基于CAN Bus MCU的電梯控制器和監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯基于CANBusMCU的電梯控制器和監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)-技術(shù)方案CANBus（ControllerAreaNetwork），控制器區(qū)域網(wǎng)，起源于80年代，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）所發(fā)布，因?yàn)槔秒p線差動(dòng)（two-wireddifferential），使其即使在電器條件惡劣環(huán)境下，也可正常運(yùn)作的一種傳輸總線。又因雙線溝通的特性，大幅縮減了其應(yīng)用線路的使用量，也降低傳統(tǒng)線路復(fù)雜易造成錯(cuò)誤的發(fā)生機(jī)會(huì)。

基于以上特性，CANBus一大應(yīng)用層面即被導(dǎo)入于汽車工業(yè)，因傳統(tǒng)的汽車使用線路復(fù)雜，使得早期汽車內(nèi)部線路易于發(fā)生故障時(shí)且較難以排除。因此雙線差動(dòng)訊號(hào)式CANBus的電器特性即被快速導(dǎo)入并廣泛運(yùn)用在各交通工具領(lǐng)域（航空、輪船與汽車）或是工業(yè)控制。

強(qiáng)健的協(xié)議與其編碼格式

CANBus基本的協(xié)議可分為CAN2.0A與CAN2.0B兩個(gè)版本，A版與B版的主要差別在于識(shí)別子（ID）長(zhǎng)度分別為11位與29位。如圖1所示為一個(gè)CAN2.0協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封包（DataFrame）。

圖1.CAN協(xié)議編碼格式圖

圖1為一個(gè)CAN數(shù)據(jù)封包的格式，可分為起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、應(yīng)答域和結(jié)束域。每個(gè)封包(Frame)長(zhǎng)可達(dá)128位，以下分別說明各域的意義，其它詳細(xì)資料可參考BOSCH公司的相關(guān)CANBus技術(shù)文件。●起始域(SOF,StartofFrame)：該值必為0，表示封包的開始。●仲裁域(ArbitrationField)：用于確定封包的優(yōu)先級(jí)，由11位或29位識(shí)別子(ID)加上一位的RTR(RemoteTransferRequest)，當(dāng)RTR為0時(shí)，表示傳出資料；RTR為1則表示為接收資料。●控制域(ControlField)：包含兩個(gè)保留位(一般為0)和表示數(shù)據(jù)域內(nèi)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度DLC0~DLC3共有4位。●數(shù)據(jù)域(DataField)：0~8個(gè)Byte的被傳送數(shù)據(jù)●CRC域(CRCField)：從SOF到DataField的CRC驗(yàn)證碼，用于檢測(cè)傳輸上的錯(cuò)誤，共有15位的長(zhǎng)度?！駪?yīng)答域(ACKField)：確認(rèn)對(duì)方接收是否正常，若接收成功則會(huì)回傳1。●結(jié)束域(EOF,EndofFrame)：表示封包的結(jié)束，為7位連續(xù)的1。

CANBus的特征與優(yōu)點(diǎn)●CANBus可透過簡(jiǎn)單的信息濾波設(shè)定實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多個(gè)點(diǎn)或全網(wǎng)絡(luò)廣播等資料的傳輸方式。●沒有特定的主從端，且可以以多個(gè)主端方式工作，因此Bus上各節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)發(fā)送信息至其它節(jié)點(diǎn)。●藉由封包內(nèi)仲裁域內(nèi)的識(shí)別子來判定優(yōu)先權(quán)，而非藉由地址，因CANBus為非破壞性的總線仲裁之技術(shù)，當(dāng)優(yōu)先層級(jí)不同的事件發(fā)生，層級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)放棄總線訪問的權(quán)利，而高優(yōu)先層級(jí)的可繼續(xù)傳輸而不受影響。●因具有優(yōu)先層級(jí)之特性，大幅節(jié)省了當(dāng)總線發(fā)生沖突時(shí)的仲裁時(shí)間，提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的機(jī)會(huì)?！窬哂辛己玫臄U(kuò)充性，因CANBus協(xié)議是定義信息，非以站臺(tái)方式定義，因此可不需為軟件硬件做修改即可增加站臺(tái)。●傳輸?shù)木嚯x與傳輸速度成反比，當(dāng)傳輸距離達(dá)10km時(shí)傳輸速率約為5Kbps，若需較高的傳輸速率1Mbps，此時(shí)的傳輸距離為40m。●在CANBus上的每個(gè)封包具有強(qiáng)大的CRC檢驗(yàn)與防錯(cuò)機(jī)制，大幅降低了資料的出錯(cuò)率。●CANBus的通訊介質(zhì)可為光纖、同軸電纜與常見的雙絞線，相較其它通訊方式較為彈性。CANBus的架構(gòu)與輸出準(zhǔn)位CANBus為利用一種雙線的差動(dòng)訊號(hào)傳輸規(guī)格，典型的CAN節(jié)點(diǎn)皆會(huì)由一個(gè)機(jī)械控制單元(MicroControllerUnit,MCU)來做控制，如圖2所示，MCU中CANController透過CAN_TX與CAN_RX傳送/接收訊號(hào)至CANTransceiver轉(zhuǎn)換成差動(dòng)訊號(hào)CAN_H與CAN_L。而終端電阻120歐姆能有效的吸收CAN網(wǎng)絡(luò)上的反射波，有效地增強(qiáng)信號(hào)。

圖2.CANBus架構(gòu)圖

圖3為CANBus輸出準(zhǔn)位圖，當(dāng)CAN_H與CAN_L均為2.5V時(shí)，數(shù)據(jù)值為邏輯1（隱性）；而CAN_H=3.5V與CAN_L=1.5V時(shí)，數(shù)據(jù)值為邏輯0（Dominant）。

圖3.CANBus輸出準(zhǔn)位圖

強(qiáng)大且可靠的自我檢測(cè)能力

CANBus協(xié)議中具有五種錯(cuò)誤偵測(cè)的方法，其中三個(gè)是屬于信息（Message）層級(jí)，而另外兩個(gè)位（Bit）層級(jí)的檢查。當(dāng)一個(gè)信息發(fā)生錯(cuò)誤，使該節(jié)點(diǎn)不接收這個(gè)信息，并產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤的封包，而發(fā)送端會(huì)嘗試重新發(fā)送新的一個(gè)信息。通過以下的偵錯(cuò)方法使CANBus的錯(cuò)誤率低于4.7x10-11.

1.CRC:循環(huán)冗余校驗(yàn)，CRC檢查為一個(gè)15位的CRC,計(jì)算其傳送訊息結(jié)尾的FCS（FrameCheckSequence）并進(jìn)行比對(duì)，如果不同則為CRC錯(cuò)誤。

2.ACKErrors:接收的一端在接收訊息后會(huì)發(fā)送ACK告知發(fā)送端，如果發(fā)送訊息的一端沒有收到則為ACK錯(cuò)誤。

3.FrameCheck:檢查封包中的幾個(gè)特定位，來驗(yàn)證內(nèi)容是否正確。

4.Monitoring:將一個(gè)位的資料寫至CANBus在讀回來驗(yàn)證是否發(fā)生錯(cuò)誤。

5.BitStuffing:用于訊號(hào)同步使用。

基于優(yōu)先權(quán)的仲裁特色解決多節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突的問題

CANBus采用了非破壞性的仲裁（Non-DestructiveBitwiseArbitration），因?yàn)槊總€(gè)訊息封包都具其優(yōu)先權(quán)，而優(yōu)先權(quán)由仲裁域內(nèi)部的識(shí)別子決定。當(dāng)許多結(jié)果同時(shí)發(fā)送訊息時(shí)，只有發(fā)送高優(yōu)先權(quán)的封包的節(jié)點(diǎn)才能成為CANBus上的主站。

基于在各優(yōu)先層級(jí)的仲裁來自于識(shí)別子與跟隨在識(shí)別子后的傳送請(qǐng)求（RTR）決定，具有兩個(gè)不同識(shí)別子的封包中，較高優(yōu)先權(quán)的識(shí)別子具有較低的二進(jìn)制數(shù)值。因此注意到的是，在一個(gè)系統(tǒng)中每條訊息都需給予的是識(shí)別子；具有指定的識(shí)別子和DataLengthCode（DLC）的數(shù)據(jù)封包僅可由一個(gè)節(jié)點(diǎn)所激活。

當(dāng)CANBus閑置時(shí)呈現(xiàn)隱性電壓準(zhǔn)位，這時(shí)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送一個(gè)顯性電壓準(zhǔn)位做為一個(gè)封包的開始；若有兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送，即產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)，而CANBus解決的方式為對(duì)識(shí)別子進(jìn)行仲裁，各發(fā)送節(jié)點(diǎn)除了一邊向CANBus發(fā)送電壓準(zhǔn)位，同時(shí)與回收CANBus進(jìn)行比較，若電壓準(zhǔn)位相同，則繼續(xù)發(fā)送下一位，若電壓準(zhǔn)位不同則不向下發(fā)送，退出競(jìng)爭(zhēng)。因此識(shí)別子為隱性準(zhǔn)位時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)先級(jí)就較低，而優(yōu)先級(jí)的識(shí)別子應(yīng)該全是顯性準(zhǔn)位。

以NUC240/NUC140/NUC130作為電梯控制器和監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的解決方案

NUC240CANBus的特色

在實(shí)現(xiàn)電梯控制器和監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)模塊應(yīng)用，筆者選擇的解決方案為臺(tái)灣新唐科技的NUC240、NUC140與NUC130,新唐科技于2022年年底推出NUC200系列MCU,其中NUC240為NUC200系列中富含多周邊的產(chǎn)品系列，也是少數(shù)具有兩組CAN信道的MCU廠商。使用者亦可透過Nu-LB-NUC240學(xué)習(xí)板搭配BSP鏈接庫(kù)（BoardSupportPackage）即可簡(jiǎn)易地對(duì)相關(guān)周邊上手。

NUC240CANBus特色如下：

●支持CAN的協(xié)議規(guī)范2.0A和2.0B.

●傳輸速率快可達(dá)1MBit/s.

●32個(gè)訊息目標(biāo)

●每一個(gè)訊息目標(biāo)都有自己的識(shí)別子屏蔽。

●可程序化的FIFO模式（鏈接訊息目標(biāo)）

●可作為屏蔽中斷。

●對(duì)時(shí)間觸發(fā)的CAN應(yīng)用關(guān)閉自動(dòng)重傳模式。

●自我檢測(cè)時(shí)具可程序化的look-back模式。

●16-bit模塊接口至AMBAAPBBus.

●支持MCU由熟睡模式中喚醒功能。

NuMicroMCUCANBus方塊圖

圖4為NuMicroMCU內(nèi)部CAN模塊的內(nèi)部架構(gòu)，主要包含CANCore、MessageRAM、ModuleInterface和MessageHandler四個(gè)部分，其中CANCore負(fù)責(zé)錯(cuò)誤偵測(cè)與處里，是CAN的主要；MessageRAM為傳送與接收的緩沖器；ModuleInterface為與CANCore與CPU溝通的主要接口。MessageHandler則為傳送與接收命令控制中樞。

圖4.NuMicroMCUCANBus方塊圖

電梯控制系統(tǒng)方塊圖說明

由圖5電梯控制系統(tǒng)圖得知，在各樓層皆需要一個(gè)MCU來做為樓層信息的判斷或是錯(cuò)誤的回報(bào)，故選具有一組CAN功能的NUC130作為各樓層的MCU配置。依序?qū)㈦娞輼菍泳幪?hào)1-1~1-7與第二棟樓層編號(hào)2-1~2-7以CANBus連至一起，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（A1）。同理樓層編號(hào)3-1~3-7與4-1~4-7形成另一CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（A2），每一棟電梯皆有其獨(dú)立的步進(jìn)馬達(dá)來控制電梯的包廂。

在此選用具有兩組CANBus信道的NUC240做為電梯系統(tǒng)主要的運(yùn)算處理與馬達(dá)控制器，其一信道為連接兩棟電梯大樓間的CANBus;另一信道（B）則連接至另一電梯控制器以及中控室的部分。中控室可透過USB方式與PC端連接，做為顯示監(jiān)控接口或除錯(cuò)處里。

圖5.電梯控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

電梯模塊運(yùn)作流程說明

電梯的運(yùn)作行為可以很多種方式呈現(xiàn)，但主要的目的皆來自于接獲各樓