。擴(kuò)展ID包括18位。它按 ID-17 到ID-0 順序發(fā)送。 圖3.1 CAN數(shù)據(jù)幀仲裁場結(jié)構(gòu)圖 RTR的全稱為“遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（Remote Transmission Request BIT）”。RTR位在數(shù)據(jù)幀里必須為“顯性”，在遠(yuǎn)程幀里必須為“隱性SRR的全稱是“替代遠(yuǎn)程請求位（Substitute Remote Request BIT）”。SRR是一隱性位。它在擴(kuò)展格式的標(biāo)準(zhǔn)幀RTR位位置，因此代替標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR位。 因此，標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)展幀的沖突是通過標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先于擴(kuò)展幀這一途徑得以解決的。IDE 的全稱是“識別符擴(kuò)展位（Identifier Extension Bit ）”，標(biāo)準(zhǔn)格式里的IDE 位為“顯性”，而擴(kuò)展格式里的IDE 位為“隱性”?？刂茍觯簲?shù)據(jù)長度代碼指示數(shù)據(jù)場里的字節(jié)數(shù)量。數(shù)據(jù)長度代碼為4 個位，所以數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)可以是08個字節(jié)。數(shù)據(jù)場：數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀里的發(fā)送數(shù)據(jù)組成。它可以為0 8 個字節(jié)，每字節(jié)包含8個位，首先發(fā)送 MSB。CRC場：CRC場包括CRC序列（CRC SEQUENCE），其后是CRC界定符（CRC DELIMITER ）。應(yīng)答場：應(yīng)答場長度為2 個位，包含應(yīng)答間隙（ACK SLOT ）和應(yīng)答界定符（ACK DELIMITER）。在ACK場（應(yīng)答場）里，發(fā)送站發(fā)送兩個“隱性”位。當(dāng)接收器正確地接收到有效的報文，接收器就會在應(yīng)答間隙（ACK SLOT ）期間（發(fā)送 ACK信號）向發(fā)送器發(fā)送一“顯性”位以示應(yīng)答。 幀結(jié)尾：每一個數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由一標(biāo)志序列定界。這個標(biāo)志序列由7個“隱性”的位組成。3.2.2 遠(yuǎn)程幀通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，作為某數(shù)據(jù)接收器的站可以初始化通過其資源節(jié)點(diǎn)傳送不同的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程幀由6個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾。與數(shù)據(jù)幀相反，遠(yuǎn)程幀的RTR位是“隱性”的。它沒有數(shù)據(jù)場，數(shù)據(jù)長度代碼的數(shù)值是不受制約的（可以標(biāo)注為容許范圍里0.8 的任何數(shù)值）。此數(shù)值是相應(yīng)于數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度代碼。3.2.3 錯誤幀錯誤幀由兩個不同的場組成。第一個場用是不同站提供的錯誤標(biāo)志（ERROR FLAG）的疊加。第二個場是錯誤界定符。錯誤標(biāo)志有兩種形式的錯誤標(biāo)志：主動錯誤標(biāo)志和被動錯誤標(biāo)志。錯誤界定符包括8個“隱性”的位。3.2.4 過載幀過載幀包括兩個位場：過載標(biāo)志和過載界定符。過載標(biāo)志由6 個“顯性”的位組成，過載界定符包括8 個“隱性”的位。有種過載的情況，這三種情況都會引發(fā)過載標(biāo)志的傳送： 接收器的內(nèi)部情況（此接收器對于下一數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀需要有一延時）。 在間歇的第一和第二字節(jié)檢測到一個“顯性”位。 如果CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤界定符或過載界定符的第8 位（最后一位）采樣到一個顯性位，節(jié)點(diǎn)會發(fā)送一個過載幀（不是錯誤幀）。錯誤計數(shù)器不會增加。3.3 CAN報文過濾報文濾波取決于整個識別符。允許在報文濾波中將任何的識別符位設(shè)置為“不考慮”的可選屏蔽寄存器，可以選擇多組的識別符，使之被映射到隸屬的接收緩沖器里。 如果使用屏蔽寄存器，它的每一個位必須是可編程的，即，他們能夠被允許或禁止報文濾波。屏蔽寄存器的長度可以包含整個識別符，也可以包含部分的識別符。3.4 CAN錯誤處理3.4.1 錯誤檢測有以下5 種不同的錯誤類型（這5種錯誤不會相互排斥） 位錯誤（Bit Error ） 單元在發(fā)送位的同時也對總線進(jìn)行監(jiān)視。如果所發(fā)送的位值與所監(jiān)視的位值不相符合，則在此位時間里檢測到一個位錯誤。但是在仲裁場（ARBITRATION FIELD ）的填充位流期間或應(yīng)答間隙（ACK SLOT ）發(fā)送一“隱性”位的情況是例外的 此時，當(dāng)監(jiān)視到一“顯性”位時，不會發(fā)出位錯誤。當(dāng)發(fā)送器發(fā)送一個被動錯誤標(biāo)志但檢測到“顯性”位時，也不視為位錯誤。 填充錯誤（Struff Error ） 如果在使用位填充法進(jìn)行編碼的信息中，出現(xiàn)了第 6 個連續(xù)相同的位電平時，將檢測到一個填充錯誤。 CRC錯誤（CRC Error） CRC序列包括發(fā)送器的CRC計算結(jié)果。接收器計算CRC的方法與發(fā)送器相同。如果計算結(jié)果與接收到CRC序列的結(jié)果不相符，則檢測到一個CRC錯誤。 形式錯誤（Form Error ） 當(dāng)一個固定形式的位場含有1個或多個非法位，則檢測到一個形式錯誤。(備注：接收器的幀末尾最后一位期間的顯性位不被當(dāng)作幀錯誤) 應(yīng)答錯誤（Acknowledgment Error） 只要在應(yīng)答間隙（ACK SLOT ）期間所監(jiān)視的位不為“顯性”，則發(fā)送器會檢測到一個應(yīng)答錯誤。 3.4.2 錯誤標(biāo)定檢測到錯誤條件的站通過發(fā)送錯誤標(biāo)志指示錯誤。對于“錯誤主動”的節(jié)點(diǎn)，錯誤信息為“主動錯誤標(biāo)志”，對于“錯誤被動”的節(jié)點(diǎn)，錯誤信息為“被動錯誤標(biāo)志”。站檢測到無論是位錯誤、填充錯誤、形式錯誤，還是應(yīng)答錯誤，這個站會在下一位時發(fā)出錯誤標(biāo)志信息。 只要檢測到的錯誤的條件是CRC錯誤，錯誤標(biāo)志的發(fā)送開始于ACK界定符之后的位（其他的錯誤條件除外）。4 硬件電路設(shè)計4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.1.1 單片機(jī)STC89C52RCCAN智能節(jié)點(diǎn)和CAN-RS232采用STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片。它是一款兼容51內(nèi)核的增強(qiáng)型8位機(jī)，片上資源豐富，抗干擾能力突出。STC89C52有如下特點(diǎn)：40個引腳，8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89C52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz，6T/12T可選。圖4.1 單片機(jī)STC89C52引腳圖圖4.1為STC89C52RC單片機(jī)的引腳圖，在單片機(jī)的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復(fù)用的引腳，32條輸入/輸出（I/O）引腳； XTAL1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時，對HMOS單片機(jī)，此引腳應(yīng)接地；對CHMOS單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動端； XTAL2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對HMOS單片機(jī)，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對XHMOS，此引腳應(yīng)懸??；RST/VPD（9腳）當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個約10F的電容，以保證可靠地復(fù)位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍（50.5V）內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源； P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LS型的TTL負(fù)載； P1口（1腳至8腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負(fù)載。對8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時/計數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)，即T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗(yàn)證時，它接收低8位地址； P2口（21腳至28腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴(kuò)展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它接收高8位地址。P2可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負(fù)載； P3口（10腳至17腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口。P3能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負(fù)載。P3各口線的第二功能定義 ：P3.0 10 RXD（串行輸入口）； P3.1 11 TXD（串行輸出口）；P3.2 12 INT0（外部中斷0）；P3.3 13 INT1（外部中斷1）；P3.4 14 T0（器0外部輸入）；P3.5 15 T1（定時器1外部輸入）；P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖）；P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）。4.1.2 最小系統(tǒng)電路圖4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖單片機(jī)最小系統(tǒng)電路很簡單，包括部分外圍電路：復(fù)位電路和晶振電路。在復(fù)位電路上電的瞬間，RC電路充電，由于電容的電壓不能突變，所以RST引腳出現(xiàn)高電平。RST引腳出現(xiàn)的高電平將會隨著對電容的充電過程而逐漸回落，為保證正確復(fù)位，RST引腳出現(xiàn)的高電平需要持續(xù)兩個機(jī)器周期以上的時間。因此，需要合理選擇復(fù)位電路的電阻和電容，通常取10K和10uf。4.2 CAN總線模塊4.2.1 CAN控制器SJA1000 SJA1000概述SJA1000是一種獨(dú)立控制器用于移動目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制(CAN),它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代產(chǎn)品,而且它增加一種新的工模式PeliCAN,這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。SJA1000部分功能模塊說明如下： 接口管理邏輯(IML): 接口管理邏輯解釋來自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址，向主控制器提供中斷信息和狀態(tài)信息。 發(fā)送緩沖器(TXB): 發(fā)送緩沖器是CPU和BSP(位流處理器)之間的接口，能夠存儲發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)上的完整信息。緩沖器長13個字節(jié)，由CPU寫入，BSP讀出。 接收緩沖器(RXB,RXFIFO): 接收緩沖器是驗(yàn)收濾波器和CPU之間的接口，用來儲存從CAN總線上接收和接收的信息。接收緩沖器(RXB,13個字節(jié))作為接收FIFO(RXFIFO,長64字節(jié))的一個窗口,可被CPU訪問。 驗(yàn)收濾波器(ACF): 驗(yàn)收濾波器把它其中的數(shù)據(jù)和接收的識別碼的內(nèi)容相比較，以決定是否接收信息。 SJA1000引腳定義AD0-AD7: 多路地址/ 數(shù)據(jù)總線。ALE/AS: ALE 輸入信號(Intel模式),AS輸入信號(Motorola 模式)。/CS: 片選輸入,低電平允許訪問SJA1000。(/RD)/E: 微控制器的/RD信號(Intel模式)或E使能信號(Motorola 模式)。/WR: 微控制器的/WR信號(Intel 模式),或RD/(/WR)信號(Motorola模式)。CLKOUT: SJA1000產(chǎn)生的提供給微控制器的時鐘輸出信號，時鐘信號來源于內(nèi)部振蕩器且通過編程驅(qū)動時鐘控制寄存器的時鐘關(guān)閉位，可禁止該引腳。Vss1: 接地。XTAL1: 輸入到振蕩器放大電路,外部振蕩信號由此輸入。XTAL2: 振蕩放大電路輸出，使用外部振蕩信號時左開路輸出。MODE: 模式選擇輸入,1=Intel模式,0=Motorola模式。VDD3: 輸出驅(qū)動的5V電壓源。TX0: 從CAN輸出驅(qū)動器0 輸出到物理線路上。TX1: 從CAN輸出驅(qū)動器1 輸出到物理線路上。Vss3: 輸出驅(qū)動器接地。/INT: 中斷輸出用于中斷微控制器，/INT在內(nèi)部中斷寄存器各位都被置位時低電平有效，/INT是開漏輸出，且與系統(tǒng)中的其它/INT是線或的,此引腳上的低電平可以把IC從睡眠模式中激活。/RST: 復(fù)位輸入用于復(fù)位CAN接口(低電平有效)，把/RST引腳通過電容連到VSS 通過電阻連到VDD可自動上電復(fù)位。VDD2: 輸入比較器的5V電壓源。RX0,RX1: 從物理的CAN總線輸入到SJA1000的輸入比較器，支配(控制)電平將會喚醒SJA1000的睡眠模式；如果RX1比RX0的電平高，就讀支配(控制)電平，反之讀弱勢電平；如果時鐘分頻寄存器的CBP位被置位，就旁路CAN輸入比較器以減少內(nèi)部延時(此時連有外部收發(fā)電路)，這種情況下只有RX0是激活的；弱勢電平被認(rèn)為是高而支配電平被認(rèn)為是低。VSS2: 輸入比較器的接地端。VDD1: 邏輯電路的5V電壓源。 圖4.3 SJA1000引腳圖 SJA1000寄存器(PeliCAN模式)CAN控制寄存器的內(nèi)部寄存器對CPU來說是以外部寄存器形式存在而作片內(nèi)內(nèi)存使用。因?yàn)镃AN控制器可以工作于不同模式(工作/復(fù)位),所以必須區(qū)分不同的內(nèi)部地址定義。從CAN地址32起所有的內(nèi)部RAM(80字節(jié))被映象為CPU的接口。 模式寄存器（MOD）: 模式寄存器的內(nèi)容是用來改變CAN控制器的行為的。CPU把控制寄存器作為讀/寫寄存器，可以設(shè)置這些位，保留位讀值為邏輯0。 模式寄存器的地址為“0”，其各位功能如下： MOD.7-MOD.5：保留；MOD.4（SM）：睡眠模式，“1”進(jìn)入睡眠模式，“0”從睡眠模式喚醒；MOD.3（AFM）：驗(yàn)收濾波器模式，“1”單濾波模式，“0”雙濾波模式；MOD.2（STM）：自檢測模式，“1”進(jìn)入自檢測模式，“0”正常模式；MOD.1（LOM）：只聽模式，“1”進(jìn)入只聽模式，“0”正常模式；MOD.0(RM)：復(fù)位模式，“1”進(jìn)入復(fù)位模式，“0”退出復(fù)位模式，進(jìn)入正常模式； 命令寄存器（CMR）：CAN地址“1”。命令位初始化CAN控制器傳輸層的一個動作。這個寄存器是只寫的，所有位的讀出值都是邏輯0。因處理的需要，兩條命令之間至少有一個內(nèi)部時鐘周期。內(nèi)部時鐘周期的頻率是外部振蕩器的一半。表4.1 SAJ1000命令寄存器（CMR）各位功能說明 狀態(tài)寄存器（SR）：CAN地址“2”。狀態(tài)寄存器反映CAN控制器的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器對CPU來說是只讀內(nèi)存。表4.2 SJA1000狀態(tài)寄存器(SR)各位功能說明 中斷寄存器（IR）：CAN地址“3”。中斷寄存器允許中斷源的識別。當(dāng)這個寄存器的一位或多位被置位時，CAN中斷將反映到CPU 。CPU讀此寄存器的時候除了接收中斷外的所有位都被復(fù)位，中斷寄存器對CUP來說是只讀存儲器。表4.3 SJA1000中斷寄存器(IR)位功能說明 中斷使能寄存器（IER）：CAN地址“4”。這個寄存器能使不同類型的中斷源對CPU有效，這個寄存器對CPU來說是可讀/ 寫存儲器。表4.4 SJA1000中斷使能寄存器（IER）位功能說明 發(fā)送緩沖器（TX）：CAN地址“16-28”。發(fā)送緩沖器被分為描述符區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，描述符區(qū)的第一個字節(jié)是幀信息字節(jié)（幀信息）。它說明了幀格式（SFF或EFF）、遠(yuǎn)程或數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)長度。SFF有兩個字節(jié)的識別碼，EFF有四個字節(jié)的識別碼。數(shù)據(jù)區(qū)最多長8個數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送緩沖器長13個字節(jié)。 表4.5 SJA1000發(fā)送緩沖器列表（擴(kuò)展幀） 接收緩沖器（RX）：CAN地址“16-28”。接收緩沖器的列表與前面一節(jié)講述的發(fā)送緩沖器很相似，接收緩沖器是RXFIFO 的可訪問部分。每條信息分為描述符和數(shù)據(jù)區(qū)。 圖4.4 SJA1000接收緩沖器信息存儲示意圖 驗(yàn)收濾波器：在驗(yàn)收濾波器的幫助下，只有當(dāng)接收信息中的識別位和驗(yàn)收濾波器預(yù)定義的值相等時，CAN控制器才允許將已接收信息存入RXFIFO。驗(yàn)收濾波器由驗(yàn)收代碼寄存器(ACRn)和驗(yàn)收屏蔽寄存（AMRn）定義要接收的信息的位模式在驗(yàn)收代碼寄存器中定義相應(yīng)的驗(yàn)收屏蔽寄存器允許定義某些位為“不影響”（即可為任意值）。 有兩種不同的過濾模式可在模式寄存器中選擇MOD.3 AFM。單濾波器模式（AFM位是1），雙濾波器模式（AFM位是0），本設(shè)計使用雙濾波模式。 雙濾波模式配置可以定義兩個短濾波器。一條接收的信息要和兩個濾波器比較來決定是否放入接收緩沖器中，至少有一個濾波器發(fā)出接受信號，接收的信息才有效。濾波器字節(jié)和信息字節(jié)之間位的對應(yīng)關(guān)系取決于當(dāng)前接收的幀格式。 總線時序寄存器0、1（BTR0、BTR1）：CAN地址6，7?？偩€定時寄存器0 定義波特率預(yù)設(shè)值（BRP）和同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW ）的值，總線定時寄存器1 定義每個位周期的長度采樣點(diǎn)的位置和在每個采樣點(diǎn)的采樣數(shù)目。復(fù)位模式有效時這兩個寄存器是可以被訪問（讀/寫）的。如果選擇的是PeliCAN模式此寄存器在工作模式中是只讀的。 表4.6 SJA1000總線時序寄存器0（BTR0）位功能說明表4.7 SJA1000總線時序寄存器1（BTR1）位功能說明 輸出控制寄存器（OCR）：CAN地址8。輸出控制寄存器實(shí)現(xiàn)由軟件控制不同輸出驅(qū)動配置的建立。在復(fù)位模式中此寄存器可被讀/寫訪問。在PeliCAN 模式的工作模式中這個寄存器是只讀的，在BasicCAN 模式中總是FFH。 表4.8 SJA1000輸出寄存器（OCR）位功能說明表4.9 輸出寄存器（OCR）OCMODE位的說明4.2.2 CAN收發(fā)器TJA1050TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。TJA1050有如下特征：與“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容；速度高（最高可達(dá)1M波特）；低電磁輻射（EME）； 具帶有寬輸入范圍的差動接收器，可抗電磁干擾（EMI）；沒有上電的節(jié)點(diǎn)不會對總線造成干擾；發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）控制超時功能；發(fā)送禁能時的靜音模式；在暫態(tài)時自動對總線引腳進(jìn)行保護(hù)；輸入級與3.3V裝置兼容；熱保護(hù)；對電源和地的防短路功能；可以連接至少110個節(jié)點(diǎn)。圖4.5 TJA1050引腳圖表4.10 TJA1050引腳說明4.2.3 CAN模塊電路STC89C52TJA1050 圖4.6 CAN模塊電路接口圖 電路主要由四部分構(gòu)成： 微控制器STC89C52、獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000、 CAN總線收發(fā)器TJA1050和高速光電耦合器6N137。微處理器STC89C52負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。 SJA1000的AD0AD7連接到STC89C52的P0口。CS連接到單片機(jī)的P2.0，P2.0為0的CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作。SJA1000的RD、WR、ALE分別與STC89C52的對應(yīng)引腳相連，INT接STC89C52的INT0。為增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與TJA1050的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后與TJA1050相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。4.3 串口通信4.3.1 電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232MAX232芯片是專門為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。該器件包含2個驅(qū)動器2個接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。MAX232芯片引腳圖如下所示： 圖4.7 MAX232引腳圖 引腳介紹： 第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13