A Controller Area Network Gateway to Zigbee- A Proposition of an Architecture to Extend Can pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Kuban, Paul A.

出品人:

页数:176

译者:

出版时间:

价格:$ 85.88

装帧:

isbn号码:9783836428156

丛书系列:

图书标签:

CAN
Zigbee
Gateway
Architecture
Networking
Embedded Systems
Communication Protocols
Industrial Automation
Wireless Sensor Networks
IoT

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具体描述

Controller Area Network is employed widely in modern automobiles, medical instrumentation, building automation, and manufacturing control systems. DeviceNet is one example of a commercial SCADA network that is based on the CAN specification. Commercially known as "ZigBee," the IEEE 802.15.4 wireless standard is designed to operate at low data rates with secure, low cost network configurations. Two key elements of the standard are low power operation and inherent security implementation. This work proposes an architecture to extend CAN to the wireless domain of IEEE 802.15.4, thereby providing a low cost, low power, efficient, and secure wireless network interface compatible with many existing SCADA infrastructure networks, in addition to the countless other installations incorporating a CAN backbone. An architectural model for such an extension mechanism is proposed which includes additions to the CAN protocol stack. New protocols are recommended for the tunneling of messages and for enhancing reliability. This work is directed towards developers of products involving CAN and 802.15.4, as well as researchers in the field of wireless personal area networks.

电子控制与无线通信的深度融合：面向未来嵌入式系统的关键技术探讨本书聚焦于当前嵌入式系统设计中两大核心技术——经典有线通信协议与新兴低功耗无线网络的桥接与优化，旨在为工程师和研究人员提供一套前瞻性的技术视角和实用的解决方案框架。在现代工业、汽车电子以及智能家居领域，数据的可靠传输和高效处理是系统稳定运行的基石。本著作深入剖析了两种在不同应用场景中占据主导地位的通信范式：面向实时控制与高可靠性的现场总线技术，以及面向低功耗、广覆盖的物联网（IoT）短距离无线技术。第一部分：实时控制网络的核心与挑战本书的第一部分将全面解析当前工业和汽车领域中应用最广泛的串行通信协议——控制器局域网（Controller Area Network, CAN）。 1. CAN 协议的底层机制与设计哲学我们将从物理层和数据链路层出发，详细阐述 CAN 协议的帧结构、仲裁机制、错误检测与恢复策略。重点讨论 CAN 协议如何通过非破坏性仲裁（Nondestructive Arbitration）保证关键数据流的实时性与确定性，这对于依赖时间敏感通信的系统至关重要。比特时间与波特率的精确计算：深入探讨如何根据网络长度和节点数量，优化采样点位置和总线负载，以确保信号完整性。错误处理机制的深度剖析：分析位错误、填充错误、帧错误和位监视等机制的作用，以及它们如何共同构筑 CAN 网络的高鲁棒性。 2. CAN FD 带来的性能飞跃随着应用对数据吞吐量需求的增加，我们详细介绍了 CAN with Flexible Data-Rate (CAN FD) 协议的演进。数据段速率提升的原理：阐释 CAN FD 如何在保持向下兼容性的前提下，通过提高数据段的波特率，实现数倍于经典 CAN 的有效数据传输速率。负载效率的优化：对比分析经典 CAN 和 CAN FD 在不同负载下的性能指标，特别是针对大数据包处理的应用场景。 3. 软件架构与中间件层本部分不仅停留在协议层面，更探讨了如何在嵌入式操作系统（如 FreeRTOS 或嵌入式 Linux）上高效地实现和管理 CAN 通信栈。我们讨论了事件驱动模型在 CAN 中断处理中的应用，以及如何设计可靠的报文过滤与调度算法，以最小化软件开销。第二部分：低功耗无线网络的兴起与特性第二部分将视角转向新兴的低功耗、自组织网络技术，尤其关注其在资源受限设备中的应用优势。 1. Zigbee 协议栈的全面解析本书将深入剖析 Zigbee 协议，该协议基于 IEEE 802.15.4 标准，是构建稳定、低功耗 Mesh 网络的首选方案之一。网络拓扑结构：详细描述协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End Device）的角色及其功能。重点分析 Mesh 网络中路由发现、路径选择和网络恢复的复杂过程。 MAC 层与物理层优化：探讨 2.4 GHz ISM 频段的特性，以及 Zigbee 如何利用时分多址（TDMA）和载波侦听多址接入（CSMA/CA）机制，在共享频谱中实现高效的并发通信。安全机制：剖析 Zigbee 的密钥管理、网络级安全和应用层安全机制，确保数据在开放无线环境中的机密性和完整性。 2. 资源受限设备的能效管理在无线传感网络中，电池寿命是决定系统寿命的关键因素。本章将探讨针对 Zigbee 终端设备的深度睡眠模式、唤醒机制以及数据传输的优化策略，以最大化设备的运行时间。这包括对周期性数据上报间隔的动态调整技术。第三部分：异构网络间的通信桥梁：互操作性的构建本书的核心价值在于探讨如何实现上述两个本质上不同（有线实时控制 vs. 无线低功耗自组织）的网络之间的无缝通信，即实现网络互操作性（Interoperability）。 1. 协议转换的必要性与挑战构建这种桥接机制面临的主要挑战在于：数据模型的不匹配： CAN 依赖于固定的、基于标识符（ID）的消息；而 Zigbee 倾向于基于地址和语义的应用层数据包。时序和可靠性的差异：实时性要求极高的 CAN 数据如何映射到具有不确定延迟的无线链路，需要精妙的缓冲和时序同步机制。资源消耗的权衡：转换设备自身必须具备足够的处理能力来执行协议解析、数据封装和路由转发，同时不能引入过多的延迟和功耗。 2. 架构设计理念：透明与语义层转换本部分提出并论证了一套先进的架构设计原则，用于构建可靠的网络接入单元（Gateway）。数据映射层设计：详细描述如何设计一个高效的中间件层，该层负责接收 CAN 报文，解析其负载，并将其转化为适合 Zigbee 传输的结构化数据包（例如，通过自定义的 Zigbee Cluster Library 或应用配置文件）。反之亦然。流控制与拥塞管理：针对 CAN 突发性高的数据流，探讨在 Gateway 侧设计智能队列和限速机制，防止无线侧因接收过多数据而导致网络性能下降或数据丢失。状态同步机制：在双向通信中，如何确保远端 Zigbee 节点的状态能够准确、及时地反馈给 CAN 网络的控制单元，例如传感器读数的周期性刷新与异常事件的即时上报。 3. 实例分析与性能评估通过具体的嵌入式平台案例，本书将展示如何实现上述架构。内容将包括：硬件平台选型考量：微控制器（MCU）的内存、外设支持（CAN 控制器和 2.4GHz 无线电模块）的选择标准。软件实现细节：讨论使用 C/C++ 语言进行资源受限环境下的高效编程实践。端到端延迟测试：对比不同数据量和网络拓扑下的端到端延迟、吞吐量和丢包率，为实际部署提供量化参考依据。本书面向的对象包括：工业自动化工程师、汽车电子开发者、物联网解决方案架构师以及通信与嵌入式系统的高级学生和研究人员。通过阅读本书，读者将能够掌握将传统现场总线系统扩展至低功耗无线网络的关键技术，从而设计出更具灵活性、覆盖范围更广的新一代嵌入式控制与监测系统。