O 引言
    家庭智能控制系統(tǒng)的主要功能集中在家庭安全報(bào)警、電話或電腦遠(yuǎn)程控制、紅外遙控、自動(dòng)抄表控制、燈光和濕度控制等方面。根據(jù)智能終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)和功能的不同可以把它分成兩類子網(wǎng)，一類是傳輸數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)量小、速率低的家庭自動(dòng)化控制設(shè)備；另一類是傳輸多媒體信息、(視頻、音頻信號)，信號量大、速率快，如視頻會(huì)議、音頻點(diǎn)播等。家庭智能終端設(shè)備可以采用總線結(jié)構(gòu)組建成有線子網(wǎng)和無線子網(wǎng)，因各設(shè)備分布在家中不同的地方，對于組建成有線子網(wǎng)布線比較復(fù)雜，但是如果采用PLC與CAN總線構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)，將降低成本。
    CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))是德國Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為汽車檢測控制而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，它是一種多主機(jī)總線，通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通訊速率為1Mb／s。CAN總線具有卓越的性能，極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。

1 家庭智能化控制系統(tǒng)的組成
    家庭智能化控制系統(tǒng)是電視、洗衣機(jī)、空調(diào)及水表、電表、燃?xì)獗淼仍O(shè)備的指揮通信和信息管理的核心，主要功能是與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)傳通信，接收各種控制口令，完成對相應(yīng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。
    控制系統(tǒng)中凡具有嵌入式微處理器或微計(jì)算機(jī)的單體均通過CAN總線相互連接。組成分布式局部網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息資源共享。這種設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：減少了通信端口、連接電纜；抗干擾能力強(qiáng)；配置靈活、系統(tǒng)擴(kuò)展和升級方便；調(diào)試簡單，檢修方便。
    由CAN總線組成的家庭智能化控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 PLC與CAN總線的連接
    現(xiàn)以GE FANUC系列90 PLC為例，給出一個(gè)PLC與CAN總線的連接方案。
    GE系列90 PLC都帶有經(jīng)轉(zhuǎn)換的RS 232串行通訊口，編程計(jì)算機(jī)通過此串口與PLC進(jìn)行通訊和編程。RS 232標(biāo)準(zhǔn)電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定+3～+15V之間的任意電平為邏輯“0”電平，-3～-15V之間的任意電平為邏輯“1”電平。而CAN信號則使用差分電壓傳送，兩條信號線稱為“CAN _H”和“CAM_L”，靜態(tài)時(shí)均為2．5 V左右，此時(shí)的狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”；用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯性”。顯性時(shí)，通常電壓值為：CAN_H=3．5V，CAN_L=1．5V。
    RS 232串口的幀格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程的第9位(此位為發(fā)送和接收的地址／數(shù)據(jù)位)，1位停止位。而CAN的數(shù)據(jù)幀格式為：幀信息+ID+數(shù)據(jù)(可分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)就需要有一個(gè)微控制器來實(shí)現(xiàn)電平和幀格式等的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換方式如圖2所示。

    用單片機(jī)AT89C52作為微處理器；用SJAl000作為CAN微控制器，SJAl000中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可被動(dòng)局面對通信數(shù)據(jù)的幀處理；高速光電隔離用6N137實(shí)現(xiàn)，其作用是防止串入信號干擾；MAX232用來完成RS 232電平到微控制器接口芯片TTL電平的轉(zhuǎn)換。具體的硬件接口電路參見SJAl000的資料，但有以下幾點(diǎn)需要注意：
    (1)CAN總線兩端接有一個(gè)120 Ω的電阻，其作用是匹配總線阻抗，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性。但實(shí)際上只需保證CAN網(wǎng)絡(luò)中“CAN_H”和“CAN_L”之間的跨接電阻為60 Ω即可。
    (2)SJAl000的20引腳RXl在不使用時(shí)可接地，配合CDR．6的置位可使總線長度大大增加。
    (3)引腳TX0，TXl的接法決定了串行輸出的電平。具體關(guān)系可參考輸出控制寄存器OCR的設(shè)置。
    (4)AT82C250的RS引腳與地間接有1個(gè)斜率電阻。電阻大小可根據(jù)總線通信速度作適當(dāng)調(diào)整，一般在16～140 kΩ之間。
    (5)MAX232外圍需要4個(gè)電解電容C1，C2，C3，C4，這些電容也是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為1μF／25 V，宜選用鉭電容并且位置應(yīng)用量靠近芯片，電源Vcc和地之間要接1個(gè)0．1μF的去耦電容。
    在微處理控制下，RS 232和CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，采用串口接收和CAN中斷方式可提高工作效率。SJAl000的初始化在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行，主要包括工作方式的設(shè)置、時(shí)鐘分頻和驗(yàn)收濾波寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置以及中斷允許寄存器的設(shè)置等。其主程序流程圖如圖3所示。

    數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確傳遞還取決于波特率和流量控制，這也是軟件設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略的地方。因此接下來主要介紹CAN波特率的設(shè)置、串口波特率的自動(dòng)檢測、串口數(shù)據(jù)流量控制。
    CAN協(xié)議中的要素之一是波特率?？梢栽O(shè)置位周期中的位采樣點(diǎn)位置和采樣次數(shù)，以使可以自由地優(yōu)化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)性能，但在優(yōu)化過程中，要注意位定時(shí)參數(shù)基準(zhǔn)參考振蕩器的容差和系統(tǒng)中不同信號傳播延遲之間的關(guān)系。
    系統(tǒng)的位速率fbit表示每單位時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)位的量，即波特率fbit=1／tbit。額定的位定時(shí)由3個(gè)互不重疊的段SYNC_SEG，TSEGl和TSEG2組成，這3個(gè)時(shí)間段分別是tSYNC_SEG，tTSEGl和tTSEG2。所以，額定位周期tbit是3個(gè)時(shí)間段的和：tbit=tSYNC_SEG+tTSEGl+tTSEG2。位周期中這些段都用整數(shù)個(gè)基本時(shí)間單位來表示。該時(shí)間單位叫時(shí)間份額TQ，時(shí)間份額的持續(xù)時(shí)間是CAN系統(tǒng)時(shí)鐘的一個(gè)周期tSCL，可從振蕩器時(shí)鐘周期tCLK取得。通過編程預(yù)分頻因數(shù)(波特率預(yù)設(shè)值BRP)可以調(diào)整CAN系統(tǒng)時(shí)鐘，即tSCL=BRP×2tCLK=2BPR／CLK。
    對CAN位定時(shí)計(jì)算的另一個(gè)很重要的時(shí)間段是同步跳轉(zhuǎn)寬度(SJW)，持續(xù)時(shí)間是tSJW。SJW段并不是位周期的一段，只是定義了在重同步事件中被增長或縮短的位周期的最大TQ數(shù)量。此外，CAN協(xié)議還允許用戶指定位采樣模式(SAM)，分別是單次采樣和三次采樣模式(在3個(gè)采樣結(jié)果中選出1個(gè))。在單次采樣模式中，采樣點(diǎn)在TESG1段的末端。而三次采樣模式比單次采樣多取兩個(gè)采樣點(diǎn)，它們在TSEGl段末端的前面，之間相差一個(gè)TQ。上面所提到的BPR，SJW，SAM，TESGl，TESG2都可由用戶通過CAN控制器的內(nèi)裝中寄存器BTR0和BTRl來定義。設(shè)置好BTR0和BTRl后，實(shí)際傳輸?shù)牟ㄌ芈史秶鸀椋鹤畲?1／(tbit-tSJW)，最小=1／(tbit+tSJW)。
    檢測轉(zhuǎn)換裝置的串口波特率，首先可對主機(jī)的接收波特率(以9600 b／s為例)進(jìn)行設(shè)定，并在終端發(fā)送一個(gè)特定的字符(以回車符為例)，這樣，主機(jī)根據(jù)接收到的字符信息就可以確定轉(zhuǎn)換裝置的通信波特率?；剀嚪腁SCII值是0DH，在不同波特率下接收到的值如表1所列。

    數(shù)據(jù)在兩個(gè)串口之間的傳輸時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。由于單片機(jī)緩沖區(qū)有限，如接收數(shù)據(jù)時(shí)緩沖區(qū)已滿，那么此時(shí)繼續(xù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。而流控制能有效地解決該問題，當(dāng)接收端數(shù)據(jù)處理不過來時(shí)，流控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出“不再接收”的信號，而使發(fā)送端停止發(fā)送，直到收到“可以繼續(xù)發(fā)送”的信號再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此流控制可以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)程，防止數(shù)據(jù)丟失。常用的兩種流控制是硬件流控制(包括RTS／CTS，DTR／CTS等)和軟件流控制XON／XOFF(繼續(xù)／停止)，下面僅就硬件流控制RTS／CTS加以說明。
    采用硬件進(jìn)行流控制時(shí)，串口終端RTS，CTS接到單片機(jī)的I／O口，通過置I／O口為1或0來接收和發(fā)出起停信號。數(shù)據(jù)終端設(shè)備(如計(jì)算機(jī))使用RTS來起始單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)流，而單片機(jī)則用CTS來起動(dòng)和暫停來自計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流。實(shí)現(xiàn)這種硬件握手方式時(shí)，在編程時(shí)根據(jù)接收端緩沖區(qū)的大小設(shè)置一個(gè)高位標(biāo)志和一個(gè)低位標(biāo)志，當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量達(dá)到高位時(shí)，就在接收端將CTS線置低(送邏輯0)，而當(dāng)發(fā)送端的程序檢測到CTS為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將CTS置高為止。RTS則用來標(biāo)明接收設(shè)備有沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。
    以下是CAN接收子程序：
   
   

3 結(jié)語
    通過對家庭智能控制系統(tǒng)的分析，采用PLC與CAN總線構(gòu)建成控制性局域網(wǎng)，通過仿真系統(tǒng)的測試，該總線完全能完成對家庭智能終端設(shè)備實(shí)行控制，但要使它控制的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性得到進(jìn)一步提高，還需在此基礎(chǔ)上作更加深入的研究。