于CAN总线的智能小区安防报警系统设计.pdf

《于CAN总线的智能小区安防报警系统设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《于CAN总线的智能小区安防报警系统设计.pdf（83页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、上海交通大学硕士学位论文基于CAN总线的智能小区安防报警系统设计姓名：陈屹申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：马殿光20080101上海交通大学硕士学位论文 2上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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：陈屹 日期：2008 年 1 月 25 日 上海交通大学硕士学位论

2、文 1基于 CAN 总线的智能小区安防报警系统设计 摘 要 随着信息技术的发展，结合计算机、通信、自动化控制和 IC 卡等技术，为住户提供高技术的智能化服务与管理的智能小区逐渐兴起，而安防系统则是整个智能小区控制中不可或缺的重要组成部分。本文介绍了一套基于 CAN 总线的智能小区安防报警系统，通过引入 CAN 总线使得整个系统具有可靠性高，警情响应速度快，可扩展性强等诸多优势。文章在介绍系统整体架构的同时，对每个部分的软硬件模块都做了详细的阐述，深入分析了软件开发过程中所涉及到的各项关键技术，如报警系统中通信协议的设计、基于 uClinux 和 LPC系列 ARM 平台的软件开发、基于 ATM

3、EL 51 单片机的报警主机的研制等等，其内容对使用其它现场总线的小区安防报警项目或是基于CAN 总线的嵌入式系统设计均有一定的借鉴意义。最后本文总结了课题所完成的工作，并对该套安防报警系统未来的应用前景作了展望。关键字：CAN 总线，安防系统，嵌入式系统，uClinux，ARM，51单片机 上海交通大学硕士学位论文 2Design and implementation of intelligence residential intrusion system based on CAN bus ABSTRACT Since the development of information techn

4、ology,the intelligence residential which can provide people more comfortable service is gradually rising.It is bound with several modern Hi-Techs such as computer,communication,automatic control and IC card,and the security system is one of the most important parts among all residential control syst

5、em.This passage introduced an intelligence residential intrusion system.The whole system has high reliability,rapid response and good expansibility since it uses CAN bus to build the system networking structure.The passage described the overall architecture and each modules hardware and software des

6、ign as well.It also analyzed some key points during software develop in details,such as CAN communication protocol design,porting uClinux to LPC series ARM platform,design of control panel based on ATMEL MCU and etc.The content of this passage can give other embedded system projects based on CAN bus

7、 some useful reference.At last,the passage evaluated the performance of this product and gave a brief preview in conclusion.KEY WORDS:CAN Bus,Intrusion System,Embedded System,uClinux,ARM,51MCU 上海交通大学硕士学位论文 5第一章 绪论 1.1 智能小区安防系统概述 1.1.1 智能小区的定义 所谓智能小区，就是在良好的建筑设计与施工基础上，配有住宅小区智能化系统，提供良好物业管理服务的居民住宅小区。其最主

8、要的特征在于“智能化”，在于它所采用的诸如多元信息处理、传输、监控、管理以及系统集成等一系列高新技术，实现服务、信息和系统资源的高度共享，实现以人为本的建设思想和可持续发展的最终经济目标。小区智能化系统充分利用了计算机技术、通讯技术、控制技术、多媒体技术，同时利用这些技术突出实现住宅信息渠道的开放性和小区生态环境的可持续发展性以及居民生活质量的重要性。随着国际上产业结构向高增值型和知识集约型转变以及人们对住宅要求层次的提高，作为高增值型、高利润、高享受的智能小区，己成为 21 世纪房地产开发商投资的主导方向，也将成为人们购房的主要热点。智能小区的发展，必然和智能大厦一起，促进相关的设计、安装、

9、维修、管理的高技术公司迅速发展，也必将形成一个全新的建筑电子领域。通常来说，智能小区应用系统的基本功能配置主要包括以下几个方面：?安全防范系统：提供报警系统、闭路监控、可视对讲、周界防范、电子巡更及其它各种功能?设备监控系统：主要是给排水监控系统及电梯、照明等设备的监控?信息通讯系统：提供用户语音通信、视频广播、宽带信息服务?物业管理系统：实现三表的远程抄送、收费及其它一些小区物业的管理1 1.1.2 智能小区安防报警系统的构成 在上述的几个智能小区子系统中，安全防范系统主要功能是防止外部人员的非法入侵，对某重要的地点、物品以及内部工作人员或重要人员实施保护，以及作为案件发生后的辅助破案的重要

10、手段和依据。随着人民生活水平的提高，人们越来越重视自己的个人与财产安全，上海交通大学硕士学位论文 6而城市流动人口的增加，又给小区的安保提出了新的难题，同时失火，煤气泄漏等事故又时有发生，要避免这类事件的发生或者将事故的损失降到最低，传统的人防保安方式已经难以适应住户的要求，通过现代化的计算机控制技术实现的安防系统成为一个智能小区中必不可少的模块。在安防系统中按不同功能可分为报警系统、可视对讲系统、视频监控系统等，其中报警系统由于直接保护着住户在住宅内的人身财产安全从而占有举足轻重的地位。一般来讲，住宅防盗报警系统通过在住宅内门窗及室内安装各种探测器进行昼夜监控。当监测到警情时通过住宅内的报警

11、主机传输到智能化管理中心的报警接收计算机。接收机将准确显示警情发生的住户名称、地址和入侵方式等，提示保安人员迅速确认警情，及时赶赴现场，以确保住户人身和财产安全。住户也可通过固定式紧急呼救报警系统或便携式报警装置，在住宅内发生抢劫和突发疾病时，向管理中心呼救报警，中心可根据情况迅速出警。目前市场上使用比较多的一种警情传输手段是采用 PSTN 电话网，报警主机在有警情发生时拨打预设的电话号码，将警情信息通过 PSTN 电话网传输到安装于管理中心的接收机。其报警系统结构如图 1-1 所示：图 1-1 基于 PSTN 的报警系统架构 Figure 1-1 Architecture of intrus

12、ion system based on PSTN 采用 PSTN 电话网进行警情传输的优势在于可以充分利用现有资源，无需架设新的线路，适用面较广。但其缺点也相当明显，首先采用 PSTN 电话网接警速度较慢，一旦线路忙则响应的实时性很难得到保证，同时这样的系统架构导致每个报警主机相对独立，给管理中心的控制与维护带来很大的不便。目前，随着智能小区的飞速发展，网络、现场总线等技术的引入，结合智能小区的控制网络，采用总线式的新一代报警系统正逐渐兴起，其系统的结上海交通大学硕士学位论文 7构如图 1-2 所示：住户单元1(总线节点1)现场总线总线中央控制器住户单元2(总线节点2)住户单元n(总线节点n)

13、图 1-2 总线式报警系统架构 Figure 1-2 Architecture of intrusion system based on field bus 1.2 课题背景及研究目标 1.2.1 课题背景与意义 在西方发达国家，由于其住宅产业的特点，智能住宅与智能住宅网络为其主要研究方向。对其的研究可以追溯到 1979 年，由美国斯坦福研究所就提出了在建筑物内将家用电器、电气设备的控制线统一为家庭总线的概念。之后，美国成立了现代住宅研究会，专门从事这一领域的研究。在 1989 年，美国推出了将电力供应、空调控制和数据通讯和成为整体的布线系统示范单元。在这期间，智能住宅的概念在欧美发达国家得到

14、了广泛的认同。目前，欧美、日本、新加坡等国家在该领域处于世界领先水平。2 在我国国内，智能小区的发展起步较晚但发展很快，但是由于受到市场价格、传统思想等诸多因素的影响，当前住宅小区的智能化建设仍处于初级阶段，智能小区的计算机控制系统也还处于传统控制方式与现场总线控制并存的方式。受其影响，当前的一些智能小区安防报警系统往往采用 485 总线与现场总线混合的网络化方案，虽然性能可以满足一般的需要，但在小区规模大，住户节点多的情况下性能不佳，与可视对讲，门禁系统等其它小区安防子系统可集成度不高，住户节点所提供的功能有限。因此实现智能小区的真正总线化控制，上海交通大学硕士学位论文 8在此基础上构建一套

15、响应速度快，接口扩展性强的安防报警系统具有很重要的实践意义。1.2.2 研究目标与技术难点 本论文从阐述智能小区的发展现状与趋势入手，介绍了安防报警系统在智能小区系统中的作用，随后深入分析了 CAN 现场总线技术。课题研究的主要工作是将 CAN 总线引入到智能小区的网络化控制上，并在该基础上实现一套总线式的安防报警系统。本人的主要工作内容如下：?在 CAN 总线应用层上完成报警系统的通讯协议设计?完成管理中心中央控制器的软件设计?完成 CAN 总线网关等模块的软设计?完成住户报警主机的软件设计?分析整个系统的性能，对其与可视对讲、门禁等系统的集成和功能的扩展作了展望 本课题技术上的难点主要集中

16、在以下几个方面：?CAN 总线的网络既不同于传统的控制网络，也不同于计算机网络，其设计思想和网络运行均有独特之处，需进行认真研究?整个系统规模较大，由多个模块构成，在软件开发过程中需合理地安排开发流程，同时多模块间的联合调试也给开发增加了难度?报警主机采用的硬件平台资源相对有限，而需要实现的功能较多，对软件开发的质量提出了更高的要求 上海交通大学硕士学位论文 9第二章 现场总线与 CAN 网络技术 2.1 现场总线技术概述 顾名思义，现场总线（FieldBus）是应用在生产最底层的一种总线型拓扑网络。进一步讲，这种总线是用做现场控制系统的、直接与所有受控节点串行相连的双向通信网络，也被称为开放

17、式、数字化、多点通讯的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用范围。由于其受控设备和网络所处的环境可能很特殊，对信号的干扰是多方面的，而对控制的实时性要求往往又很强，这就决定了现场总线有别于一般网络的特点。3 现场总线的核心是它的协议，其协议是根据国际标准化组织的 OSI（Open System Interconnection）参考模型制定的。OSI 参考模型最早是为通讯技术而开发的，是一种开放的七层网络协议标准，其具体模型如图 2-1 所示：图 2-1 OSI 参考模型 Figure 2-1 OSI reference model 现场总线互联结构的应

18、用与 OSI 参考模型的应用是一致的，透过这些模型，设计人员上海交通大学硕士学位论文 10可以对系统的控制功能有更清晰、全面的理解。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示及监控一体化的综合自动化功能。这是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术。与传统的分布式控制系统相比，现场总线有以下优势：?不同信号和仪表可以交互操作，用户可以选择不同厂家的硬件自由组合系统?数字总线传输信号，避免了大量电缆的使用，

19、减少了故障率?容易判断故障所在，并具备智能化的设备管理功能?信号处理过程全部数字化，可以实现高精度的信号处理 现场总线技术从形成到现在，在十几年的时间里，有好几种现场总线技术走向成熟并得到推广应用，如基金会现场总线（Foundation Fieldbus）、LonWorks、PROFIBUS 以及本文重点讨论的 CAN 总线。2.2 CAN 总线简介 2.2.1 CAN 总线发展概述 CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络。最早由德国 BOSCH 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通讯。由于其高性能、高可靠性与独特的设计，CAN越来越受到业界的重视

20、，其在国内外的应用范围也在不断的扩展。目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及楼宇控制、智能住宅等领域发展。CAN 己经形成国际标准，成为到目前为止唯一具有国际标准的现场总线。4 2.2.2 CAN 总线性能特点 由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN 总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下：上海交通大学硕士学位论文 11?CAN 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活?CAN 网络上的信息根据其报文标识符分成不同的优先级

21、，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在 134us 内得到传输?CAN 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况?CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传输数据，大大减轻了应用层软件的负担?CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个，在 CAN2.0A 中标识符有 11 位，而在 CAN2.0B 中报文标识符（29 位）的个数几乎不受限制?采用短帧结构，传输时

22、间短，受干扰率低，具有极好的检错效果?CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其他检错措施，保证了极低的数据出错率。节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，使总线上其它节点的操作不受影响?CAN 的通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活 图 2-2 CAN 总线上的显性和隐性位 Figure 2-2 Dominant bit and recessive bit on CAN bus 在 CAN 总线上用“显性”（Dominant）和“隐性”（Recessive）两个互补的逻辑值表示“”和“”。当在总线上同时发送显性和隐性位时，其结果是总线数值为显性（即“”上海交通大学硕士学位论文 12

23、和“”的结果为“”）如图 2-2 所示，CAN-H 和 CAN-L 为 CAN 总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压形式出现。在隐性状态，CAN-H 和 CAN-L被固定在平均电压电平（2.5V）附近，Vdiff 近似于。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位，显性位以大于最小阀值的差分电压表示。采用差分电压使得 CAN 即使在一条信号线断开或者在噪声极大的环境中也能工作。2.3 CAN2.0B 技术规范 随着 CAN 在各种领域的应用和推广，对其通讯格式的标准化提出了要求。为此，1991年 9 月 Bosch 公司制定并发布了 CAN 技术规范（Version2.0）

24、。该技术规范包括 A 和 B 两部分，2.0A 给出了 CAN 报文标准格式，而 2.0B 给出了标准和扩展两种格式。此后，1993 年11 月 ISO 正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换高速通讯控制器局域网（CAN）国际标准 ISO11898，为控制器局域网的标准化和规范化铺平了道路。目前市面上各半导体公司生产的 CAN 控制器件几乎都完全支持 CAN2.0B 规范，并向下兼容 CAN2.0A。本文的讨论基于 CAN2.0B。2.3.1 CAN 协议的分层结构 CAN 遵循 ISO/OSI 标准模型，采用了全部七层中的两层:数据链路层（包括逻辑链路控制子层 LLC 和介质访问控制子层 M

25、AC）和物理层。CAN 标准没有规定应用层，而是将其留给用户自行设计。CAN 的分层结构如下图所示：5 上海交通大学硕士学位论文 13数据链路层接收滤波超载通知恢复管理LLCMAC数据封装/拆装帧编码媒体访问管理错误检测出错标定应答串行化/解除串行化物理层PLS位编码/解码位定时同步PMA驱动器/接收器特性MDI连接特性故障界定总线故障管理 图 2-3 CAN 的分层结构 Figure 2-3 Layer structure of CAN bus 物理层物理层 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。ISO11898 将CAN 的物理层细分为 3 个子层：6?物理信令（

26、PLS）?物理介质连接（PMA）?介质相关接口（MDI）其中物理信令规定了 CAN 总线的位编码方式，定时与同步等传输特性，物理介质连接子层则由 CAN 驱动器和接收器的特性决定。CAN 能够使用很多物理介质如双绞线、光纤等。上海交通大学硕士学位论文 14CAN 协议与其它现场总线协议一个重要的区别是，它使用同步数据传输而不是异步传输，这意味着传输性能得到更有效的发挥，同时也需要更加复杂的位同步方法。在同步传输协议中，只有一帧的开始才有一个起始位，这通常不足以使接收器的位采样和发送器保持同步。为了使接收器在帧结束时也能正确采样到接收的位流，就需要接收器在位流中每个有效的信号边沿都能对接收信号的

27、时钟周期进行检测以实现位同步。下图为 CAN 总线标称的位时间的划分：图 2-4 CAN 位时间划分 Figure 2-4 Definition of CAN bit-time?同步段：位时间中 CAN 信号电平的边沿将要产生的那一部分，同步段之后产生的边沿与同步段之间的距离称为该边沿的相位误差?传输延时段：提供必要的时间用于处理网络中的最大信号传输延迟?相位缓冲段 1、相位缓冲段 2：这两个段可以通过重新同步来加长或缩短以补偿相位误差?采样点：读取总线电平并转换为对应值的时间点 在 CAN 总线上有两种同步：位于帧起始的硬同步和帧中间的重新同步。硬同步后，内部的位时间以同步段重新开始。重新同

28、步则导致位时间的缩短或延长，使采样点产生移位。综上所述，CAN 总线为了实现非破坏性总线仲裁和帧内应答而采用的同步传输方式，决定了总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关。其相关的理论值如下表所示：6 传输速率/kbps 1000 500 250 100 50 20 10 5 最大距离/m 40 130 270 620 1300 3300 6700 10000表 2.1 CAN 最大传输距离理论值 Chart 2.1 Maximum communication distance on CAN bus in theory 上海交通大学硕士学位论文 15介质访问控制子层介质访问控制子层

29、MAC 介质访问控制子层 MAC（Medium Access Control）是 CAN 协议的核心。它把接收到的报文提供给 LLC 子层，并接收来自 LLC 子层的报文，在实际应用中，MAC 子层被划分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分。MAC 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定等，同时受一个“故障界定”的管理实体监督。此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来。在所有 MAC 子层提供的功能中，仲裁机制（Arbitration）最为重要。由于 CAN 为多主总线，当总线空闲时，任何节点都可以开始发送报文，如果两个或两个以上的节点同时开始传输报文，那么就会有

30、总线访问冲突。MAC 子层使用标识符的逐位仲裁以解决这个问题，仲裁机制确保了报文和时间均不损失。在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较，如果电平相同，则这个节点可以继续发送，如果发送的是一“隐性”电平而总线上监视到的是一“显性”电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态，等待下次总线空闲时重新发送。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优于远程帧。逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层 LLC 逻辑链路控制子层 LLC（Logical Link Control）提供的功能包括：接收滤波、超载通知和恢复管理。?接收滤波：帧内容由标识符命名。标识符并不能指明

31、帧的目的地，但描述数据的含义，每个接收器通过验收滤波对该帧的标识符进行匹配以确定是否接收?超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个 LLC 数据帧或远程帧，则通过 LLC子层开始发送过载帧。最多可产生两个过载帧，以延迟一个数据帧或远程帧?恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC 子层具有自动重发的功能。在发送完成前，帧发送服务不被用户认可 2.3.2 CAN 总线上的报文传输 CAN 总线上传输的报文按格式的不同可分为：含有 11 位标识符的标准帧和含有 29 位标识符的扩展帧。按用途则可分为以下 4 种不同类型：上海交通大学硕士学位论文 16数据帧数据帧 数据帧是 CAN

32、总线上最常见的帧，其作用是将数据从发送器传输到接收器，数据帧由7 个不同的位域组成，具体如下图所示。图 2-5 数据帧位域 Figure 2-5 Bit definition in data frame?帧起始：帧起始（SoF）标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位组成?仲裁域：用于 MAC 子层在总线冲突时对报文进行仲裁的域。在标准帧中，仲裁域由 11 位标识符和 RTR 位组成，其标识符按从高到低的顺序进行发送，7 个最高位不能全为隐性。扩展帧的仲裁域则包括 29 位标识符，分成 11 位基本 ID 和 18位扩展 ID，同样由高到低发送，其中基本 ID 定义了扩展帧的基本优先权，仲裁域

33、中的 RTR 位为“远程发起请求位”，用于区分数据帧和远程帧?控制域：控制域中包含数据帧长度代码 DLC，其值可以从 08?数据域：数据域由数据帧里的发送数据组成，可为 08 个字节?CRC 域：CRC 域由 CRC 序列和 CRC 界定符组成，其中 CRC 界定符为一个单独的隐性位，而 CRC 序列则由帧起始、仲裁域、控制域和数据域组成的位流除以 CRC校验多项式所获得?应答域：应答域长度为 2 个位，包括应答间隙和应答界定符，其中应答界定符必为隐性位，发送节点的应答间隙应为隐性位，当接收节点正确地收到有效的报文时，接收器将在应答间隙期间向发送器发送一显性位以表示应答?帧结尾：用于界定数据帧

34、或远程帧的结束，该域由 7 个隐性位组成 远程帧远程帧 作为某数据接收器的节点发出远程帧，请求其资源节点发送具有同一标识符的数据帧，远程帧也有标准帧和扩展帧两种格式，与数据帧的不同在于其没有数据域，所以其数据长度代码的数值没有意义，且其仲裁域中的 RTR 位必为隐性位。错误帧错误帧 上海交通大学硕士学位论文 17 任何节点检测到错误就发送错误帧，错误帧由错误标志和错误界定符两个不同的域组成。过载帧过载帧 过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时，它由过载标志和过载界定符两个位域组成。2.4 CAN 网络智能节点设计 节点是网络上信息的接收和发送站，CAN 总线网络中共有两种类型的节点：不

35、带微处理器的非智能节点和带微处理器的智能节点。智能节点适用于要实现数据处理等复杂功能的情况，一个智能节点一般由 3 部分构成：微控制器或处理器（CPU）、CAN 控制器（CAN Controller）和 CAN 驱动器（CAN Transceiver）。CAN驱动器微处理器CAN控制器CAN总线CAN-RXCAN-TX 图 2-6 CAN 智能节点框图 Figure 2-6 Block diagram of CAN intelligence node 微控制器提供了用户实现 CAN 应用层的平台。CAN 控制器则承担实现 CAN 数据链路层和物理层中物理信令子层的任务，一般它是以一块可编程芯片

36、上逻辑电路的组合来实现这些功能，对外它提供了与微处理器的物理线路的接口，通过对它的编程，CPU 可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发上海交通大学硕士学位论文 18送和接收，把应用层建立在它的基础之上。目前市面上的 CAN 控制芯片有两种类型，一种是独立的，另一种是集成在微处理器内部，如图 2-6 所示。前者在使用上比较灵活，而后者在许多情况下可以使电路设计得到简化，系统更紧凑，效率更高，也是本系统所采用的方案。CAN 总线驱动器提供了 CAN 控制器与物理总线之间的接口，是影响系统网络性能的关键因素之一。市面上不同型号的 CAN 驱动器芯片很多，它们在某些性能参数上会有细微的不

37、同，如供电电压范围、回路延时、是否有远程唤醒的待机模式等，但它们都与 ISO11898的标准完全兼容。CAN 高速标准 ISO11898 中采用总线结构作为网络拓扑。如果不采取适当措施，总线上传输的信号就会在电气导线和引下线的终端产生反射，为了使节点正确地接收总线上的电平信号，使重叠的信号反射充分衰减，必须在总线的两端必须都接上阻值等于线路阻抗的终端电阻。但在实际应用中，系统的网络拓扑可能并非简单的总线结构，某些节点可能通过非终端的支线电缆连上总线，或在终端形成带分支的星形拓扑，此时可以选择距离最长的一个分支，在其两端加上终端电阻，或者将每个分支都视为一个终端，加上终端电阻。无论采用何种接法，

38、总的等效终端电阻（所有电阻并联在一起）必须与 CAN 总线驱动器的驱动能力相匹配。上海交通大学硕士学位论文 19第三章 小区安防报警系统架构综述 3.1 系统总体架构 将现场总线引入智能小区的网络化控制，每个住户就是总线上的一个智能节点。对于一个总线式的安防报警系统来讲，安装于监控中心的中央控制器取代了以前 PSTN 警情接收机的地位，它是整个网络的主控节点，而每个住户家中的安防报警主机则是总线上的智能节点，报警主机上的接线柱连接各种不同类型的探头对各个防区进行监控。所有节点上相关的信息通过现场总线传递到中央控制器，并最终传输到 PC 机上供安保人员实时监控。考虑一个中等规模的智能小区，以小区

39、内有 20 栋楼，每栋楼有 3 个门牌号，楼高 20层，每层有 4 户为例，则总的住户数即系统的节点数为 4800 个。由前文所述，CAN 总线上所能支持的节点数大小由 CAN 驱动器的驱动能力决定，该值的上限一般为 110。显然单层的 CAN 网络无法满足智能小区的需求，故整套系统的采用了双层 CAN 总线级联的架构，在中央控制器与用户报警主机之间加入了 CAN 网关的设备，第一层 CAN 从中央控制器到CAN 网关，第二层 CAN 则从 CAN 网关到住户的报警主机，以中央控制器有 2 路 CAN 接口为例，系统的节点容量可以达到 20000 个以上，完全满足一个大规模小区的应用。整个系统

40、的架构如图 3-1 所示。图 3-1 中的中继器模块用于延长 CAN 总线的通信距离。在实际应用中，由于每个节点一般都会有一段支线连接到总线上，而随着节点数的增加，网络的拓扑结构不再是理想的总线型拓扑，同时在某些情况下，为了连接维护和诊断工具，将不可避免地要扩展拓扑结构，导致实际的通信距离无法达到理论值。根据实际测试，当在总线上挂载 100 个节点后 CAN总线最大通信距离与传输速率如下表所示，每个节点均从总线上分支出 10 米的距离。通信距离速率 10kbps 20kbps 50kbps 100m 稳定 稳定 稳定 1000m 稳定 稳定 不稳定 2000m 稳定 不稳定 失败 3000m

41、不稳定 失败 失败 表 3-1 CAN 最大通信距离实测值 Chart 3-1 Maximum communication distance on CAN bus（From testing）考虑到安防报警系统的信息量以及总线节点数，系统采用 20kbps 的速率是必要的，在上海交通大学硕士学位论文 20此情况下，系统的极限通信距离可能无法覆盖一个面积较大的小区，必须引入 CAN 中继器。所谓 CAN 中继器，是指通过硬件电路级联，提升总线的电气信号，将一个电信号从一个物理总线段传输到另一段的设备。中继器将总线分成了两个物理上独立的段，从而能大幅提高CAN 总线的通信距离，是非常有效的 CAN

42、网络连接工具。服务器PC主节点:中央控制器CAN网关1CAN网关110CAN-HCAN-L从节点1:报警主机/防区模块以太网第一级CAN第二级CANCAN网关CAN网关从节点110:报警主机/防区模块从节点1:报警主机/防区模块从节点110:报警主机/防区模块从节点CAN-LCAN-H从节点监控室中继器中继器中继器CAN-LCAN-H探测器探测器探测器探测器 图 3-1 智能小区安防报警系统总体架构 Figure 3-1 Overall architecture of intelligence residential intrusion system 相比之下，CAN 网关设备上由于有微处理器

43、的存在，网络的连接建立在应用层上，它不仅具有中继器的扩展通信距离的作用，同时具有强大的 ID 过滤功能，并能在应用层对报文进行缓存和处理，以决定是否过滤或转发，大大减轻了总线负载，提升了整个系统的性能。上海交通大学硕士学位论文 21CAN 网关设备可以安装在小区每栋楼的弱电井中，相互间以“手牵手”的方式连接。而中继器视情况既可以安装在 CAN 网关之间（小区面积较大）以延长第一层 CAN 总线的通讯距离，也可以安装在报警主机之间（楼层较高）以延长第二层 CAN 总线的通讯距离。3.2 系统应用层协议的设计 应用层作为 OSI 结构中的最高功能层，与用户的需要密切相关，其定义了如何实现应用层功能

44、，满足信息传递要求的具体规范。CAN 协议规范中定义了数据链路层和部分物理层，用户可以直接建立基于 CAN2.0 规范的数据通信，但这种方式传输的内容一般不能灵活修改，仅适用于固定的通信方式。此外，在 CAN 的应用中，一些附加的功能仍需要应用层协议来实现：?网络控制与管理?确认数据的发送?发送大于 8 个字节的数据块?为不同的物理节点分配不同的报文标识符?定义帧报文的内容和含义 综上所述，定义一套适用于智能小区安防报警系统的 CAN 应用层协议是非常必要的。3.2.1 CAN 报文的分配 报文标识符的分配报文标识符的分配 CAN 总线中具有两种类型的报文：标准帧，具有 11 位标识符；扩展帧

45、，具有 29 位标识符。在一个网络系统中通常只选用一种报文系统，考虑到一般情况下，扩展帧 ID 可以容纳较多的数据信息，该安防报警系统的报文类型采用扩展帧。由前文所述，CAN 报文标识符即是总线传输时的仲裁域，它决定了报文相关的优先权和报文等待时间。报文标识符分配的方法被认为是基于 CAN 总线系统的主要结构元素。它同时也影响了报文过滤的适用性、通信结构的适用性和标识符使用的效率。在整个安防报警系统中，需要传输的事件种类较多，基本可分为以下几大类：?报警主机对监控防区的响应：按响应的不同类型可分为防区报警，防区失效，防上海交通大学硕士学位论文 22区恢复等，而按触发警情类型的不同又可分为盗窃，

46、火警，个人紧急求助等等?住户对报警主机的操作：如对防区进行布撤防操作，改变报警主机某些配置，进入某些预定义的状态模式等等?系统相关的事件：如报警主机的启动，报警主机的离线，CAN 网关的状态，后备电池监测状态，轮询（Polling）的发送和回应数据包等等 所有这些事件都具有不同的优先级，在报警系统中，警情类的事件对实时性要求最高，需要在 CAN 总线上尽快地被发送出去，其中盗窃，火警及紧急求助之类的消息应该具有最高优先级，而轮询和用户操作等事件则可以设置为较低的优先级。由于标识符在总线上的传输从高位开始，根据 CAN 仲裁机制，把标识符的前 11 位定义为事件 ID，遵循具有越高优先级的事件其

47、 ID 值越小的定义原则，能充分的保证高优先级事件组成的报文在总线冲突时获得总线的传输控制权。在安防报警系统中，很多事件都是成对出现的，与此相应的会产生开启（Open）和关闭（Close）两种类型的消息。例如对某个平时为开路的防区来说，有报警触发（Alarm Open，此时防区短路）和报警恢复（Alarm Restore，此时防区由短路恢复到开路）两种消息，而相对防区的布防来说，其对应的恢复事件则是撤防。通常，恢复类型的事件优先级较低，故我们将 28 位标识符的最高位设置为 Open/Close 位。而为了在应用层保证报文被目的节点收到，节点在接收到报文后需要回 ACK，ACK 帧的数据段长度

48、为 0，它与原来帧的区别在于其标识符的最高位为 1，其余完全相同。同时为了便于每一层设备的固件程序进行处理，将 11位的事件 ID 分为 7 位主 ID（包含一位 ACK 位和一位 Open/Close 位）和 4 位从 ID。对于每个在 CAN 总线上的智能节点来说，它都需要一个在该层 CAN 上唯一的地址以标识自己。将节点地址在标识符中定义能充分利用 CAN 控制器中的报文过滤功能，对目标地址非本节点的报文进行过滤，大大减轻了应用层的负担。考虑到每一层 CAN 最多连接 110个节点，故可用 8 个 bit 表示地址信息，范围从 0 x00 到 0 xff，其中 0 x00 只能为系统的中

49、央控制器，CAN 网关和报警主机的地址均从 1 开始，最多不超过 110，而 0 xff 则表示广播地址，以 0 xff 为目标地址的报文将被该层总线所有节点接受。地址域的具体定义如图 3-2 所示，bit0bit7 表示该报文的目标地址，而 bit8bit15 则为该报文的源地址。剩下的两位（第 17、16 位）作为保留位，平时以显性位发送（即逻辑 0），它为该报警系统与其它系统（如可视对讲）的整合预留了应用层协议上的接口。上海交通大学硕士学位论文 23 图 3-2 仲裁域位定义 Figure 3-2 Bit definition in arbitration field 报文数据的分配报文

50、数据的分配 CAN 报文为短帧报文，一帧最多可以传送 8 个字节。在应用层协议中，报文的数据部分主要用于传送与事件相关的参数及特定的功能数据。例如对于一个防区报警的事件，其事件 ID 已被包含在标识符中，数据段将存储具体的防区组编号，防区号，用户 ID 号等等。对于大多数事件来讲，8 个字节的数据段已经足够，但某些事件可能会带有较长的数据内容。例如从 PC 机软件往报警主机发送短消息时，短信息的中文字符以 GB2312 码存储，英文字符以 ASCII 码存储，其长度可能超过 8 个字节，此时需要将该事件分多帧传输，在标识符段的事件 ID 中定义中增加多帧类型，当报警主机接收到一个事件 ID 为