Ease into the Flexible CANbus Network

By Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc

CANbus networks have been around for over 15 years. Initially this bus was targeted at automotive applications, requiring predictable, error-free communications. Recent falling prices of CAN (Controller Area Network) system technologies have made it a commodity item. The CANbus network has expanded past automotive applications. It is now migrating into systems like industrial networks, medical equipment, railway signaling and controlling building services (to name a few). These applications are utilizing the CANbus network, not only because of the lower cost, but because the communication that is achieved through this network is robust, at a bit rate of up to 1 Mbits/sec.

A CANbus network features a multi-master system that broadcasts transmissions to all of the nodes in the system. In this type of network, each node filters out unwanted messages. A classical client/server network (such as Ethernet) relies on network addressing to deliver data to a single node. If multiple nodes exist in this network, a star configuration implements a centralized control (Figure 1). Fewer microcontrollers are needed to perform the varied tasks, but the MCUs are usually more complex with higher pin counts.

In contrast, every node in a CAN system receives the same data at the same time. By default, CAN is message-based, not address-based. Multiple nodes are integrated in the system using a distributed control implementation (Figure 1). One of the advantages of this topology is that nodes can easily be added or removed with minimal software impact. The CAN network requires intelligence on each node, but the level of intelligence can be tailored to the task at that node. Consequently, these individual controllers are usually simpler, with lower pin counts. The CAN network also has higher reliability by using distributed intelligence and fewer wires.

Ethernet differs from CAN in that Ethernet uses collision detection at the end of the transmission. At the beginning of the transmission, CAN uses collision detection with resolution. When a collision occurs during arbitration between two or more CAN nodes that transmit at the same time, the node(s) with the lower priority message(s) will detect the collision. The lower priority node(s) will then switch to receiver mode and wait for the next bus idle to attempt transmission again.

The winning transmitter will continue to send its message as if nothing happened. Response time to collision resolution is faster because the correction occurs at the beginning of the transmission during arbitration of a message and the high priority message is not destroyed.

The CANbus network specification, written by Bosch, has been standardized by ISO and SAE. The entire CAN specification is standardized in ISO 11898-1. ISO 11898-2 contains the CAN physical layer specification. The CAN specification is not completely standardized in the SAE specification.

CANbus communication is achieved using message frames. The three types of frames are data, remote and error. Each frame has internal fields that define the type of frame that is being sent and then provides the pertinent information. For instance, a data frame is constructed with 6 fields: arbitration, control, data, CRC (Cyclic Redundancy Check), acknowledge and end-of-frame. During transmission, the arbitration field is used by every node on the network to identify and/or resolve collisions. The arbitration field is also used to identify the message type and destination. The control frame defines the data frame length. The data frame contains data and has the specified number of bytes per the control frame. The CRC frame is used to check for data errors. And finally, every transmission requires an acknowledge frame from all of the receivers on the CAN network.

In the CAN network multi-master environment, nodes can be added or removed without significant consequence to the operation and reliability of the system. An example of a single node for a CAN network is shown in Figure 2. In this diagram, pressure is measured using a Motorola^reg; pressure sensor, MPX2100AP The differential output voltage of this sensor is gained by a discrete instrumentation amplifier and filtered by a fourth order, low pass, active filter. The signal is then converted to a digital code with a 12-bit A/D converter, MCP3201. The receiving microcontroller sends the data to the CAN controller. The common language between the nodes is generated and maintained by the CAN controller and the voltage compliance to the network is managed by the CAN driver.

Each node in a CAN network can perform a unique function. Although Figure 2 illustrates a pressure-sensing system, other types of systems can complement your application. Additionally, this block diagram of a CAN node can be implemented in a variety of ways. For instance, in the initial build, the microcontroller could have the CAN controller integrated on- chip. At a later date, nodes can easily be added with minimal software impact. When you are ready to add, enhance or build a small stand-alone network, the combination of an MCP2515 with a simple microcontroller would be a good choice.

The MCP2515 stand-alone CAN controller implements version 2.0B of the CAN specification. It is capable of transmitting and receiving both standard and extended data and remote frames. The MCP2515 has two acceptance masks and six acceptance filters that are used to remove unwanted messages. The 4-wire interface between the MCP2515 and the controller is SPItrade;. The MCU pins used for SPI can be recovered if the MCP2515 RXnBF pins are configured as GP output and the TXnRTS pins are configured as GP input.

The MCP2515 has three main blocks:

1. The CAN module, which includes the CAN protocol engine, masks, filters, transmi

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   轻松灵活的CAN总线网络

   由微软科技有限公司的Bonnie C. Baker书写

   CAN总线网络已经存在15多年了。最初这总线是针对汽车应用的需要可预测的，无差错的通信。最近CAN（控制器区域网络）系统技术的价格下跌使其成为商品项目。CAN总线网络扩展了过去的汽车应用。它现在正在迁移到像工业网络，医疗设备，铁路信号和控制建筑服务（仅举几例）这样的系统中。这些应用程序利用CAN总线网络，不仅是因为成本较低，更是由于通信是通过网络实现的高达1兆位/秒的比特率的鲁棒性。

   一个CAN总线网络的特点是多主系统包括广播传输系统中的所有节点。在这种类型的网络中，每个节点过滤掉不需要的消息。一个经典的客户机/服务器网络（如以太网）依赖于网络寻址来传送数据到一个节点。如果该网络中存在多个节点，则用星形配置实现集中控制（图1）。少量的微控制器来执行不同的任务，但MCU通常引脚数越高越复杂。

   与此相反，CAN系统中的每个节点同时接收相同的数据。默认情况下，可以是基于消息的，而不是基于地址的。多节点集成在系统中使用分布式控制实现（图1）。这种拓扑结构的优点之一是，节点可以很容易地添加或删除最小的软件影响。CAN网络需要在每个节点上的智能，而且智能水平可以根据该节点的任务决定。因此，这些单独的控制器通常是简单的，由较低的引脚计数。CAN网络具有较高的可靠性，采用分布式智能和更少的电线。

   以太网与CAN不同，以太网在传输端使用碰撞检测。在传输开始时，可以使用冲突检测与分辨率。当在两个或多个CAN节点同时进行仲裁期间发生冲突时，具有较低优先级消息的节点将检测到冲突。较低优先级的节点将切换到接收器模式，等待下一个总线空闲以再次传输。

   获胜的发射机将继续发送消息，好像什么都没有发生过。冲突解决的响应时间更快，因为在消息的仲裁开始时发生校正，而高优先级消息不会被破坏。

   CAN总线网络规范，由博世提出，已通过ISO、SAE规范。整个的规范可以在ISO 11898-1规范化。符合ISO11898-2包含CAN物理层规范。在SAE规范可以规范没有完全标准化的规范。

   CAN总线通信是利用信息框架实现。三种类型的帧是数据，远程和错误帧。每个帧都具有定义发送帧类型的内部字段，然后提供相关信息的作用。例如，数据帧的构建有6个领域：仲裁，控制，数据，CRC（循环冗余校验），确认和帧结束。在传输过程中，仲裁字段用于网络上的每个节点来识别和/或解决冲突。仲裁字段也用于标识消息类型和目的地。控制帧定义数据帧长度。数据帧包含数据，并且每个控制帧都有指定的字节数。CRC帧用于检查数据错误。最后，每一个传输需要一个应答帧从CAN网络上的所有接收器接收。

   在CAN网络的多主环境中，节点可以被添加或删除并且没有显着后果和影响系统的可靠性。一个CAN网络的单个节点的例子如图2所示。在该图中，压力是使用摩托罗拉reg;压力传感器测量，mpx2100ap传感器的差动输出电压是通过分立的仪表放大器和四分之一阶、低通滤波、有源滤波器。然后将信号转换成一个12位的A/D转换器的数字代码。接收微控制器将数据发送到CAN控制器。由CAN控制器生成和维护节点之间的公共语言并由CAN驱动器管理网络的电压顺应性

   CAN网络中的每个节点可以执行唯一的功能。虽然图2说明了压力传感系统，其他类型的系统可以补充您的应用程序。此外，此CAN节点的框图可以以多种方式实现。例如，在初始构建中，微控制器可以有集成在芯片上的CAN控制器。在以后的日子里，节点可以很容易地添加最少的软件影响。当你正准备加入，加强或建立一个小型的独立的网络，用一个简单的微控制器MCP2515的结合将是一个不错的选择。

   MCP2515的独立的CAN控制器实现CAN规范2.0B版本。它能够发送和接收标准和扩展数据和远程帧。 MCP2515有两个接受面具有六验收滤波器，用来去除不需要的信息。MCP2515和控制器的SPItrade;之间的四线接口。如果MCP2515 rxnbf引脚配置为输出和txnrts GP引脚配置为输入恢复GP可用于SPI单片机引脚。

   MCP2515主要有三个模块:

   1.CAN模块，包括CAN协议引擎，屏蔽，过滤器，发送和接收缓冲区

   2.用于配置设备及其操作的控制逻辑和寄存器的模块

   3.SPI协议块

   通常，CAN系统中的每个节点都必须有一个设备将由CAN控制器产生的 数字信号转换为适用于总线布线传输的 信号。这个设备还提供了CAN控制器之间的缓冲器和可以由外部源（EMI,ESD,顺变电等）CAN总线高压尖峰。MCP2551高速CAN是容错提供之间的CAN协议控制器和物理总线的接口。mcp2551具有的差动发送和接收能力的CAN协议控制器，是完全符合ISO-11898标准，包括24v要求。它也将在高达1兆位/秒的速度运转。

   这种串行通信协议支持分布式实时控制与复杂的安全级别。CAN总线时间证明性能确保可预测的误差应用环境自由通信的安全意识。通过仲裁，可以对消息进行优先排序。配置是灵活的硬件，以及数据链路层，其中的传输细节可以由设计者修改。这样做，同时可以保持系统内数据的一致性。

   参考文献:

   AN212: ^u智能传感器节点采用MCP2510和P / c16f876” 斯坦奇克，迈克，多元化的工程公司

   AN228: ^U物理层讨论“，理查兹，Pat，微芯科技公司

   AN754: ^了解Microchip的CAN模块位定时“，理查兹，Pat，Microchip科技公司

   高速CAN收发器MCP2551，Microchip的产品数据表，ds21667

   独立与SP /trade;接口控制器，芯片MCP2515的产品数据表，ds21801

   ^无线能庭院灯控制”，达迈耶，约翰

   蓝牙网关及通信协议

   ¹EDGAR CANO, ²JUAN RUIZ, ³LUIS HUERTA

   ^1,2,3 Prof., Department of Computer Science, University of the ISTMO Region, Mexico

   摘要

   在许多工厂的应用程序中建立设备之间的通信连接传统上是靠有线链路实现。CAN总线协议接口设备的可访问性健壮性是其自动化市场采用的主要特点。但是，有线网络在安装和维护方面是一个缺点，尤其是在固定设备的电线安装上很危险。在本文中，我们提出了一个网关的设计避免了通信和CAN总线的蓝牙微网，与主要的目标是解决和减少布线困难的提供方式。

   关键词：蓝牙，控制区域网络（CAN），嵌入式系统，UML，无线网络

   1. 引言

   近几十年来，全世界工厂自动化部件的不断发展已成为一个非常有吸引力的研究领域，特别是在工业通信领域。该地区通常采用不同的现代学科，作为传感器节点通信和执行器工程，在一个集成方案互连的目的。在这种方式中，工厂自动化系统可以通过一个消息规范结合几个传感器，控制器和机器。

   在工业环境中使用的控制区域网络（CAN）有许多不同的网络类型，过程现场总线（PROFIBUS），Modbus，等等。在这种情况下，CAN协议已成为现实，在汽车应用（在其早期，可以创建作为一种解决方案，这种应用程序），以及在工业控制设计。

   该标准是一个非常强大的协议包括错误检测和识别、自检和故障限制。CAN总线是一种多主广播结构在1 Mbit / s的一个实现多址协议，碰撞检测和解决它的消息[ 2字段标识符分配的优先级分析的最大速率运行]。虽然在CAN协议的数据传输速率取决于距离。例如，1 Mbit / s的长度可以在40米以下的网络实现，而250 kbit/s可以达到网络长度低于250米的最低比特率的标准定义是200kbit /秒使用屏蔽双绞线电缆。

   然而，尽管在这些领域的重要性日益增加，有线网络有一个缺点，由于在其安装中使用的过多的电线，其维护成本十分昂贵。从这个意义上讲，快速增长的短距离无线网络是一个合适的解决方案来解决这个问题。无线网络允许节点轻松移动，增加了一个设计的网络解决方案的灵活性。因此，无线网络可以大大降低成本和安装和配以及系统的时间.

   在工业控制的应用中，无线网络是一个重要的参数来考虑相关的设备之间的干扰的鲁棒性。从这一点来看，由于工业使用的增加，科学和医疗（ISM）在不同的网络带宽，交通就成为一个重要的问题。例如，蓝牙，Wi Fi（802.11 b / g），和ZigBee工作在相同的频谱；因此，这些设备的性能由另一个存在的不利影响，比如说从附近的一些机器的电磁干扰。因此，有包括蓝牙自适应跳频（AFH）算法，允许蓝牙设备分类渠道和使用好的渠道。AFH考虑信道条件和动态地改变跳频。因此，蓝牙是一个成熟的标准基于无线无线电系统设计的短距离和廉价的设备，以取代电缆。

   在2.4GHz的ISM频段有79个蓝牙通道；每个蓝牙信道划分为多个时隙，每个时隙的时间为625 ^ S.蓝牙设备之间可以采用跳频扩频（FHSS）沟通。蓝牙微微网的基本网络拓扑定义，并能形成点对点（参见图2a）或点对多点的链接（见图2b）。微微网是一个集两到八的蓝牙设备。一个设备管理在每个微微网的传输，这个装置被称为大师，而其他的设备被称为奴隶

   蓝牙设备可以形成更大的结构，其中散射网是一家集操作蓝牙微微网在时间和空间上的重叠。两个微微网可以连接以形成一个散射

   在本文中，我们提出了一个近似设计的网关工具，结合，蓝牙无线技术和CAN协议，解决有线和干扰的困难。本文的结构安排如下：第2部分介绍了基于CAN协议的短距离无线网络网关系统的相关工作。3部分介绍了系统的硬件和软件设计bluecan。最后，第4节结束本文。

   1. 相关工作

   根据我们的文献回顾，有早期的近似将无线技术与CAN协议结合的视力。例如，卡斯特罗和dos Reis Filho [ 6 ]描述和评估系统，实现了CAN总线和无线网络之间的通信。在这项工作中，作者测量了从蓝牙接收端延迟开始可以传输，他们观察到的高传输速率，平均延迟时间小于10ms，抖动小于2ms，表明双媒体网络是工业自动化的一个极具竞争力的解决方案。章等。[ 7 ]设计了一个监控系统电力电缆接头温度的基础上结合可以有线传输和ZigBee无线网络，并通过监测分析电力电缆接头的温度，它可以提供早期报警电缆火灾事故的发生，将对电力系统的安全可靠运行非常重要。他们给出了一种设计可以基于蓝牙技术的总线网络，他们表明，系统运行可靠稳定，可以蓝牙节点传送数据的正确传输的蓝牙无线传感器节点实时上位机程序通过CAN总线智能控制器.

   我们的目标不同于这些研究，因为我们的蓝牙实现网关系统是基于UML的设计来实现的，用一个更简单的方法，目标设备的迁移。此外，我们的方法给出了一个例子，设计在网关系统中的参与者和功能之间的相互作用来管理通信协议之间的功能。

   bluecan节点设计

   bluecan节点是一个网关的工具，将数据从CAN总线蓝牙数据，反之亦然。也可以读取数据并将数据包到CAN总线的UART的数据送他们在附近的蓝牙设备 .

   硬件设计：

   在硬件设计中的bluecan节点主要由两模块管理系统活动：DCE模块和终端模块

   通过DTE模块用户配置节点和显示设备之间发送的消息。DTE模块由以下部件组成:

   • 图形液晶显示（GLCD）：通过GLCD，用户将看到不同的系统选项，可以查看实时CAN包.
   • 键盘：通过键盘矩阵，用户可以选择不同功能的选项。
   • 单片机dsPIC单片机dsPIC30F4013：30f4013 CAN模块包含一个控制器实现CAN 2.0 B /协议中定义的规范，在博世的[ 9 ]。
   • RS232收发器收发器的接口：RS232 converts（- 12V的12V的电压水平和电压水平（UART）到5V和0V）.
   • CAN收发器：CAN收发器MCP2551的装置，这是一个高速度、容错装置之间的CAN协议控制器和物理总线的接口。.
   • 重置按钮：在某些情况下，它是必要的，用于恢复bluecan节点设置为其默认值。复位按钮负责启动终端模块.

   DCE模块建立连接，根据串行格式的蓝牙协议，该模块主要由以下几个部分组成:

   • 蓝牙模块：蓝牙模块是obs433i OEM串口适配器，是一种远程蓝牙2.1 EDR模块（1级），与串行端口配置文件支持（SPP）的快速和安全的串口数据透明传输，和个人区域网（PAN）的connectblue签名发布.
   • OEM的OEM模块RS232适配器：适配器是一个设计RS232接口EAS3 ^ OEM串口适配器产品从connectblue处开发的开发工具用语

   软件设计

   用UML图，我们建立了一个代表性的bluecan系统功能设计。这样的bluecan节点运行在两个主要的模式：配置模式和数据模式。这些主要操作模式分别由操作管理和数据管理来管理（见图6）

   用户可以通过键盘的bluecan探索系统的几个功能，并选择菜单中的选项。

   图7显示一个状态图表示的动态模型中，用户与系统的bluecan方法

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