CAN总线在计算机远程控制中的应用

邵丙新

摘要：文章介绍计算机通过CAN总线技术实现的计算机数据采集、温湿度测量和控制技术，重点简介CAN总线的特点、数据格式、报文和滤波器的设置。

关键词：CAN总线；计算机远程控制；设计应用

现代化工业生产和商品销售中离不开信息技术，无论是分散式还是集中式生产经营活动都需要信息的参与。大型企业的自动化生产技术和信息通信的结合得更加紧密。CAN总线技术以其可靠性高，抗干扰能力强，应用灵活、方便等特点得到广泛的应用。本文介绍CAN在计算机远程信息传送和控制中的应用。

1 CAN总线技术概述

CAN（Controller Area Net）即控制器局域网是主要用于各种过程（设备）监测及控制的一种网络。CAN最初是则德国BOSCH公司为汽车的监测、控制系统而设计的。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当多个节点同时向总线传送数据时，它采用总线仲裁机制，高优先级的节点优先发送，优先级低的节点停止发送，从而不免总线冲突。由于CAN具有卓越的特性极高的可靠性，特别适合于工业过程中监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视。

2 CAN总线报文和帧类型

2.1 CAN报文：CAN是以报文的形式传输信息的，报文包括ID号和数据场两个部分，标准ID号是11位的，扩展ID号是29位，数字场可以是1-8个字节的数据。报文以帧的形式传输。CAN的报文可以是一对一传输，也可以多对一或一对多的形式，这取决于CAN节点滤波器的设置。CAN总线中传送的报文是以帧的形式出现的，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，即标准格式和扩展格式。两者的区别是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位（RTR）组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 （ro），为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度（DLC）。数据场范围为0～8个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查（CRC）。应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。

2.2 CAN的帧结构和功能位的定义：

CAN有以下四种不同类型的帧：

（1）数据帧（DATA）：数据帧将数据从发送器传输到收发器。

（2）远程帧（Remote）：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识的数据帧。

（3）错误帧（Error）：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。

（4）过载帧（Overload）：过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。

数据帧或远程帧与前一个帧之间都会有一个间隔域，即帧间隔，作为一个帧的界定。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。

在报文传输时，不同的帧具有不同的传输结构，下面将分别介绍四种传输帧的结构，只有严格按照该结构进行帧的传输，才能被节点正确接收和发送。

2.2.1 CAN数据帧结构

数据帧是携带数据由发送器至接收器的帧，是CAN的4种帧格式之一，这4种帧格式分别是数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。

数据帧的主要结构有：

（1）帧起始：帧起始（SOF）标志着数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成。在CAN的同步规则中，当总线空闲时（处于隐性状态），才允许站点开始发送（信号）。所有的站点必须同步于首先开始发送报文的站点的帧起始前沿（该方式称为“硬同步”）。

（2）仲裁场：由11位标识符（ID10～ID0）和 远程发送请求位（RTR）组成，RTR位为显位表示数据帧，隐位表示远程帧。标识符由高至低次序发送，且前7位 （ID10～ID4）不能全为隐性位，标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优先权越高，发生冲突时优先发送。

（3）控制场：由6位构成，前2位为保留位，为显性， 后4位为数据长度码；（DLC），表示数据场中数据的字节数，必须在0～8范围内变化。

（4）数据场：由被发送数据组成，数目为控制场中决定的0～8个字节，第一个字节的最高位首先被发送。

（5）CRC场：包括CRC（循环冗余码校验）序列（15位）和CRC界定符（1个隐位），用于帧校验。

（6）ACK场：由应答间隙和应答界定符组成，共两位。

（7）帧结束：由7位隐性位组成，此期间无位填充。

2.2.2 CAN远程帧结构

远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结尾。与数据帧相比，远程帧的RTR位为隐性，没有数据域，数据长度编码域可以是0～8个字节的任何值，这个值是远程帧请求发送的数据帧的数据域长度。当具有相同仲裁域的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的RTR位为显性，所以数据帧获得优先。发送远程帧的节点可以直接接收数据。

2.3 CAN 报文滤波器设置

CAN 报文滤波器是基于PHILIPS 公司CAN 控制器SJA1000 的PeliCAN 模式来进行设计的。SJA1000 的滤波器由4 组（4 字节）验收代码寄存器（ACR）和4 组（4 字节）验收屏蔽寄存器（AMR）构成。ACR 的值是预设的验收代码值，AMR 值是用来表征相对应的ACR 值是否用作验收滤波。

但是在SJA1000 的某些模式下，滤波器的某些寄存器没有用到，为了使用方便，所以在配置软件中使用的是直接ID号进行滤波设置和屏蔽，摒弃一些无关的内容。

滤波的一般规则是：每一位验收屏蔽分别对应每一位验收代码，当该位验收屏蔽位为1的时候（即设为无关），接收的相应帧ID 位无论是否和相应的验收代码位相同均会表示为接收；但是当验收屏蔽位为0 的时候（即设为相关），只有相应的帧ID 和相应的验收代码位值相同的情况才会表示为接收。并且只有在所有的位都表示为接收的时候，CAN 控制器才会接收该帧报文。

滤波的方式上又分“单滤波”和“ 双滤波”两种。并且在标准帧和扩展帧情况下滤波又略有不同。在配置软件的“自定过滤屏蔽码”的情况下开放滤波器所有功能。

3 总体设计

电路如图3-1所示，计算机通过USB转CAN将数据传输的总线，在总线上连接N个节点，每个节点都有一个唯一的ID号，并通过传感器进行温湿度的测量，其结果通过总线传给计算机。计算机根据数据变化向节点发出指令，以实现温湿度控制。根据CAN技术规范，节点数可达110个，有最大效传输距离能达到10000米。

4 结束语

多点数据的传输，在各点同时传送时，经常出现数据冲突，使得网络瘫痪，利用CAN总线技术，利用CAN的仲裁功能，能避免数据在传输中发生拥堵。同时，CAN总线纠错能力强，传输距离远，实时性好，抗干扰能力强，所以利用CAN总线技术实现计算机远程控制是一个理想的方案。