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基于CAN总线的楼宇智能环境智能监测系统设计

某楼宇有多个房间（如下图所示），其中一个房间可作为集中监

控室，每个房间都安装温度和湿度传感器，并通过CAN总线监测到的

温度、湿度信号发送到监控室中的上位机PC用于随时监控各房间的

环境状况。

1）介绍CAN总线网络层次结构。

CAN总线与简单总线逻辑不同，CAN是一种复杂逻辑的总线结构。参照
ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层和物理层。而数据链路层又包括逻辑
链路子层LLC（LogicLinkControl）和媒体访问控制子层MAC（MediumAccess
Control）。CAN的通信参考模型如图一所示。
1.物理层
在物理层中定义实际信号的传输方法，包括位的编码和解码、位的定时
和同步等内容，作用是定义不同节点之间根据电气属性如何进行位的实际传
输。

在物理连接上，CAN总线结构提供两个引脚--CANH和CANL，总线通过CANH
和CANL之间的差分电压完成信号的位传输。
2.逻辑链路子层LLC
逻辑链路子层LLC的主要功能是，对总线上传输的报文实行接收滤波，
判断总线上传输的报文是否与本节点有关，哪些报文应该为本节点接收；对
报文的接收予以确认；为数据传送和远程数据请求提供服务；当丢失仲裁或
被出错干扰时，逻辑链路子层具有自动重发的恢复管理功能等。

3.媒体访问控制子层MAC
MAC子层是CAN协议的核心。它负责执行总线仲裁、报文成帧、出错检
测、错误标定等传输控制规则。
逻辑链路子层LLC

接收滤波

超载通州
恢复管理
媒体访问控制层MAC
数据链路层
数据封装/拆装
帧编码（填充/解除填充）
媒体访问管理
错误检测
出错标定
应答
串行化/解除串行化
位编码/解码

位定时
物理层同步
驱动器/接收器特性
连接器

图一CAN的通信参考模型
2）介绍CAN总线通讯协议的报文格式。

根据CAN报文帧的不同用途，可以把CAN报文帧划分为以下4种类型，
数据帧，远程帧，出错帧，超载帧。
1.数据帧
数据帧携带数据从发送器至接收器。总线上传输的大多是这种帧，从标
识符长度上，又可以把数据帧分为标准帧(11位标识符)和扩展帧(29位标识
符)。

数据帧由7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC
场、应答场、帧结束。其中，数据场的长度为0~8个字节。标识符位于仲裁
场中，报文接收节点通过标识符进行报文滤波。数据帧结构如图二所示。

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图二数据帧结构
2.远程帧
由总线上的节点发出，用于请求其他节点发送具有同一标识符的数据帧。
当某个节点需要数据时，可以发送远程帧请求另一节点发送相应数据帧。与
数据帧相比，远程帧没有数据场。远程帧结构如图三所示。

图三远程帧结构
3.出错帧
任何单元，一旦检测到总线错误就发出错误帧。错误帧由两个不同的场
组成，第一个场是由不同站提供的错误标志的叠加(错误标志)，第二个场是
错误界定符。出错帧结构如图四所示。

图四出错帧结构

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4.超载帧
超载帧用于在先行的和后续的数据帧(或远程帧)之间提供附加延时。超
载帧包括两个场：超载标志和超载界定符。超载帧结构如图五所示。

图五超载帧结构
3）在总线上传输的报文以帧结构进行传输，与CAN总线传输相

关的关键技术术是什么？实现过程是什么？

答：在CAN系统中为保证报文传输的正确性，需要对通信过程进行差错
控制。目前常用的方法是反馈重发，即一旦收到接收端发出的出错信息，发
送端便自动重发，此时的差错控制只需要检错功能。常用的检错码有两类：
奇偶校验码和循环冗余校验码。奇偶校验码是一种最常见的检错码，其实现
方法简单，但检错能力较差；循环冗余校验码的编码也很简单且误判率低，
所以在通信系统中获得了广泛的应用。下面介绍ＣＡＮ网络中循环冗余校验

码（即CRC码）的原理和实现方法。
1、CRC码检错的工作原理
CRC码检错是将被处理报文的比特序列当作一个二进制多项式A(×)的
系数，该系数除以发送方和接收方预先约定好的生成多项式g(×)后，将求
得的余数p(×)作为CRC校验码附加到原始的报文上，并一起发给接收方。
接收方用同样的g(×)去除收到的报文B(×)，如果余数等于p(×)，则传输
无误(此时A(×)和B(×)相同)；否则传输过程中出错，由发送端重发，重新
开始CRC校验，直到无误为止。
上述校验过程中有几点需注意：①在进行CRC计算时，采用二进制(模
2)运算法，即加法不进位，减法不借位，其本质就是两个操作数进行逻辑异

或运算；②在进行CRC计算前先将发送报文所表示的多项式A(×)乘以×n，

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其中ｎ为生成多项式g(×)的最高幂值。对二进制乘法来讲，A(×)·×n就
是将A(×)左移ｎ位，用来存放余数