第9章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX2014.7

第9章短距離有線通信技術(shù)9.1數(shù)據(jù)終端間的通信及接口特性9.2

EIARS-232C9.3

RS系列接口及各種串行接口性能比較9.4

USB串行總線及其應(yīng)用9.5

CAN總線本章小結(jié)

9.1數(shù)據(jù)終端間的通信及接口特性

物聯(lián)網(wǎng)中的感知控制層通信系統(tǒng)可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)感知控制終端（以下簡(jiǎn)稱為物聯(lián)網(wǎng)終端）和匯聚設(shè)備均可看成是對(duì)等通信的數(shù)據(jù)終端設(shè)備。數(shù)據(jù)終端間通信時(shí)需要通過數(shù)據(jù)通信設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行某種變換和處理后才能適合有線或無線信道的傳輸。數(shù)據(jù)終端間通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9.1.1所示。圖9.1.1數(shù)據(jù)終端間通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖9.1.1中，數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DataTerminalEquipment，DTE)是指物聯(lián)網(wǎng)終端或物聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)設(shè)備，以及其他數(shù)據(jù)終端設(shè)備。數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DataCommunicationEquipment，DCE)可以是調(diào)制解調(diào)器(Modem)、線路適配器、信號(hào)變換器等。對(duì)于不同的通信線路，為了使不同廠家的產(chǎn)品能夠互連，DTE與DCE在插接方式、引腳分配、電氣性能及應(yīng)答關(guān)系上均應(yīng)符合統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCITT)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(ElectronicIndustriesAssociation，EIA)為各種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)制定了開放互聯(lián)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)如表9.1.1所示，包括了機(jī)械特性(MechanicalCharacteristics)、

電氣特性(ElectricalCharacteristics)、功能特性(FunctionCharacteristic)、過程特性ProceduralCharacteristic)四個(gè)方面。（1）機(jī)械特性。

機(jī)械特性涉及的是DTE和DCE的實(shí)際物理連接。典型的

是，信號(hào)以及控制信息的交換電路被捆扎成一根電纜，該電纜的兩端各有一個(gè)終接插頭，該插頭可以是“公”插頭，也可以是“母”插頭。位于電纜兩端的DCE和DCE必須具有“性別”相反的插頭，以實(shí)現(xiàn)物理上的連接。如一端為“公”插頭，則另一端必須為“母”插頭。（2）電氣特性。電氣特性與電壓電平及電壓變換的時(shí)序相關(guān)。DTE和DCE都必須使用相同的編碼，相向的電壓電平必須是不同的含義，而且還必須使用持續(xù)時(shí)間相同的信號(hào)元素等。這些特性決定了能夠達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離。（3）功能特性。功能特性定義的各種功能由具有各種不同的交換電路來執(zhí)行。這些功能分為數(shù)據(jù)電路、控制電路、時(shí)序電路以及電氣接地等。（4）過程特性。過程特性(定義了傳輸數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生的時(shí)間序列，它依據(jù)的是接口的功能特性。

DTE/DCE間的接口類型較多，目前最通用的類型有：美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)的RS-232C接口；國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)的V系列接口、X系列接口；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO2110、ISO1177等。

EIARS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)于1969年頒布的一個(gè)使用串行二進(jìn)制方式的DTE與DCE間的接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是RecommendedStandard的縮寫，232是標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記號(hào)碼。由于該接口標(biāo)準(zhǔn)推出較早，并對(duì)各種特性都做了明確的規(guī)定，因此成為了一種非常通用的串行通信接口，目前幾乎所有的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)通信都兼容該標(biāo)準(zhǔn)。

9.2EIARS-232C

9.2.1特性功能

1.機(jī)械性能

RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)中定義了一個(gè)具有特定引腳排列順序的25針插頭和插座，其引腳排列如圖9.2.1所示。圖9.2.1RS-232C引腳結(jié)構(gòu)在圖9.2.1中，上、下共兩排引腳。第一排從左到右共13針，第二排從左到右共12針。各針的功能如表9.2.1所示。雖然RS-232C定義了25個(gè)引腳，但實(shí)際應(yīng)用于串行通信時(shí)僅需

要9個(gè)電壓信號(hào)，即兩個(gè)收發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)RXD和TXD、6個(gè)控制信號(hào)和1個(gè)信號(hào)地。由于計(jì)算機(jī)除支持EIA電壓接口外，還需支持20mA電流接口，另需4個(gè)電流信號(hào)，因此采用了25針連

接器作為DTE與DCE間通信電纜的連接器。由于大部分?jǐn)?shù)據(jù)終端設(shè)備取消了電流環(huán)路接口，所以常采用9針連接器。9針連接器的引腳分配如圖9.2.2所示。圖9.2.2中，引腳1為載波探測(cè)DCD；引腳2為接收數(shù)據(jù)RxD；引腳3為發(fā)送數(shù)據(jù)TxD；引腳4為DTE就緒DTR；引腳5為信號(hào)地GND；引腳6為準(zhǔn)備就緒DSR；引腳7為請(qǐng)求發(fā)送RTS；引腳8為清除發(fā)送CTS；引腳9為振鈴指示RI。圖9.2.2RS-232C9引腳結(jié)構(gòu)

2.電氣特性

數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)/數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)特性主要規(guī)定了發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器與接收端接收器的電平關(guān)系、負(fù)載要求、信號(hào)速率及連接距離等。

在TxD和RxD上要求邏輯“1”(MARK)為－3~－15V，邏輯“0”(SPACE)為+3~+15V。

在RTS、CTS、DTR和DCD等控制線上要求信號(hào)有效電壓為+3~+15V，信號(hào)無效電壓為－3~－15V。上述規(guī)定說明了RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)信息，邏輯“1”的電平應(yīng)[JP2]低于－3V，邏輯“0”的電平應(yīng)高于+3V。對(duì)于控制信號(hào)，接通狀態(tài)(ON)，即信號(hào)有效的電平高于+3V；斷開狀態(tài)(OFF)，即信號(hào)電平無效的電平應(yīng)低于－3V。當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于3V時(shí)，電路就可以有效地檢測(cè)，而介于－3~+3V間的電壓電平、低于－15V或高于+15V的電壓電平都是無意義的。因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電壓電平在+5~－5V之間。

3.功能特性

DTE/DCE接口連線的功能特性主要是對(duì)各引腳的功能進(jìn)行定義，并說明它們之間的相互關(guān)系。RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了21條信號(hào)線和25芯連接，表9.2.2為RS-232C與V.24接口電路的功能約定。組成接口的信號(hào)線按其功能可分為數(shù)據(jù)信號(hào)線、控制信號(hào)線、定時(shí)和接地4類。

數(shù)據(jù)信號(hào)線是用來傳送數(shù)據(jù)的，RS-232C是串行傳輸?shù)慕涌跇?biāo)準(zhǔn)，接收、發(fā)送各用一條信號(hào)線。在RS-232C中，正向傳輸控制線共有9條，其中請(qǐng)求發(fā)送、允許發(fā)送、數(shù)據(jù)線路設(shè)備準(zhǔn)備就緒、數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒、數(shù)據(jù)載波檢測(cè)、呼叫指示是最基本的控制電路。定時(shí)用于同步通信方式，是傳送數(shù)據(jù)信號(hào)定時(shí)信息的信號(hào)線路，有發(fā)送端控制和接收端控制兩種。定時(shí)功能在異步通信時(shí)無效。另外RS-232C中還定義了兩條保護(hù)地線和信號(hào)地線。

4.過程特性

DTE/DCE接口的過程特性規(guī)定了各接口之間的相互關(guān)系、動(dòng)作順序以及維護(hù)測(cè)試操作等方面的內(nèi)容。下面以發(fā)送數(shù)據(jù)為例來說明接口的工作過程。

當(dāng)數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，置RS-232C中的CD線（數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒DTR）為高電平（ON狀態(tài)），通知本地?cái)?shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)，如Modem等，表示數(shù)據(jù)終端已準(zhǔn)備好。本地Modem如果也準(zhǔn)備好，即說明DCE與DTE連接成功，此時(shí)Modem中的RS-232C中的CC（數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備DSR）響應(yīng)此信號(hào)，DTE和DCE可以開始控制信號(hào)的收發(fā)。

DTE置電路RS-232C中CA（請(qǐng)求發(fā)送RTS）為高電平，通知本地Modem請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。本地Modem檢測(cè)到CA信號(hào)后，一方面立即控制Modem發(fā)送載波，另一方面通過延遲電路控制RS-232C中CB（允許發(fā)送CTS）的接通。電路RTS和CTS間的關(guān)系如圖9.2.3所示。由于遠(yuǎn)端設(shè)備從載波到達(dá)至載波檢出，直到接通RS-232C中CF（數(shù)據(jù)載波檢測(cè)DCD）必須經(jīng)過一定的時(shí)延t3，如果此時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)是不能被遠(yuǎn)端正確接收的，所以本地的CTS變成ON之前的時(shí)間t1必須大于t3，時(shí)序如圖9.2.4所示。當(dāng)遠(yuǎn)端Modem檢測(cè)到載波信號(hào)后，置DCD為ON，通知遠(yuǎn)端接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)。圖9.2.3RTS和CTS間的關(guān)系圖9.2.4DCD和CTS間的關(guān)系

DTE檢測(cè)到CTS位ON后，即可通過RS-232C中BA（發(fā)送數(shù)據(jù)TxD）發(fā)送數(shù)據(jù)，并用RS-232C中的BB（數(shù)據(jù)接收RxD）接收遠(yuǎn)端發(fā)來的數(shù)據(jù)。

DTE發(fā)送完數(shù)據(jù)后，置RTS線為OFF，通知本地Modem發(fā)送結(jié)束。本地Modem檢測(cè)到RTS為OFF后，立即停止發(fā)送載波，并置CTS為OFF，作為對(duì)DTE的應(yīng)答。遠(yuǎn)端Modem檢測(cè)不到載波后，置DCD和CE（呼叫指示器）線為低電平，恢復(fù)初始狀態(tài)。

5.RS-232C與TTL的轉(zhuǎn)換

RS-232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯“0”和“1”的，與TTL以高低電平表示邏輯“1”和“0”不同。為了使數(shù)據(jù)終端設(shè)備的TTL部件能夠與RS-232C接口連接，需在這兩者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路可采用集成電路芯片來完成。目前較為廣泛使用的轉(zhuǎn)換芯片有MAX232、MC1488、SN75150、MC1489和SN75154等，其中MAX232能實(shí)現(xiàn)TTL與RS-232C之間的雙向轉(zhuǎn)換。9.2.2RS-232C的短距離通信技術(shù)

在短（近）距離通信時(shí)，不需要諸如Modem等數(shù)據(jù)通信設(shè)備，可直接用電纜來連接，此時(shí)僅用少量幾根線即可。一種常用的最簡(jiǎn)單的情況是不使用RS-232C中的任何控制線，只需要用發(fā)送線TxD、接收線RxD和信號(hào)地線SG這3根線，便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步通信。連接方式如圖9.2.5所示。在圖9.2.5中，DTE1中的2號(hào)線與DTE2中的3號(hào)線連接，DET1中的3號(hào)線與DTE2中的2號(hào)線連接，DTE1與DTE2中的7號(hào)線直接連接，DTE1及DTE2中的4號(hào)線與5號(hào)線連接、6號(hào)線與20號(hào)線連接。圖9.2.5最簡(jiǎn)單連接方式另一種較簡(jiǎn)單的情況是考慮它們之間的聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)，連接方式如圖9.2.6所示。這種情況下通信雙方的握手信號(hào)關(guān)系如下：

（1）一方的數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(DTR)和對(duì)方的數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好(DSR)及振鈴信號(hào)(RI)兩個(gè)信號(hào)線互連。這時(shí)，若DTR有效，則對(duì)方的RI立即有效，產(chǎn)生呼叫并應(yīng)答，同時(shí)又使對(duì)方的DSR有效。（2）一方的請(qǐng)求發(fā)送(RTS)端及允許發(fā)送(CTS)端自環(huán)，并與對(duì)方的數(shù)據(jù)載波檢出(DCD)端互連，這時(shí)若請(qǐng)求發(fā)送(RTS)有效，則立即得到發(fā)送允許(CTS)有效，同時(shí)使對(duì)方的(DCD)有效，即檢測(cè)到載波信號(hào)，表明數(shù)據(jù)通信信道已接通。（3）雙方的發(fā)送數(shù)據(jù)(TxD)端和接收數(shù)據(jù)(RxD)端互連，即意味著雙方都是數(shù)據(jù)終端，只要上述雙方的握手信號(hào)一經(jīng)建立即可進(jìn)行全雙工或半雙工通信。圖9.2.6標(biāo)準(zhǔn)連接方式

EIARS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大傳輸距離為15m，最高傳輸速率不高于20b/s。為了解決傳輸距離不夠遠(yuǎn)及傳輸速率不夠高的問題，EIA在RS-232C的基礎(chǔ)上制定了更高性能的

串行通信標(biāo)準(zhǔn)。

9.3RS系列接口及各種串行接口性能比較9.3.1RS-422A、RS-423及RS-485

1.RS-422A

RS-422A標(biāo)準(zhǔn)是一種以平衡方式傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。平衡方式是指雙端發(fā)送和雙端接收，因此傳輸信號(hào)須采用兩條線路，發(fā)送端和接收端分別采用平衡發(fā)送器和差動(dòng)接收器。其結(jié)構(gòu)如圖9.3.1所示。圖9.3.1RS-422A的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

RS-422A標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性對(duì)邏輯電平的定義是根據(jù)兩條線間的電壓差來決定的。當(dāng)AA′的電平比BB′的電平低－2V時(shí)，表示邏輯“1”；當(dāng)AA′的電平比BB′的電平高+2V時(shí)，表示邏輯“0”。這種方式與RS-232C采用單端接收器和單端發(fā)送器時(shí)僅采用一條信號(hào)線來傳送信息，且由信號(hào)線與公共信號(hào)地線間的電平大小來決定邏輯“1”和“0”的方式是不同的。

RS-422A電路是通過平衡發(fā)送器把邏輯電平轉(zhuǎn)換為電位差來發(fā)送信息的，同時(shí)，通過差動(dòng)接收器把電位差轉(zhuǎn)換為邏輯電平，從而實(shí)現(xiàn)信息的收發(fā)。RS-422A由于采用了雙線傳輸，大大增加了抗共模干擾的能力，因此當(dāng)傳輸距離限制在15m內(nèi)時(shí)，它的最大傳輸速率可達(dá)10Mb/s；當(dāng)傳輸速率為90kb/s時(shí)，其最大傳輸距離為120m。

RS-422A接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了發(fā)送端只有1個(gè)發(fā)送器，而接收端可以有多個(gè)接收器，這就意味著它可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。RS-422A接口標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動(dòng)器輸出為+2~+6V，接收器輸入電平可以低到+200mV。

常用的RS-422A接口標(biāo)準(zhǔn)的芯片為MC3487/MC3486、SN75174/SN75175等，它們是平衡驅(qū)動(dòng)/接收器集成電路。

2.RS-423A

RS-423A接口標(biāo)準(zhǔn)是一種是非平衡方式傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，即以單線來傳輸信號(hào)，規(guī)定信號(hào)的參考電平為地。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電路中只允許有1個(gè)單端發(fā)送器，但可以有多個(gè)接收器。因此，允許在發(fā)送器和接收器間有一個(gè)電位差。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：邏輯“1”的電平必須超過4V，但不能超過6V；邏輯“0”的電平必須低于－4V，但不能低于－6V。RS-423A接口標(biāo)準(zhǔn)由于采用了差動(dòng)接收，提高了抗共模干擾能力，因此與RS-232C相比，傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸速率較快。當(dāng)傳輸距離為90m時(shí)，最大傳輸速率為100kb/s；當(dāng)傳輸速率為1kb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)1200m。

3.RS-485

RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)是一種平衡傳輸方式的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，它與RS-422A兼容，并且擴(kuò)展了RS-422A的功能。RS-422A只允許電路中有一個(gè)發(fā)送器，而RS-485標(biāo)準(zhǔn)允許有多個(gè)發(fā)送器，因此，RS-485是一個(gè)多發(fā)送器的標(biāo)準(zhǔn)，它允許一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器組合單元的負(fù)載設(shè)備。RS-485采用共線電路結(jié)構(gòu)，即在一對(duì)平衡傳輸線的兩端配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器以及組合收發(fā)單元可以掛在平衡傳輸線上的任何位置，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸中多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器共用同一傳輸線的多路傳輸。

RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)。采用雙絞線，不用調(diào)制解調(diào)器等通信設(shè)備的情況下，當(dāng)傳輸速率為100kb/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)1200m；當(dāng)傳輸速率為9600b/s時(shí)，傳輸距離可達(dá)15km。在傳輸距離為15m時(shí)，它的最大傳輸速率可達(dá)10Mb/s。

RS-485允許在平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器，因此它的應(yīng)用非常廣泛，尤其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線等方面，同時(shí)也是物聯(lián)網(wǎng)終端常用的接口方式。RS-485可用串行通信集成芯

片實(shí)現(xiàn)，目前常用的芯片有MAX485/MAX491等。9.3.2各種串行接口性能比較

4種通用串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)的性能比較如表9.3.1所示。其中EIA是指美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，TIA為遠(yuǎn)程通信協(xié)會(huì)(TelecommunicationIndustryAssociation)制定的標(biāo)準(zhǔn)，后綴RS表示推薦標(biāo)準(zhǔn)。

9.4USB串行總線及其應(yīng)用

9.4.1USB串行總線的特點(diǎn)

通用串行總線(UniversalSerialBus，USB)是一種串行技術(shù)規(guī)范，其主要目的是簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的連接過程，目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化、儀器儀表等多個(gè)

領(lǐng)域，同時(shí)也成為物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的串行通信技術(shù)之一。

1.使用方便

USB的方便性體現(xiàn)在可自動(dòng)設(shè)置、連接便捷、無需外部電源、接口通用等方面。在自動(dòng)設(shè)置方面，當(dāng)將USB設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)上時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)該設(shè)備，并為其加載適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序。在第一次安裝時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)提醒用戶加載驅(qū)動(dòng)程序，其后的安裝，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成，一般不需要重啟。另外，USB的安裝不需要設(shè)置如端口地址、中斷號(hào)碼等參數(shù)，安裝程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)。在連接方面，USB等外設(shè)可直接插入到計(jì)算機(jī)的USB接口上。不需要時(shí)，可直接將其拔下，USB設(shè)備的插拔不會(huì)損壞計(jì)算機(jī)和USB外設(shè)。

USB接口包含了一個(gè)+5V的電源和地線，USB外設(shè)可直接使用接入系統(tǒng)的電源和地，無需USB外設(shè)提供額外的電源，只有在所接入的系統(tǒng)提供的電源功率不足時(shí)，才需要給USB外設(shè)供電。

2.傳輸速率高

USB支撐三種信道速率，即1.5Mb/s的低速、12Mb/s的全速，以及480Mb/s以上的高速。目前計(jì)算機(jī)的USB接口均能支撐這三種速率。USB的這三種速率可應(yīng)用于表9.4.1所示的場(chǎng)合。

3.功耗低、性能穩(wěn)定

當(dāng)USB外設(shè)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，可自動(dòng)啟動(dòng)省電模式來降低功耗；激活時(shí)，可自動(dòng)恢復(fù)原來狀態(tài)，因此USB外設(shè)的功耗較低。

USB的驅(qū)動(dòng)程序、硬件及電纜均盡量減少噪聲干擾，以免產(chǎn)生差錯(cuò)，所有的設(shè)計(jì)均采用了差錯(cuò)處理機(jī)制，因此使用時(shí)USB設(shè)備較穩(wěn)定。

4.操作系統(tǒng)的支持性與靈活性

Windows98是第一個(gè)支持USB的操作系統(tǒng)，以后主流的操作系統(tǒng)如Linux、NetBSD和FreeBSD等也支持USB。每個(gè)操作系統(tǒng)都支持與USB相關(guān)的下列三項(xiàng)底層功能：

（1）與新連接的設(shè)備溝通確認(rèn)交換數(shù)據(jù)的方式。

（2）自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備是否連接到系統(tǒng)或已刪除。

（3）提供驅(qū)動(dòng)程序與USB硬件以及應(yīng)用程序的溝通機(jī)制。

USB的控制、中斷、批量和實(shí)時(shí)四種傳輸類型與低速、全速及高速三種傳輸速率可讓外設(shè)靈活選擇。不論是交換少量或大量的數(shù)據(jù)，還是有無時(shí)效的限制，都適合傳輸類型。總之，USB接口的優(yōu)點(diǎn)使得它不但成為了計(jì)算機(jī)最常用的數(shù)據(jù)傳輸接口，而且成為了能適應(yīng)于未來物聯(lián)網(wǎng)需要的通用串行通信標(biāo)準(zhǔn)，可很好地實(shí)現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)通信。9.4.2USB總線體系結(jié)構(gòu)

USB系統(tǒng)主要包括USB主機(jī)、USB設(shè)備和USB互連三部分。其中USB互連是指USB設(shè)備與USB主機(jī)連接并通信的方式，它是通過一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)互連的。

1.USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

USB設(shè)備與USB主機(jī)通過USB總線相連。USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)，如圖9.4.1所示。圖9.4.1USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集線器是USB拓?fù)溥B接的核心部件，與主機(jī)相連的集線器為根集線器，它可以與其他集線器相連，也可以與設(shè)備相連。一個(gè)集線器與多個(gè)設(shè)備相連可組成復(fù)合設(shè)備，例如一個(gè)鼠標(biāo)和一個(gè)鍵盤可以組合在一個(gè)集線器內(nèi)形成一個(gè)多功能的復(fù)合設(shè)備。

2.USB總線

在整個(gè)USB系統(tǒng)中，只允許存在一個(gè)主機(jī)。主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖9.4.2所示。它由USB主控制器、USB系統(tǒng)軟件和USB客戶軟件構(gòu)成。其中，USB主控制器是指主機(jī)的USB接口，它可以是硬件與軟件構(gòu)成的實(shí)體。USB主控制器的作用是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在管道中傳輸?shù)母袷?，而且能被操作系統(tǒng)理解。USB主控制器的另一個(gè)作用負(fù)責(zé)管道上的通信。圖9.4.2USB主機(jī)的結(jié)構(gòu)集線器被集成在主機(jī)系統(tǒng)中，用來提供一個(gè)或多個(gè)接入。集線器與主控制器共同作用來檢測(cè)設(shè)備的接入和移除。USB主機(jī)是USB中唯一用來協(xié)調(diào)控制所有USB訪問的實(shí)體。當(dāng)一個(gè)USB訪問請(qǐng)求到來時(shí)，必須首先得到主機(jī)的允許，USB設(shè)備才能獲得對(duì)總線的訪問權(quán)。

USB系統(tǒng)中主機(jī)主要進(jìn)行USB設(shè)備的接入與移除檢測(cè)，主機(jī)與USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的管理，搜索狀態(tài)信息和活動(dòng)信息統(tǒng)計(jì)，并為接入的USB設(shè)備提供電源。

USB的系統(tǒng)軟件是用來管理USB設(shè)備和主機(jī)之間信息交互的，它主要完成設(shè)備的枚舉和配置、同步數(shù)據(jù)傳輸、電源管理以及設(shè)備和總線信息管理。圖9.4.3USB設(shè)備的結(jié)構(gòu)

3.USB的機(jī)械及電氣特性

USB設(shè)備都有“上行”(Up-stream)和“下行”(Down-stream)連接。對(duì)于USB主機(jī)，連接的是下行。上行和下行連接在機(jī)械性能方面是不能互換的，所以要盡量避免集線器上發(fā)生環(huán)路連接。USB連接器上都有四個(gè)觸點(diǎn)，具有屏蔽外界干擾、保障堅(jiān)固性和易于插拔的特性。對(duì)應(yīng)的USB電纜具有四根導(dǎo)線，其中一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的雙絞線作為信號(hào)線，分別標(biāo)有D+

和D－；另一對(duì)為規(guī)格的電源線，分別標(biāo)有Vbus和GND。

USB信號(hào)線的特性阻抗為90Ω，使用一個(gè)差模輸出驅(qū)動(dòng)器向USB電纜傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，因此接收端可在不低于200mA的范圍內(nèi)保證接收的準(zhǔn)確性。

USB通信接口支持兩種信號(hào)速率：最高速率12Mb/s和較低速率1.5Mb/s。較低速率的傳輸對(duì)線路的要求較低，而較高速率的傳輸對(duì)線路的要求較高。對(duì)于最高速率的連接，要求采用一對(duì)屏蔽雙絞線電纜來產(chǎn)生，要求電纜的特性阻抗為90Ω±15%，電纜長度不超過15m。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的阻抗必須位于19~44Ω之間。數(shù)據(jù)信號(hào)上升沿和下降沿間的時(shí)間必須處于4~20ns之間。低速率的連接可以利用一對(duì)非屏蔽雙絞線電纜實(shí)現(xiàn)，最大長度為3m。9.4.3USB系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

1.USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

USB的傳輸距離一般在15m以內(nèi)，屬于近距離傳輸，而不采用數(shù)據(jù)通信設(shè)備所構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖9.4.4所示。它由主機(jī)（計(jì)算機(jī)或信息處理系統(tǒng)）、USB通信接口、微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。圖9.4.4USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組

2.USB遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

USB的通信距離限制了數(shù)據(jù)采集的范圍，要想擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集的距離就須在USB近距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加相關(guān)的接口來延長傳輸距離。目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中廣泛采用RS-485

接口來傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸距離可達(dá)1km以上，并且可以跨接多臺(tái)設(shè)備，但其缺點(diǎn)是傳輸速度慢、成本高、安裝不便。為了獲得傳輸距離、傳輸速率、成本及安裝等方面的綜合優(yōu)勢(shì)，可將圖9.4.4中的數(shù)據(jù)采集器作為單獨(dú)的模塊與USB/RS-485轉(zhuǎn)換器結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9.4.5所示。圖9.4.5USB遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RS-485總線的長度可長達(dá)1km以上，在該總線上可跨接32個(gè)數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器的通信接口為RS-485。這些數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-485總線到達(dá)USB/RS-485雙向轉(zhuǎn)換器后被轉(zhuǎn)換成為USB信號(hào)進(jìn)入到主機(jī)。9.4.4IEEE-1394接口

與USB接口相似的另一個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)是IEEE-1394，它比USB具有更快的傳輸速率、更為靈活方便，但其成本較高。USB和IEEE-1394的應(yīng)用場(chǎng)合是有所區(qū)別的。USB適合使用在鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、移動(dòng)硬盤及打印機(jī)等中低速的設(shè)備上，而IEEE-1394則非常適合于視頻或其他高速系統(tǒng)的連接，以及沒有主機(jī)的場(chǎng)合。對(duì)于許多外設(shè)來說，USB和IEEE-1394都適用。在使用USB時(shí)，一臺(tái)主機(jī)可以控制多臺(tái)外設(shè)，控制信息的處理均由主機(jī)完成，因此這些外設(shè)的電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因而成本也較低。

IEEE-1394采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，外設(shè)間可以直接相互通信，并且還可以采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。所以IEEE-1394比USB更靈活，但外設(shè)電路較復(fù)雜，成本也較高。

USB1.x的傳輸速率為12Mb/s，USB2.0的傳輸速率可達(dá)480Mb/s。IEEE-1394[JP2]的傳輸速率為400Mb/s，比USB1.1快30倍以上，IEEE-1394.b的傳輸速率可達(dá)3.2Gb/s以

上，比USB2.0快6倍以上。

除了成本外，IEEE-1394的靈活性、速度都比USB有優(yōu)勢(shì)。

9.5CAN總線

9.5.1CAN總線的特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)與自動(dòng)化，在該領(lǐng)域中需要對(duì)大量的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，因此現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)及應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、控制技術(shù)的重要組成部分。目前，常用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有以下幾種類型：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FoundationFieldbus，F(xiàn)F)、ProfiBus、CAN(ControllerAreaNetwork)、DeviceNet、HART等。其中CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，

即控制器局域網(wǎng)，具有高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

CAN現(xiàn)場(chǎng)總線是在20世紀(jì)80年代初由德國BOSCH公司為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，具有很高的可靠性，支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制。

CAN總線已歷經(jīng)30多年的發(fā)展，應(yīng)用日趨廣泛。其國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)的制定，進(jìn)一步推動(dòng)了它的發(fā)展和應(yīng)用。目前已有Intel、Motorola、Philips、Siemens等百余家國際大公司支持CAN總線協(xié)議。目前，CAN總線已被廣泛地應(yīng)用于汽車、火車、輪船、機(jī)器人、智能樓宇、機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床、各種機(jī)械設(shè)備、交通管理、傳感器、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域，同時(shí)也成為了物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的感知控制層的通信總線。

CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，它具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可以概括如下：

（1）通信方式靈活。CAN采用多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，且不需站地址等結(jié)點(diǎn)信息。

（2）CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，以滿足和協(xié)調(diào)各自不同的實(shí)時(shí)性要求。

（3）采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，按優(yōu)先級(jí)順序通信，大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓。（4）CAN通過報(bào)文濾波實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。

（5）傳輸速率最高可以達(dá)到1Mb/s(40m)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10km(傳輸速率在5kb/s以下)。

（6）CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。報(bào)文標(biāo)志符可達(dá)2032種(CAN2.0A)，擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)的報(bào)文標(biāo)志符幾乎不受限制。（7）短幀，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng),檢錯(cuò)效果好。其每幀字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域的一般要求，也能保證通信的實(shí)時(shí)性。

（8）CAN每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了通信的可靠性。

（9）CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成數(shù)據(jù)通信的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等。（10）通信介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

（11）網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可以自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

（12）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化（國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898）。9.5.2CAN總線網(wǎng)絡(luò)層次與通信協(xié)議

1.CAN總線網(wǎng)絡(luò)層次

CAN協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。ISO開放系統(tǒng)互連參考模型將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為7層，由上至下分別為應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

根據(jù)ISO/OSI開放系統(tǒng)互連參考模型，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的實(shí)時(shí)性要求，在CAN規(guī)范中只是在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了定義，其層次結(jié)構(gòu)如圖9.5.1所示。圖9.5.1CAN分層結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)鏈路層，CAN定義了邏輯鏈路子層(LLC)部分和完整的媒體訪問控制子層(MAC)。邏輯鏈路子層(LLC)的作用范圍包括：為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)，確定由實(shí)際使用的LLC子層接收哪一個(gè)報(bào)文，為恢復(fù)管理和過載通知提供手段。MAC子層主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定、故障界定?？偩€上什么時(shí)

候開始發(fā)送新報(bào)文，以及什么時(shí)候開始接收?qǐng)?bào)文，均在MAC子層里確定。位定時(shí)的一些普通功能也可以看做是MAC子層的一部分。MAC子層的修改是受到限制的。

MAC子層是CAN協(xié)議的核心。它把接收到的報(bào)文提供給LLC子層，并接收來自LLC子層的報(bào)文。

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(duì)于所有的節(jié)點(diǎn)當(dāng)然是相同的。在物理層，CAN協(xié)議規(guī)范只定義了信號(hào)如何實(shí)際地

傳輸，包括對(duì)位時(shí)間、位編碼、同步的解釋。CAN規(guī)范沒有定義物理層的驅(qū)動(dòng)器/接收器特性，因而可以根據(jù)具體的應(yīng)用對(duì)發(fā)送媒體和信號(hào)電平進(jìn)行優(yōu)化。

2.CAN總線通信協(xié)議

1）總線訪問

CAN是共享媒體的總線，對(duì)媒體的訪問機(jī)制類似于以太網(wǎng)的媒體訪問機(jī)制，即采用載波監(jiān)聽多路訪問(CarrierSenseMultipleAccess,CSMA)的方式。CAN控制器只能在總線空閑時(shí)開始發(fā)送，并采用硬同步，所有CAN控制器同步都位于幀起始的前沿。為避免異步時(shí)鐘因累計(jì)誤差而錯(cuò)位，CAN總線在硬同步后，還應(yīng)滿足在一定條件的跳變下進(jìn)行重新同步。

CAN總線是由兩條導(dǎo)線構(gòu)成的，總線上的狀態(tài)（信號(hào)）由兩條導(dǎo)線上的電壓決定：當(dāng)處于隱性狀態(tài)（即隱性電平）時(shí)，兩條導(dǎo)線上的電壓為0V；當(dāng)處于顯性狀態(tài)（即顯性電平）時(shí)，兩條導(dǎo)線上的電壓不低于2.5V。

當(dāng)總線空閑時(shí)呈隱性電平，此時(shí)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送一個(gè)顯性電平作為一個(gè)幀的開始。

2）非破壞性的位仲裁方式

當(dāng)總線空閑時(shí)呈隱性電平，此時(shí)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送一個(gè)顯性電平作為一個(gè)幀的開始。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，就會(huì)產(chǎn)生總線沖突。CAN總線解決總線沖突的方法比以太網(wǎng)的CSMA/CD方法有很大的改進(jìn)。

3）編碼/解碼

幀起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域和CRC序列均使用位填充技術(shù)進(jìn)行編碼。在CAN總線中，每連續(xù)5個(gè)同狀態(tài)的電平插入一位與它相補(bǔ)的電平，還原時(shí)每5個(gè)同狀態(tài)的電平后的相補(bǔ)電平被刪除，從而保證了數(shù)據(jù)的透明。

4）出錯(cuò)標(biāo)注

當(dāng)檢測(cè)到位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí)，檢測(cè)出錯(cuò)條件的CAN控制器將發(fā)送一個(gè)出錯(cuò)標(biāo)志。

5）超載標(biāo)注

一些CAN控制器會(huì)發(fā)送一個(gè)或多個(gè)超載幀以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的發(fā)送。

3.CAN報(bào)文的幀類型

1）數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀用來攜帶從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鞯臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的域組成，即幀起始標(biāo)識(shí)位(SOF)、仲裁域(ArbitrationField)、控制域(ControlField)、數(shù)據(jù)域(DataField)、

CRC檢查域、ACK應(yīng)答域和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)域的長度可以為0。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖9.5.2所示。圖9.5.2數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)

CAN2.0B協(xié)議中存在著兩種不同的幀格式，其主要區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符(Identifier)的長度。

具有11位標(biāo)識(shí)符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而包括29位標(biāo)識(shí)符的幀稱為擴(kuò)展幀。標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖9.5.3所示。SOF：幀起始；IDE：標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位；RTR：遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求；DLC：數(shù)據(jù)長度碼；SRR：代用遠(yuǎn)程請(qǐng)求圖9.5.3標(biāo)準(zhǔn)格式幀與擴(kuò)展格式幀

2）遠(yuǎn)程幀

總線上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)想要接收一個(gè)特定節(jié)點(diǎn)的特定數(shù)據(jù)時(shí)可采用遠(yuǎn)程幀來實(shí)現(xiàn)，發(fā)送這種特定數(shù)據(jù)的特定節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)遠(yuǎn)程幀后，就應(yīng)盡力響應(yīng)這個(gè)遠(yuǎn)地傳送要求，所以對(duì)遠(yuǎn)程幀本身來說是沒有數(shù)據(jù)域的。在遠(yuǎn)程幀中，除了RTR位被設(shè)置為1，表示被動(dòng)狀態(tài)外，其余部分與數(shù)據(jù)幀完全相同。

3）錯(cuò)誤幀

錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的域組成。第一個(gè)域是標(biāo)志錯(cuò)誤，可為不同節(jié)點(diǎn)提供錯(cuò)誤標(biāo)志(ErrorFlag)；第二個(gè)域是錯(cuò)誤界定符。在報(bào)文傳輸過程中，檢測(cè)到任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)，即于下

一位開始發(fā)送錯(cuò)誤幀，通知發(fā)送端停止發(fā)送。

4）超載幀

超載幀和錯(cuò)誤幀一樣由兩個(gè)域組成：超載標(biāo)志和超載界定符。當(dāng)某接收器因內(nèi)部原因要求緩發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀時(shí)，它向總線發(fā)出超載幀。另外，在間歇場(chǎng)(Intermission)

檢測(cè)到一“顯性”位，也要發(fā)送超載幀。超載幀還可以引發(fā)另一次超載幀，但以兩次為限。

5）幀間空間

不管是何種幀,均以幀間空間(InterFrameSpacing)的場(chǎng)位分開。在錯(cuò)誤幀和超載幀前面沒有幀間空間，并且多個(gè)超載幀前面也不被幀間空間分隔。

幀間空間包括間歇場(chǎng)和總線空閑的場(chǎng)位。間歇場(chǎng)包括3個(gè)隱性位，在間歇場(chǎng)期間，所有的節(jié)點(diǎn)均不允許傳送數(shù)據(jù)幀或者遠(yuǎn)程幀，僅標(biāo)示一個(gè)超載條件。

4.CAN報(bào)文的幀格式

以CAN2.0B協(xié)議為代表，下面簡(jiǎn)單介紹常用的CAN控制器寄存器中CAN數(shù)據(jù)幀的格式。

1）CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀

CAN標(biāo)準(zhǔn)幀信息為11個(gè)字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)兩部分，其中前3個(gè)字節(jié)為信息部分。具體內(nèi)容如表9.5.1所示。字節(jié)1為幀信息。第7位FF表示幀格式，在標(biāo)準(zhǔn)幀中，F(xiàn)F=0。第6位RTR表示幀的類型，RTR=0表示數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示遠(yuǎn)程幀。DLC(數(shù)據(jù)長度碼，DataLengthCode,DLC)表示在數(shù)據(jù)幀時(shí)實(shí)際的數(shù)據(jù)長度。字節(jié)2、3為報(bào)文識(shí)別碼，11位有效。字節(jié)4到字節(jié)11為數(shù)據(jù)幀的實(shí)際數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀時(shí)無效。

CAN擴(kuò)展幀信息為13個(gè)字節(jié)，也包括信息和數(shù)據(jù)兩部分，其中前5個(gè)字節(jié)為信息部分。具體內(nèi)容如表9.5.2所示。

字節(jié)1為幀信息。第7位FF表示幀格式，在標(biāo)準(zhǔn)幀中，F(xiàn)F=1。第6位RTR表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示遠(yuǎn)程幀。DLC表示在數(shù)據(jù)幀時(shí)實(shí)際的數(shù)據(jù)長度。字節(jié)2到字節(jié)5為報(bào)文識(shí)別碼，29位有效；字節(jié)6到字節(jié)13為數(shù)據(jù)幀的實(shí)際數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀時(shí)無效。需要注意的是，數(shù)據(jù)幀對(duì)于不同的CAN上層協(xié)議存在著不同的定義。

5.CAN的位仲裁技術(shù)

CAN總線采用“載波監(jiān)測(cè)，多主掌控/沖突避免”(CSMA/CA)的通信技術(shù)。載波監(jiān)測(cè)的意思是指在總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息報(bào)文前都必須監(jiān)測(cè)到總線上有一段時(shí)間的空閑狀態(tài)，一旦此空閑狀態(tài)被監(jiān)測(cè)到，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有均等的機(jī)會(huì)來發(fā)送報(bào)文。這被稱為多主掌控。沖突避免是指在兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)本身首先會(huì)檢測(cè)到出現(xiàn)沖突，然后采取相應(yīng)的措施來解決這一沖突情況。此時(shí)優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文先發(fā)送，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文會(huì)暫停。在CAN總線協(xié)議中是通過一種非破壞性的仲裁方式來實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)的。這也就意味著當(dāng)總線出現(xiàn)發(fā)送沖突時(shí)，

通過仲裁后原發(fā)送信息不會(huì)受到影響。所有的仲裁判別都不會(huì)破壞優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文信息內(nèi)容，也不會(huì)對(duì)其發(fā)送產(chǎn)生任何時(shí)延。雖然這種仲裁方式有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些不足。很明顯，當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)地向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，具有低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)總是比具有高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)具有較大的發(fā)送失敗的概率。如果出現(xiàn)了這樣的情況，會(huì)導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)都發(fā)不出去，或者發(fā)出的數(shù)據(jù)具有較大的延遲。對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制，當(dāng)延時(shí)超過了預(yù)設(shè)值時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)就已經(jīng)失去了實(shí)際的意義。

6.CAN的報(bào)文濾波技術(shù)

在CAN總線中，存在著多種傳送和接收數(shù)據(jù)的方式，比如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式。這幾種方式的選擇和轉(zhuǎn)換通過CAN總線中的報(bào)文濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)，不需特別的調(diào)度。以通常使用的PHILIPSSJA1000為例，無論是何種工作模式下，都是CAN的某一地址存入的驗(yàn)收濾波器。在驗(yàn)收