（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的网络家电测控系统的研究.pdf

i 摘 要 随着全球信息化时代的到来家电已不再满足于高质量的电器设备而是逐步 融入到信息社会中来适应当前家电网络化的趋势本文提出了一种实用化的家电 上网方案基于 cancontroller area network控制器局部网总线的网络家电 测控系统本系统将家庭内部所有的电气设备通过家庭内部的无极性总线网络连成 一体并接入 internet具有广阔的应用前景 本文通过多种家庭网络组网方案的比较确定采用 can 总线组网并对 can 总线的特点主要技术指标及可靠性进行了全面的论述给出了完整的 can 总线 家庭网络的组网方案通过对当前无极性网络的研究提出了 can 总线网络无极 性化的设计方案并在 can 网络的组网中成功应用很大程度上提高了系统的实 用性 适应家庭网络的需要本文提出了采用可以常年运转的嵌入式以太网网关作为 家庭控制中心的思路并给出了完整的嵌入式以太网网关的设计方案本系统选用 rabbit2000 高档单片机作为嵌入式以太网网关的微处理器一方面实现 can 总线 网络和 internet 的连接另一方面建立嵌入式 web 服务站点实现了网络家电的远 程控制 本课题利用学校良好的网络资源和网络环境作了大量模拟实验建立了基于 can 总线的网络家电测控系统的基本框架 关键词网络家电can 总线无极性网络嵌入式 web 服务器rabbit2000 ii abstract with the coming of the global information age, home appliances have not only acted as the high-quality electrical apparatus, but also incorporated to the information-intensive society progressively. adapting to the networking trend of the electrical home appliances at present, the can (controller area network) bus-based network appliances control system has been proposed in this thesis. in this control system, all the electrical apparatus in the house have been connected together with home bus network, and accessed to the internet. this is a kind of practical home appliances internet surfing scheme, and it has wide application prospects. after comparing a few kinds of field bus network schemes, the thesis decided to adopt can bus to construct the network, and generally discussed the character, technique features and reliability of can bus. it also provided the whole construction scheme of the home network based on can bus. by studing the current nonpolarity networks, a nonpolarity scheme of can bus has been put forward in this thesis. this technology has been successfully used in the can bus network, and greatly improved its practicability. meeting the needs of home appliances network, a thought of using the embedded gateway working continually as home control center has been proposed in the thesis. a practical presentation to the design scheme of embedded gateway has been given, too. the top-grade mcu rabbit2000 has been selected as the microprocessor of the embedded gateway. the connection of the can bus network and the internet have already been realized. on the other hand, the website has been founded and the long-distance control of network appliances have been realized. large amount of simulation experiments have been carried out in the project by utilizing favorable network resources and environment in our university, and the basic structure of network appliances control system based on can bus has also been established primarily. keywords network appliance, can bus, nonpolarity network embedded web server, rabbit2000 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果近我所知除文中已标明引用的内容外本论 文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研 究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名程 媛 日期2005 年 5 月 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允 许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文 保密在_年解密后适用本授权数 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名程媛 指导教师签名魏丰 日期2005 年 5 月 8 日 日期2005 年 5 月 8 日 1 1 绪 论 本章主要介绍课题概述国内外的发展现状及课题的基本任务 1.1 课题概述 中国互联网用户数量近年来每年都以超过 100%的速度增长我国上网用户已 超过 2250 万户 北京 广州 上海 重庆等城市相继宣布已建立自己的宽带城域网 在深圳市已全面建成并在社区内开通使用新建小区基本上做到了宽带入户对种 类繁多的信息家电产品进行远程控制已经成为现代智能家居的发展趋势构造家电 集中控制器并将控制信息传送到互联网上实现远程监控势在必行根据国内外的实 际经验 智能住宅和智能小区的功能需求可以概括为在小区实现“快速便捷的通信 条件安全舒适的居住环境高效科学的物业管理”其智能化功能应该由两大技术 平台作支撑一个是对外的小区住宅信息平台主要包括计算机通信电话 电视等与外部世界的信息联系平台如果一个小区现在以及未来与外部世界的联系 不畅通无法上网不能接收数字化多媒体信息不能享受信息化的增值服务它 决不能称之为智能小区小区信息平台的最大特征是开放目的是与外部世界信息 资源共享另一个是对内实现小区住宅封闭式智能化管理的控制平台包括在 小区住宅内部实现的全部公共安防家居安防智能化管理智能化服务的全 部内容其最大的特征是封闭1 如何建立这两个不同的技术平台是本课题所要讨论的核心问题 1.2 国内外发展概况 许多计算机通信家电行业的巨人都认识到智能信息家电的巨大市场潜力 纷纷进入这个领域都已开始建立智能信息家电和智能家居公司2003 年全球建设 网络化家庭所带来的市场总值高达 4500 亿美元 目前已出现在市场上的智能信息 家电和智能家居类的产品主要有2 2 1neywell 公司的智能家庭产品它可以通过设在家庭内的控制面板电 话或连网的计算机来监控智能家居的报警系统照明系统智能信息家用电器和智 能调温设备 2 ni 智能家居系统hai 公司出品主要有三类产品分别适用于普通家庭 办公室及高级住宅可用于协调控制这些地方的照明调温保安等系统所有产 品都配有内置的串口可用来与 internet 连接用户可以通过网络对控制器进行设 置 3aldeluxe 智能家居系统hal 公司出品它在 pc 机上集成了家居系统的 所有控制包括电灯设备空调系统电话保安系统家庭影院和互联网系统 等用户可以在任意地点通过声控实现对这些系统的控制由于 hal 是通过房间 里现有的电源线从 pc 机上传送命令用户不需要对房间进行重新布线 就目前国外的智能住宅建设情况而言对于小区对外的信息平台和对内的封闭 式智能化管理控制平台这两个不同的技术平台一般采用如下结构小区住宅 信息化平台以计算机局域网为基础而小区住宅管理控制平台大都采用控制总 线技术不主张将这两个平台建在同一个以太网基础上主要基于以下几点 1成本问题小区住宅的控制信号大部分是简单的开关量比如各类报 警信号控制如果能够在较低的控制总线层面上就地解决不仅实时性好而且 成本低可靠性高 2安全问题以太网是以普通 pc 机为主要对象完成诸如办公自动化之类的 工作为主要目标的最放之四海而皆准的计算机网络技术如果以以太网为基础实现 小区住宅的一切智能化管理控制满足 24 小时不间断的工作系统本身的安 全性将面临极大挑战而且还需考虑信息化平台的开放性特点系统也将面临外部 环境对安全性的挑战 3系统成熟度问题随着智能小区住宅对智能化要求的提高不断增加大 量的信息家电将走进智能小区和住宅如果未来住宅内的全部信息家电控制仍采用 以太网结构为基础那么多的 ip 地址将使以太网通信发生意想不到的问题到目 前为止无论国外还是国内还没有一个小区上述两个平台均由以太网全在宽带网 3 上跑实现的成功范例 国内外的实践表明智能小区的控制平台还是应该采用控制总线方式解决比 如采用 lonwork 总线进行智能住宅的控制 只可惜这是移植工业控制总线来作家庭 控制之用用在智能小区住宅控制上还是有些技术过剩为此美国欧洲 和日本都发展了专门用于家庭控制的家庭控制总线在网络家电的开发上抢占了先 机 因此我们应该尽快发展和制定适合中国自己特点的智能小区控制和管理的家庭 控制总线 1.3 本课题的主要任务 基于以上对网络家电系统发展现状的考察受美的公司的委托本课题将完成 以下工作 1研究几种主流总线以太网canlonwork 等的物理层数据链路层 的技术特性分析比较各自的技术特点在此基础上选择一种面向白色家电控制信 息传输的无极性总线技术并予以实现使传输速率通信距离负载能力可靠性 等技术指标达到最优 2 通过现场测试提交该总线实现的全部软硬件模块 通信的全面技术指标及与 其它主流总线技术指标的优化结果 实现并提交一套该总线技术的评估软硬件系统 提交与家庭局域网关的接口标准 4 2 系统的总体方案设计 本章首先根据家电网络化的特点给出了网络家电测控系统的设计原则通过讨 论当前流行的几种总线网络的组网方案确定将 can 总线作为研究对象设计了 基于 can 总线的家庭网络的基本构架最后结合课题的任务提出了家庭网络建立 及改造过程中需要解决的关键性技术 2.1 系统设计原则 家电界把传统的家电分为三类黑色家电白色家电小家电黑色家电主要 包括电视机录像机音响vcddvd 等黑色家电载有大量的多媒体信息 白色家电则以空调电冰箱洗衣机为代表它们以机械运动为主电信号主要用 于操作控制小家电指的是电磁炉电热水壶风扇等家电产品小家电具有的信 息量非常小控制操作也非常简单1 随着全球信息化时代的到来家电已不再满足于高质量的电器设备而是逐步 融入到信息社会中来网络家电是家电信息化未来发展的方向网络家电将家庭内 部所有的设备和应用系统通过家庭总线网络连成一体用以实现安全经济舒适 方便等指标综合平衡的网络家电系统它是计算机通信及控制等相关技术与传统 家电相结合的产物在网络家电系统的设计中必须充分考虑如下的特点 1 经济性 家电行业激烈的竞争规律决定了网络家电的推广必须具有很好的经 济特性 2开放性目前家电行业厂家众多处于同一智能家居之中的网络家电信息 家电和智能控制设备种类繁多性能差异极大在这种情况下选择一种开放型的 系统方案具有不可比拟的优势 3扩展性在原有的系统不作改动的情况下能够自动的扩展网络结构和系统 功能 4实用性包括安全舒适方便等家居要求 5 目前包括瑞朗海尔在内的各大厂商对于家电网络化研究的重点都放在通过 网络实现对家电的远程控制上所有的网络家电在远程网络中传送的都是家电的状 态信息接收的是对家电的控制命令从控制的层面上讲传统意义上对白色家电 黑色家电以及小家电的分类已经不存在了因此我们这里对网络家电进行的信息 传输以及远程控制方案的讨论针对的都是家电的控制信息不再有白色家电黑 色家电以及小家电之分 系统中我们将所有接入家庭网络的家电都作为网络的通信 节点同样对待 2.2 家庭网络组网的方案选择 2.2.1 当前流行家庭组网方案 家庭局域网组网是家电网络化的关键技术之一处于同一智能家居之中的网络 家电信息家电和智能控制设备种类繁多性能差异极大从避免重复布线便于 系统维护利于今后系统扩展的角度出发主要可以采用现场总线技术无线组网 技术和电力线载波通讯等几种技术 1采用 lonworks 技术组建 lon 网 现场总线技术是家庭局域网组网的主要解决方案现阶段国内的家庭智能化建 设主要集中于开发远程抄表系统安防报警系统和家电控制系统与国外相比智 能化程度不高其中采用 lonworks 技术组建 lon 网实现底层的控制和通信功能是 一种具有代表性的成熟技术3系统具有以下特点 (1) 控制系统做到了多网合一大大简化系统布线 (2) 网络中每个节点都能完成控制和通信功能部分节点不会影响系统稳定 (3) lonworks 在网络结构上的自由拓扑特性和软件设计上的完全面向对象使 其易扩充易组态 但是在家电生产领域随着现代工业技术水平的提高一般家用电器的生产 成本越来越低市场上的家电价格也是逐年下降而网络家电还处于起步阶段普 及程度远不及一般家电其优势还不能完全表现出来在这样的形势下要想让网 络家电尽快占领市场成本成为了网络家电要过的第一道坎虽然 lonworks 技术 6 开发工具齐全模块种类繁多适应各种应用的需要但是几乎所有 lonworks 产 品都被仅有的几家芯片生产商垄断lonworks 节点和功能模块的总体价格偏高开 发工具的价格更是难以承受一个完整的 lonworks 网络的建立从节点的安装到 整个网络的配置处处都离不开各种开发工具这势必抬高基于 lonworks 的网络 家电产品本身的成本另外虽然 lonworks 在楼宇智能化方面的优势明显但是 在国内因为 lonworks 的价格门槛它在楼宇方面的应用毕竟还很少选择在智 能家电中安装 lonworks 节点还要考虑到在购买者家中和其他家电厂家生产的网络 产品的总线匹配问题还有售后服务即在购买者家中安装 lonworks 网络和配置 lonworks 节点的问题4 现阶段lonworks 总线的实际应用远没有 can 总线系统普及以全国各大高 校的金龙卡连网系统为例lontalk 协议本身也还不曾像 can 协议一样完全面向 大众公开为开发者熟悉如若直接购买协议抛开神经元芯片选用其他微处理器 自行开发内嵌 lontalk 协议的 lonworks 节点难度较大经验不足构建 lonworks 网络体系没有现成的开发和测试平台支持开发基于面向对象编程模式的网络服 务系统实现监管和控制网络也成为遥不可及的目标如此大投入的进行自行开发的 话可能比使用神经元芯片和开发工具成本更高而开发基于 can 总线的网络产 品开发周期短开发工具简单廉价这是 lonworks 不能比拟的优势而且以一般 网络家电产品以网络空调为例在网络中传递的信号量来说can 总线应付已绰 绰有余所以现今选用 can 总线替代 lonworks 实现网络家电特别是网络空调 是非常经济实用的选择3 5 2电力载波通讯方案 电力载波是利用普通输电线路来实现通讯功能的方案这种方案的着眼点是节 省单独布线所带来的费用和省去另外布线所带来的工程难度然而电力网是设计 专门用于电能输送的网络而且我国电力设备的电磁兼容性没有欧美控制的严格 住宅电力载波通信环境比较恶劣强电的磁场效应尖峰效应等均对数据信号构成 较大的干扰高速高质量的信号传输较难保证这一技术仅在小范围内有用且 仅能构造一个共享信道的通讯系统目前最先进的技术可实现信道带宽 1mb/s所 7 以电力载波目前只能作为一种辅助技术用于低速率家电的组网6 3无线组网技术 无线组网技术是家庭组网的又一个发展方向目前的无线组网比较典型的是红 外技术和蓝牙技术蓝牙技术是一种极其先进的大容量近距离无线数字通信的技术 标准工作在 2.4ghz 频段提供稳定大容量的语音和数据网络蓝牙在发射功 率为 0dbm 时的指定范围是 10m 加入额外的功率放大器以后 在发射功率为 20dbm 时可以将距离扩展至 100m采用 1mb/s 符号传输速率以达到最大限制带宽可以 使用快速跳频避免干扰蓝牙技术适用于数据和语音替代电线和电缆的短距离无 线连接包含硬件软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络也可以通过蓝 牙技术进行各种家用设备的遥控或组成家用电器网络随着蓝牙技术的不断发展 其在家庭中的应用前景是乐观的 然而 蓝牙技术目前还处于实验室应用研发阶段 组网的费用还相当高只有其芯片的成本降到和布线的成本大至相当时才具有竞争 力2 2.2.2 can 与其它通信方案的比较 can 总线与其它通信网的不同之处有两点一是报文传送中不包含目标地址 它是以全网广播为基础各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文该 收的收下不该收的弃而不用其好处是可在线上网下网即插即用和多站接收 二是特别强化了对数据安全性的关注满足控制系统及其它较高数据要求的系统需 求can 总线具有下列主要特性7 多主站依据优先权进行总线访问 非破坏性的基于优先权的总线仲裁 借助接收滤波的多地址帧传送 远程数据请求 配置灵活 全系统的数据相容性 错误检测和出错信令 发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送 8 暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离 can 总线 1 can 与其他总线的总线分配方法的比较 在实践中有两种重要的总线分配方法按时间表分配和按需要分配在第一 种方法中不管每个节点是否申请总线都对每个节点按最大期间分配由此总 线可被分配给每个站并且是唯一的站而不论其是立即进行总线存取或在一特定时 间进行总线存取这将保证在总线存取时有明确的总线分配在第二种方法中总 线按传送数据的基本要求分配给一个站总线系统按照各站的希望传送分配(如 ethernet 的 csma/cd)因此当多个站同时请求总线存取时总线将终止所有站 的请求这时将不会有任何一个站获得总线分配8 can 采用位仲裁实现总线分配这种方法可保证当不同的站申请总线存取时 明确地进行总线分配这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的 碰撞问题不同于 ethernet 网络的消息仲裁can 的非破坏性解决总线存取冲突的 方法确保在不传送有用消息时总线不被占用甚至当总线在重负载情况下以消 息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统虽然总线的传输能力不足 所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理在 csma/cd 这样的网络中如 ethernet系统往往由于过载而崩溃而这种情况在 can 中不会发生 2can 与 rs-485 总线的比较 rs485 总线不支持竞争通信采用的是一主多从的方式运行效率低高 峰期易堵塞而 can 总线具有非破坏性的总线仲裁支持竞争通信采用多主 对等的方式rs-485 总线通信及组网的灵活性不强通信速度也比较低can 总线组网方式非常灵活通信速度最大可达 1mbpsrs-485 总线标准只是一个电气 标准并没有自己的通信协议无故障定位和错误处理功能所以由 rs-485 总线 构成的网络维护比较困难往往一个节点出现故障却要每个节点进行排查而 can 在这方面则具有较强的功能 综上对目前流行的家庭组网方式的研究采用现场总线进行家庭局域网的组建 无论从可行性经济性技术难度上考虑都是最佳的选择在此基础上我们确立 can 现场总线作为组建家庭网络的通信方案 9 2.2.3 预计达成目标 根据合作公司提出的性能要求综合考虑现行现场总线的发展情况选择 can 总线作为研究的对象进行研究和改造工作我们的工作应该满足以下的技术要求 1通过对基于 can 总线的网络家电测控系统的研究建立起具有价格竞争力 的实用的基于以太网的智能家电/以太网综合信息传输平台并能通过互联网对 美的公司的各种空调实现实时的远程监控 2其中总线传输技术指标低速传输速率9600bit高速传输速率1mbit 通信距离2000m节点数100节点通信故障不能导致总线通信失败总线具有 自动排除故障节点的能力自动地址分配功能即插即用功能 3对 can 总线在现有的基础上进行改造实现布线过程中节点连接的无极性 特性 为了实现上述目标我们将进行从户内的各种信息家电产品到住户智能家居的 网络出口再从该出口到达宽带以太网的综合信息传输平台的研究开发 2.3 系统总体设计方案 基于 can 总线的网络家电测控系统的工作就是组建基于 can 总线的家庭综合 信息传送网络并将该网络与 internet 实现互连实现家庭信息的网络化研究的 重点放在家庭总线网络的建立及其到宽带以太网的转换设备上我们称这种设备为 总线式家庭信息传输网络嵌入式以太网网关 2.3.1 系统总体结构设计 基于 can 总线的网络家电测控系统包括家庭总线网络和 internet 接入设备两部 分其中的家庭网络主要由 can 网络节点嵌入式以太网网关两部分组成其中 嵌入式以太网网关就是作为家庭 can 网络到 internet 的连接设备同时作为一个以 太网的瘦服务器向以太网的远程终端提供网络家电远程控制服务 由于一个住户只有一个以太网的出口 当有家用计算机时就存在 ip 地址的共享 问题对于家庭而言不仅要实现家电的网络化同时必须保证家用 pc 机的正常网 10 络连接因此网络家电测控系统还需要包含一个集线器(hub)让家庭 can 总线 网络通过以太网网关和家用 pc 机同时接入 internet使在进行远程网络家电控制的 同时不影响家用计算机正常接入互联网由于多媒体信息的数据量远远大于总线 网络的承受能力家庭内部需要向 internet 传送多媒体信息的设备是不可能通过家 庭总线网络接入以太网的让网络家电测控系统具备 hub 功能的另一个优点就在 于为以后家庭的其它多媒体信息(例如监视用摄像头的图像信息等)接入以太网预 留了接口 测控系统的连接结构框图如图 2-1 所示 i n t e r n e t 远程客户端1 远程客户端n 家用p c 机 c a n 节点1 嵌入式以太网服务器 c a n 节点n c a n 节点 带蓝牙协议转换 c a n 总线 网络家电1网络家电n 电力载波 三表抄收r s - 4 8 5 节点n r s - 4 8 5 总线 蓝牙节点1蓝牙节点n 蓝牙无线子系统 智能家居系统 r s - 4 8 5 节点1 需要传输多媒体信息的设备 集线器 图 2-1 网络家电测控系统网络连接图 家庭总线网络的组建是家电网络化的重要基础嵌入式以太网网关在网络中是 作为总线服务器设备具有对网络的管理和控制的权限而带有 can 节点的各种 家用电器是总线的节点设备也就是受控设备只能对网络主设备的控制命令进行响 11 应具有总线上的通信能力 嵌入式网关同时预留 rs-485电力载波通信以及蓝牙的通信接口为以后家庭 网络的兼容和扩展留下了空间嵌入式以太网网关在作为家庭总线网络服务器的同 时也是一个嵌入式的以太网 web 服务器提供 web 站点服务完成家庭总线网络 内部信息和以太网的数据交互 远程终端可以通过对 web 服务器网页的浏览和通信 获取网络家电的信息 并对其中的可控部分进行远程控制 真正实现家电的网络化 目前美的公司的网络家电还处于起步阶段短时间内很难让大量的家庭拥有 它的产品在这种情况下为每一个家庭配置一台嵌入式以太网网关无论从经济上 还是从实用性上都显得技术过剩为此我们有一个过渡性的方案本方案以小区作 为总线通信范围在小区的服务中心配置以太网服务器将小区内部的网络家电接入 internet小区内部的通信距离远远大于家庭内部的通信距离这就需要为 can 总 线网络添加中继器以扩大网络半径过渡性网络的结构框图如图 2-2 所示 小区干线 a c ta c t 1 0 m 1 0 0 m 1234 1 31 41 51 6 5678 1 71 81 92 0 91 01 11 2 2 12 22 32 4 u p l i n k 12 34 56 78 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 c olco l p w r s w it c h中 继 器 1 a cta c t 1 0 m 1 0 0 m 1234 1 31 41 51 6 5678 1 71 81 92 0 91 01 11 2 2 12 22 32 4 u p l i n k 1 23 4 567 8 91 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 c o lc o l p w r s w it c h中 继 器 2 a c ta c t 1 0 m 1 0 0 m 1234 1 31 41 51 6 5678 1 71 81 92 0 91 01 11 2 2 12 22 32 4 u p l in k 1 23 4 56 7 89 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 c o lc o l p w r s w it c h中 继 器 3 一 级 支 线 二 级 支 线 一 级 支 线 节点 节点 节点 i n t e r n e t 小 区 管 理 中 心 远 程 客 户 端 1 远 程 客 户 端 n 图 2-2 网络家电测控系统过渡性网络结构示意图 12 由于过渡性网络家电系统只涉及 can 总线网络的组网而不需要进行嵌入式 以太网网关的设计和实现 所以本文主要对先前提出的网络家电测控系统进行研究 只在 can 网络的组网部分对过渡性网络带有中继器的组网通信进行了讨论 2.3.2 系统硬件设计方案 1can 网络节点 can 网络节点采用 51 单片机作为处理器51 单片机以 sja1000 独立 can 控 制器作为 can 通信控制器pca82c250 作为 can 总线驱动器组成 can 网络节 点的基本通信单元进行 can 总线上的数据通信同时51 单片机直接与网络家 电的控制板相连接传送从 can 总线网络获得的家电控制命令由网络家电的控 制板对网络家电进行控制 5 1 单片机 s j a 1 0 0 0 独立c a n 控制器 8 2 c 2 5 0 c a n 总线驱动器 接空调控制板 图 2-3 can 节点结构示意图 2. 嵌入式以太网网关 嵌入式以太网网关物理结构示意图如图 2-3 所示 m c u 微处 理器 r a b b i t 2 0 0 0 以太网控 制器 r j 4 5 接口 e e p r o m c a n 控 制器 c a n 总线 驱动器 集线器 图 2-4 嵌入式网网关结构示意图 13 嵌入式以太网网关采用 rabbit2000 微处理器作为控制器为了实现 can 总线 通信和普通的 can 总线节点一样带有 sja1000 独立 can 控制器作为 can 通信控 制器pca82c250 作为 can 总线驱动器组成 can 网络部分的基本通信单元 同时为了实现以太网通信需要添加 rtl8019as 以太网控制器作为以太网通信控 制器20f001n 作为双绞线驱动器组成以太网部分的基本通信单元并且结合一 个普通的集线器提供直接接入以太网的途径 2.3.3 系统软件设计方案 系统相关软件程序的设计是系统的一个关键部分本系统的软件设计需要完成 以下几个方面的工作 1. can 总线上节点之间通信程序的设计 2. 嵌入式以太网网关网络控制程序的编写 3. 嵌入式以太网服务器 web 服务网站的设计以及 web 服务程序的编写 4. 家用 pc 机中配置的 can 控制卡驱动以及 can 通信程序的编写 这里 通信程序主要采用 c 语言进行通信和节点控制程序的编写 采用 dynamic c 语言进行网络控制程序的编写采用 html 语言进行 web 服务器嵌入式网页的 设计 2.4 系统的关键技术 1家庭局域网的组建 家庭局域网组网是网络家电技术的重要基础处于同一智能家居之中的网络家 电信息家电和智能控制设备种类繁多性能差异极大通过家庭局域网的构建可 以将它们有机地连接起来实现信息共享现场总线是今后自动控制领域主要的发 展方向之一然而现阶段作为国际标准的现场总线已经有 13 个类型之多现场总 线没有统一的标准各种现场总线各有其技术特点都有传统的应用领域不存在 能够适合所有过程控制的现场总线 研究如何在一个智能家居范围之内在一条传输介质总线上实现智能家居控制管 14 理信息的传输使得网络家电技术在物理层上标准化减少重复布线是本项目的目 标如何对从众多的现场总线中选择的合适的总线进行一定的设计或者改造以实现 无极性家庭局域网的构建是本课题所要解决的第一个关键技术 2嵌入式以太网网关的设计 如前所述嵌入式以太网网关具有双重的功能既能在家庭总线网络内部通信 实现网络家电控制命令的传输也具有以太网通信的能力并作为 web 服务器提供 基于以太网的远程通信以网页服务的形式将家庭总线网络中家电的参数信息或者 控制命令传递给远程用户所以嵌入式以太网关的设计应该包括以上两个方面 在充分利用嵌入式系统优点的同时嵌入式系统的资源有限是系统设计中必然 遇到的问题 目前的以太网通信广泛采用庞大的 tcp/ip 协议栈 所以如何利用嵌入 式系统有限的资源实现包括以太网协议在内的 tcp/ip 协议栈的移植以及嵌入式 web 服务器的实现是本系统实现中的又一个关键的技术 15 3 基于 can 总线的家庭综合信息传送网络的建立 家庭局域网的组建是家电网络化重要的一步本章在确定了采用 can 总线组 网的基础上具体研究了 can 家庭网络的组建 对 can 总线的特点 主要技术指标 数据检测以及可靠性进行了全面的论述描述了 can 网络的基本构成以及总线的 优先权仲裁给出了网络节点 id 分配方案以及基本通信协议在完成 can 通信节 点的软硬件设计的同时提出了 can 总线网络无极性设计的方案 3.1 can 总线综述 3.1.1 can 总线的产生与发展 控制器局部网cancontroller area network是德国 bosch 公 司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网属于总线式通讯网can 总线最 初是为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的适合应用 于对抗干扰能力和实时通信能力要求较高但单次通信量较小通信距离在 35km 以内的一些场合由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化多种控制设备 交通工具医疗仪器以及建筑环境控制等众多部门 由于 can 为愈来愈多不同领域采用和推广导致要求各种应用领域通信报文 的标准化为此1991 年 9 月 philips semiconductors 制订并发布了 can 技术规范version 2.0 9 该技术规范包括 a 和 b 两部分2.0a 给出了曾在 can 技术规范版本 1.2 中定义的 can 报文格式而 2.0b 给出了标准的和扩展的两 种报文格式 此后 1993 年 11 月 iso 正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换 -高速通信控制器局部网can国际标准iso11898为控制器局部网标准化 规范化推广铺平了道路10 3.1.2 can 总线的特点 can 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通讯距 16 离最远可达 10km/5kbps通讯速率最高可达 1mbps/40mcan 总线规范了任意两 个 can 节点之间的兼容性包括电气特性及数据解释协议can 协议分为二层 物理层和数据链路层 物理层决定了实际位传送过程中的电气特性 在同一网络中 可以采用不同方式的物理层但所有节点的物理层必须保持一致can 的数据链路 层功能包括帧组织形式总线仲裁和检错错误报告及处理确认哪个信息要发送 确认接收到的信息以及提供给应用层的接口can 总线通信接口中集成了 can 协 议中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 块编码循环冗余检验优先级判别等项工作 can 协议是一种同步串行数据通信协议最大特点是废除了传统的站地址编 码代之以对通信数据块进行编码采用这种方法的优点是使网络内的节点个数在 理论上不受限制目前网络节点数实际可达 110 个数据块的标识码可由 11 位或 29 位二进制数组成因此可以定义 211或 229个不同的数据块这种按数据块编码的 方式还可使不同的节点同时接收到相同的数据这一点在分布式控制系统中非常 有用数据段长度最多为 8 个字节可满足通常工业领域中控制命令工作状态及 测试数据的一般要求can 的数据帧和以太网的数据帧相比很短只有 614 个字 节这种短帧不会占用总线时间过长受干扰的概率低从而保证了通信的实时性 can 的每帧信息都有 crc 校验并可提供相应的错误处理功能数据出错率极低 保证了数据通信的可靠性通讯介质采用廉价的双绞线即可无特殊要求在传输 信息出错严重时节点可自动切断它与总线的联系以使总线上的其它操作不受影 响 另外can 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具有点对点一点对多点及全局广播传送接收数据的 功能 can 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讯灵活可方便地构成多机备份系统 及分布式监测控制系统此外can 总线采用了非破坏性总线裁决技术当两个 节点同时向网络上传送信息时优先级低的节点主动停止数据发送而优先级高的 节点可不受影响地继续传输数据由此网络上的节点可分成不同的优先级以满足 17 不同的实时要求 can 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据通讯can 总线插卡可以任 意插在 pcatxt 兼容机上方便地构成分布式监控系统can 卓越的特性 极高的可靠性和独特的设计特别适合工业过程监控设备的互连因此越来越受 到工业界的重视并已公认为是最有前途的现场总线之一7 3.2 基于 can 总线的家庭信息传送网络的建立 家庭综合信息传送网络主要包含总线服务器和总线节点两种设备其功能主要 是将家庭中各种各样的智能信息家电通过 can 总线连接在一起构成功能强大 高度智能化的现代智能家居系统为用户提供安全防范消费电子产品的交互式智 能控制家庭信息服务自动维护和家庭医疗保健等多方面的服务 我们组建的家庭内部 can 网络的物理连接采用非屏蔽的双绞线采用位编码 的方式实现同步数据通信保证物理信号的高速正确传输实现总线服务器和 总线节点之间高效无差错的通信为此我们从 can 网络节点的同步网络通 信中优先权的仲裁以及can 网络通信的可靠性三个方面对总线通信进行研究设计 3.2.1 can 总线节点的同步 can 总线采用同步串行通信位定时在节点同步中有重要的地位在 can 总 线中位定时有一点小错误就会导致总线性能严重下降虽然在许多情况下位同 步会修补由于位定时设置不当而产生的错误但不能完全避免出错情况并且在遇 到两个或多个 can 节点同时发送的情况时错误的采样点会使节点启动错误认可 标志使节点不能赢得总线上的任何活动在这里can 总线采用了硬同步和重同 步保证总线上的各节点能够准确同步于总线信号7 1can 总线的硬同步 在帧起始时总线会进行一次硬同步硬同步后位时间由每个位定时逻辑单 元同步段重新启动强迫引起硬同步的边沿处于重新启动位时间的同步段内使总 18 线上的各节点同步从而在帧起始时刻开始总线上的同步传输 2相位缓冲段和重同步 can 总线的数据传输速率最高可达 1mbit/s通常用石英晶振作为时钟发生器 可以独立进行位定时的参数设置这样即使网络中节点之间的时钟周期不一样仍可 获得相同的位速率但网络中晶振的频率不是绝对稳定的温度电压以及器件的 异常都会导致微小的差别但只要将其稳定在振荡器容差范围之内总线上的节点 会通过重同步进行弥补 3can 总线与以太网同步的比较 与 can 总线不同以太网的物理层采用曼彻斯特编码进行异步数据传输曼 彻斯特编码是一种带有同步信息的基带编码接收过程中接收方可以准确地和总线 上的帧同步正确接收帧由此网络中各个节点振荡器误差对网络传输没有影响 帧可以在网络上进行远距离地传输而不受限制但是为了保证在一帧的发送过程 中所有的节点都能探测到网络上有数据传输而不发生冲突以太网数据规定了传 输过程中最小帧长为 46 字节远远超过了 can 总线的帧长实时性较低所以 在实时性要求较高的工业现场 can 总线具有更高的使用价值 3.2.2 家庭总线网络优先权的仲裁方案 1. can 的报文格式5 7 9 在总线中传送的报文每帧由 7 部分组成帧格式如表 3-1 所示 表 3-1 can 报文帧格式 sof 标识符 rtr ide/r1 r0 数据长 度 08 字 节 crc 序 列 crc 界 定符 ack soft ack delimiter 7 隐性 位 帧起始 仲裁域 控制域 数据域 crc 域 应答域 帧尾 can 协议支持两种报文格式标准帧basic can和扩展帧peli can其 唯一的不同是标识符(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 19 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包括一个保 留位 (r0)为将来扩展使用它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 08 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. can 总线的位仲裁 要对数据进行实时处理就必须将数据快速传送这就要求数据的物理传输通 路有较高的速度 在几个站同时需要发送数据时 要求快速地进行仲裁和总线分配 can 总线以报文为单位进行数据传送报文的优先级结合在标识符中具有最 低二进制数的标识符有最高的优先级这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不 能再更改总线读取中的冲突可通过位仲裁解决当几个站同时发送报文时站 1 的报文标识符为 011111站 2 的报文标识符为 0100110站 3 的报文标识符为 0100111所有标识符都有相同的两位 01直到第 3 位进行比较时站 1 的报文被 丢掉因为它的第 3 位为高而其它两个站报文的第 3 位为低站 2 和站 3 报文的 456 位相同直到第 7 位时站 3 的报文才被丢失注意总线中的信号持续 跟踪最后获得总线访问权的站的报文这种非破坏性位仲裁方法的优点在于在网 络最终确定哪个站的报文被传送以前报文的起始部分已经在网络上传送了所有 未获得总线访问权的站都成为具有最高优先权报文的接收站并且不会在总线再次 空闲前发送报文 can 具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用 这些 请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的这种方法在网络负载较重时 有很多优点因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了这可以保证在 实时系统中优先级较低的个体较长的隐伏时间 对于主站的可靠性,由于 can 协议执行非集中化总线控制所有主要通信包 括总线读取 (许可)控制在系统中分几次完成这是实现有较高可靠性的通信系统 的唯一方法 20 3. 总线优先权的仲裁方案 由前面 can 总线位仲裁方案我们知道 can 总线采用位竞争的方式获得总线 访问权我们通过对节点 id 的配置就可以对总线通信的优先权