基于CAN Bus MCU的电梯控制器和监测应用设计 控制器, 汽车

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CAN Bus(Controller Area Network)，控制器区域网，起源于80年代，由国际标准化组织(ISO)所发布，因为利用双线差动(two-wired differential)，使其即使在电器条件恶劣环境下，也可正常运作的一种传输总线。又因双线沟通的特性，大幅缩减了其应用线路的使用量，也降低传统线路复杂易造成错误的发生机会。

基于以上特性，CAN Bus一大应用层面即被导入于汽车工业，因传统的汽车使用线路复杂，使得早期汽车内部线路易于发生故障时且较难以排除。因此双线差动讯号式CAN Bus的电器特性即被快速导入并广泛运用在各交通工具领域(航空、轮船与汽车)或是工业控制。

强健的协议与其编码格式

CAN Bus基本的协议可分为CAN2.0A与CAN2.0B两个版本，A版与B版的主要差别在于识别子(ID)长度分别为11位与29位。如图1所示为一个CAN 2.0协议传输的数据封包(Data Frame)。



图1. CAN协议编码格式图

图1为一个CAN数据封包的格式，可分为起始域、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域和结束域。每个封包(Frame)最长可达128位，以下分别说明各域的意义，其它详细资料可参考BOSCH公司的相关CAN Bus技术文件。

●起始域(SOF, Start of Frame)：该值必为0，表示封包的开始。
●仲裁域(Arbitration Field)：用于确定封包的优先级，由11位或29位识别子(ID)加上一位的RTR(Remote Transfer Request)，当RTR为0时，表示传出资料；RTR为1则表示为接收资料。
●控制域(Control Field)：包含两个保留位(一般为0)和表示数据域内的数据长度DLC0~DLC3共有4位。
●数据域(Data Field)：0~8个Byte的被传送数据
●CRC域(CRC Field)：从SOF到Data Field的CRC验证码，用于检测传输上的错误，共有15位的长度。
●应答域(ACK Field)：确认对方接收是否正常，若接收成功则会回传1。
●结束域(EOF, End of Frame)：表示封包的结束，为7位连续的1。

CAN Bus的特征与优点

●CAN Bus可透过简单的信息滤波设定实现点对点、一对多个点或全网络广播等资料的传输方式。

●没有特定的主从端，且可以以多个主端方式工作，因此Bus上各节点均可在任一时刻主动发送信息至其它节点。

●藉由封包内仲裁域内的识别子来判定优先权，而非藉由地址，因CAN Bus为非破坏性的总线仲裁之技术，当优先层级不同的事件发生，层级低的节点会主动放弃总线访问的权利，而高优先层级的可继续传输而不受影响。

●因具有优先层级之特性，大幅节省了当总线发生冲突时的仲裁时间，提升系统的实时性，而不会出现网络瘫痪的机会。

●具有良好的扩充性，因CAN Bus协议是定义信息，非以站台方式定义，因此可不需为软件硬件做修改即可增加站台。

●传输的距离与传输速度成反比，当传输距离达10km时传输速率约为5Kbps，若需较高的传输速率1Mbps，此时的传输距离为40m。

●在CAN Bus上的每个封包具有强大的CRC检验与防错机制，大幅降低了资料的出错率。

●CAN Bus的通讯介质可为光纤、同轴电缆与常见的双绞线，相较其它通讯方式较为弹性。

CAN Bus的架构与输出准位

CAN Bus为利用一种双线的差动讯号传输规格，典型的CAN节点皆会由一个机械控制单元(Micro Controller Unit, MCU)来做控制，如图2所示，MCU中CAN Controller透过CAN_TX与CAN_RX传送/接收讯号至CAN Transceiver转换成差动讯号CAN_H与CAN_L。而终端电阻120欧姆能有效的吸收CAN网络上的反射波，有效地增强信号。



图2. CAN Bus架构图

图3为CAN Bus输出准位图，当CAN_H与CAN_L均为2.5V时，数据值为逻辑1(隐性)；而CAN_H = 3.5V与CAN_L = 1.5V时，数据值为逻辑0(Dominant)。



图3. CAN Bus输出准位图

强大且可靠的自我检测能力

CAN Bus协议中具有五种错误侦测的方法，其中三个是属于信息(Message)层级，而另外两个位(Bit)层级的检查。当一个信息发生错误，使该节点不接收这个信息，并产生一个错误的封包，而发送端会尝试重新发送新的一个信息。通过以下的侦错方法使CAN Bus的错误率低于4.7x10-11。

1. CRC：循环冗余校验，CRC检查为一个15位的CRC，计算其传送讯息结尾的FCS(Frame Check Sequence)并进行比对，如果不同则为CRC错误。
2. ACK Errors：接收的一端在接收讯息后会发送ACK告知发送端，如果发送讯息的一端没有收到则为ACK错误。
3. Frame Check：检查封包中的几个特定位，来验证内容是否正确。
4. Monitoring：将一个位的资料写至CAN Bus在读回来验证是否发生错误。
5. Bit Stuffing：用于讯号同步使用。

基于优先权的仲裁特色解决多节点发生冲突的问题

CAN Bus采用了非破坏性的仲裁(Non-Destructive Bitwise Arbitration)，因为每个讯息封包都具其优先权，而优先权由仲裁域内部的识别子决定。当许多结果同时发送讯息时，只有发送高优先权的封包的节点才能成为CAN Bus上的主站。

基于在各优先层级的仲裁来自于识别子与跟随在识别子后的传送请求(RTR)决定，具有两个不同识别子的封包中，较高优先权的识别子具有较低的二进制数值。因此注意到的是，在一个系统中每条讯息都需给予唯一的是识别子；具有指定的识别子和Data Length Code (DLC)的数据封包仅可由一个节点所激活。

当CAN Bus闲置时呈现隐性电压准位，这时任何一个节点都可以发送一个显性电压准位做为一个封包的开始；若有两个以上的节点发送，即产生了竞争，而CAN Bus解决的方式为对识别子进行仲裁，各发送节点除了一边向CAN Bus发送电压准位，同时与回收CAN Bus进行比较，若电压准位相同，则继续发送下一位，若电压准位不同则不向下发送，退出竞争。因此识别子为隐性准位时，竞争的优先级就较低，而最高优先级的识别子应该全是显性准位。

以NUC240/NUC140/NUC130作为电梯控制器和监测应用设计的解决方案

NUC240 CAN Bus的特色

在实现电梯控制器和监测的设计模块应用，笔者选择的解决方案为台湾新唐科技的NUC240、NUC140与NUC130，新唐科技于2012年年底推出NUC200系列MCU，其中NUC240为NUC200系列中富含最多周边的产品系列，也是少数具有两组CAN信道的MCU厂商。使用者亦可透过Nu-LB-NUC240学习板搭配BSP链接库(Board Support Package)即可简易地对相关周边上手。

NUC240 CANBus特色如下：

●支持CAN的协议规范2.0 A和2.0 B。
●传输速率最快可达1 MBit/s。
●32个讯息目标
●每一个讯息目标都有自己的识别子屏蔽。
●可程序化的FIFO模式（链接讯息目标）
●可作为屏蔽中断。
●对时间触发的CAN应用关闭自动重传模式。
●自我检测时具可程序化的look-back模式。
●16-bit模块接口至AMBA APB Bus。
●支持MCU由熟睡模式中唤醒功能。

NuMicro MCU CAN Bus方块图

图4为NuMicro MCU内部CAN模块的内部架构，主要包含CAN Core、Message RAM、Module Interface和Message Handler四个部分，其中CAN Core负责错误侦测与处里，是CAN的主要核心；Message RAM为传送与接收的缓冲器；Module Interface为与CAN Core与CPU沟通的主要接口。Message Handler则为传送与接收命令控制中枢。



图4. NuMicro MCU CAN Bus方块图

电梯控制系统方块图说明

由图5电梯控制系统图得知，在各楼层皆需要一个MCU来做为楼层信息的判断或是错误的回报，故选具有一组CAN功能的NUC130作为各楼层的MCU配置。依序将电梯楼层编号1-1~1-7与第二栋楼层编号2-1~2-7以CANBus连至一起，形成一个网络系统(A1)。同理楼层编号3-1~3-7与4-1~4-7形成另一CAN网络系统(A2)，每一栋电梯皆有其独立的步进马达来控制电梯的包厢。

在此选用具有两组CAN Bus信道的NUC240做为电梯系统主要的运算处理与马达控制器，其一信道为连接两栋电梯大楼间的CANBus；另一信道(B)则连接至另一电梯控制器以及中控室的部分。最后中控室可透过USB方式与PC端连接，做为显示监控接口或除错处里。



图5. 电梯控制与监测系统图

电梯模块运作流程说明

电梯的运作行为可以很多种方式呈现，但主要的目的皆来自于接获各楼层乘客指令，平安地送达至指定楼层。如同搭乘百货大楼电梯，于楼层显示面板(NUC130)按下上(下)楼按键，此时因CAN Bus网络特性，可发现不同栋而相同楼层之上下楼按键会同时显示灯号，并且所有楼层与NUC240皆显示当下电梯厢之楼层；待电梯移至被按下上(下)按键之楼层，乘客进入后再按下指定前往楼层按键即可。另外当电梯发生故障时，位处中控室之管理员亦可透过简单的人机接口以简单的USB连接计算机与NUC140将其资料读出。