基于CAN總線技術(shù)的通訊類(lèi)軟件設(shè)計(jì)方法

靳曉園 馬穎勁

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

CAN總線技術(shù)為1986年德國(guó)電氣商博世公司提出的面向汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量和執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由于CAN總線的高實(shí)時(shí)性能和高傳輸速率特點(diǎn)，CAN己在汽車(chē)業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制和安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。CAN總線技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)航天領(lǐng)域研究方面還處在試驗(yàn)及起步階段，在對(duì)可靠性和安全性要求極高的航天通訊類(lèi)系統(tǒng)這個(gè)集群中，CAN總線技術(shù)的完善應(yīng)用還具有較大上升空間。

本文提出一種基于CAN總線2.0B通訊協(xié)議的雙冗余分層次軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)通訊類(lèi)系統(tǒng)在CAN總線上的軟件可靠性、安全性設(shè)計(jì)及推廣擴(kuò)展應(yīng)用會(huì)有借鑒意義。

1 基于CAN總線的通訊類(lèi)系統(tǒng)概述

基于CAN總線的數(shù)據(jù)通訊軟件設(shè)計(jì)總體方案如圖1。

圖1 通訊類(lèi)系統(tǒng)CAN總線節(jié)點(diǎn)分布

如圖1所示，通訊類(lèi)系統(tǒng)具有多個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，其中主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)起到通訊類(lèi)系統(tǒng)總體流程控制的功能，負(fù)責(zé)向各個(gè)被動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)試指令或工作數(shù)據(jù)，并在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)接收回令，用于判斷當(dāng)前發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)的正確性。執(zhí)行正確后繼續(xù)其它測(cè)試指令及流程。在整個(gè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行過(guò)程中，主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)軟件全程記錄所有CAN總線節(jié)點(diǎn)上數(shù)據(jù)收發(fā)源碼內(nèi)容作為日志保存至主機(jī)硬盤(pán)內(nèi)。

2 具體實(shí)施方案及可靠性設(shè)計(jì)

2.1 多線程分層次結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)

基于CAN總線的通訊類(lèi)軟件采用實(shí)時(shí)性較高的VxWorks操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，軟件內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)分層次完成CAN總線數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，具體分層次結(jié)構(gòu)化方案如圖2。

通訊類(lèi)系統(tǒng)的CAN總線軟件設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分為底層驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議解析層及數(shù)據(jù)應(yīng)用層［1］。

底層驅(qū)動(dòng)層主要完成基本字節(jié)級(jí)別的數(shù)據(jù)收發(fā)，在發(fā)送及接收過(guò)程中均采用多線程任務(wù)所具備的消息隊(duì)列模式，以便各個(gè)應(yīng)用層線程能同時(shí)對(duì)CAN總線上的任意節(jié)點(diǎn)發(fā)送和采集需要的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。此外底層協(xié)議層還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄功能，能將各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的CAN總線數(shù)據(jù)源碼統(tǒng)一存放至日志消息隊(duì)列中，以供日志線程記錄CAN總線上的所有動(dòng)作。

圖2 通訊類(lèi)系統(tǒng)CAN多層軟件設(shè)計(jì)

協(xié)議解析層主要依據(jù)系統(tǒng)功能要求及工作過(guò)程，規(guī)定地面各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息交互時(shí)序，描述各總線節(jié)點(diǎn)間的信息驅(qū)動(dòng)關(guān)系，并解析出具體數(shù)據(jù)幀類(lèi)型及格式。系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)段接口采用CAN2.0B擴(kuò)展幀協(xié)議，報(bào)文傳輸使用數(shù)據(jù)幀類(lèi)型，單個(gè)數(shù)據(jù)幀由仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)組成。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層規(guī)定了由CAN總線數(shù)據(jù)場(chǎng)內(nèi)信息字節(jié)構(gòu)成的數(shù)據(jù)幀格式(不含通用錯(cuò)報(bào)文)，由于協(xié)議層可以用多幀數(shù)據(jù)組成一條指令，其大小不受傳統(tǒng)CAN總線協(xié)議中8字節(jié)的約束，由基本幀信息和幀內(nèi)數(shù)據(jù)信息構(gòu)成，基本幀包括幀序號(hào)、特征碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及校驗(yàn)和幾個(gè)部分，幀格式見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)基本幀格式

數(shù)據(jù)應(yīng)用層是直接與各個(gè)節(jié)點(diǎn)打交道的CAN總線層級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)軟件在各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用線程內(nèi)按照數(shù)據(jù)應(yīng)用層的協(xié)議規(guī)定進(jìn)行組幀及解析，組幀解析完畢后通過(guò)結(jié)構(gòu)體處理器將其傳遞給協(xié)議解析層，從而完成CAN總線的數(shù)據(jù)收發(fā)。

CAN總線多線程分層次結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)模式既保證了各個(gè)層級(jí)之間數(shù)據(jù)交互的低耦合性，使得該結(jié)構(gòu)移植在CAN總線之外的通訊線路上成為可能;又充分考慮到節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的靈活性及獨(dú)立性，增刪或修改其中一個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)并不影響其它節(jié)點(diǎn)的軟件功能。該設(shè)計(jì)架構(gòu)充分考慮高內(nèi)聚內(nèi)耦合的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，具有積極的應(yīng)用意義。

2.2 各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)及主被動(dòng)關(guān)系

CAN總線數(shù)據(jù)通訊沒(méi)有主從之分，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向任何其它(一個(gè)或多個(gè))節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通訊，靠各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息優(yōu)先級(jí)先后順序來(lái)決定通訊次序，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)信息CAN總線上通訊;如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通訊，優(yōu)先級(jí)低的避讓優(yōu)先級(jí)高的，不會(huì)對(duì)通訊線路造成擁塞。主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)軟件優(yōu)先級(jí)最高，其它節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)均較低。

系統(tǒng)在進(jìn)行CAN總線流程設(shè)計(jì)上充分考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，為防止不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突現(xiàn)象，在軟件數(shù)據(jù)發(fā)送及響應(yīng)設(shè)計(jì)上，采用主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送、被動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)被動(dòng)響應(yīng)的機(jī)制。在系統(tǒng)上電之初，主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)為主動(dòng)態(tài)，其它被動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)均為被動(dòng)響應(yīng)態(tài)，此時(shí)其它節(jié)點(diǎn)只能被動(dòng)響應(yīng)主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)軟件上的CAN總線指令，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，無(wú)其它數(shù)據(jù)交互，在指令完成后將指令完成情況以回令的形式發(fā)送給主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)軟件，此時(shí)主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)軟件也是執(zhí)行一套CAN總線指令后再執(zhí)行其它指令，以防止CAN總線指令相互沖突。

這種主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送其它節(jié)點(diǎn)被動(dòng)響應(yīng)的機(jī)制能夠有效防止各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)相互沖突，各個(gè)節(jié)點(diǎn)有條不紊的工作，提高系統(tǒng)安全性及可靠性。

2.3 雙冗余CAN總線及基本幀序號(hào)設(shè)計(jì)

基本幀“序號(hào)”表征CAN總線應(yīng)用層的一條有方向的數(shù)據(jù)鏈路所完成的基本幀傳輸計(jì)數(shù)。即由“A節(jié)點(diǎn)→B節(jié)點(diǎn)”傳輸?shù)幕編谕瓿?次傳輸后序號(hào)應(yīng)累加1。“B節(jié)點(diǎn)→A節(jié)點(diǎn)”與“A節(jié)點(diǎn)→B節(jié)點(diǎn)”為2條不同方向的數(shù)據(jù)鏈路，應(yīng)分別設(shè)置“序號(hào)”(即對(duì)1個(gè)總線節(jié)點(diǎn)與另外1個(gè)節(jié)點(diǎn)通訊分別設(shè)置接收序號(hào)寄存器和發(fā)送序號(hào)計(jì)數(shù)器)。

1個(gè)總線節(jié)點(diǎn)與多個(gè)總線節(jié)點(diǎn)通訊時(shí)設(shè)置多組接收序號(hào)寄存器和發(fā)送序號(hào)計(jì)數(shù)器?！靶蛱?hào)”用于甄別雙冗余CAN總線上的冗余基本幀。CAN節(jié)點(diǎn)判斷當(dāng)前基本幀序號(hào)是否和前一條已處理的基本幀序號(hào)相同，如果相同則忽略不響應(yīng)(即總線節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的序號(hào)與前一幀已處理的重復(fù)指令可不予以響應(yīng))。

節(jié)點(diǎn)上電初始化后，序號(hào)從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)滿255后從0開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。CAN總線節(jié)點(diǎn)向雙冗余CAN總線上的另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)每發(fā)送1個(gè)基本幀(注意:基本幀不同于CAN總線協(xié)議包的數(shù)據(jù)場(chǎng)，基本幀大小不受8字節(jié)約束)，則序號(hào)計(jì)數(shù)加1。

CAN總線節(jié)點(diǎn)向雙冗余A，B總線上發(fā)送同一個(gè)基本幀，應(yīng)視為該數(shù)據(jù)鏈路上的一次傳輸，A，B總線上該基本幀的序號(hào)相同?？偩€節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送的命令或回令均會(huì)導(dǎo)致發(fā)送序號(hào)計(jì)數(shù)器加1;由于重發(fā)機(jī)制重新發(fā)送的基本幀，所以序號(hào)計(jì)數(shù)加1。

雙冗余CAN總線得設(shè)計(jì)保證通訊類(lèi)系統(tǒng)CAN總線傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，即?條CAN總線鏈路上存在問(wèn)題，另外1條CAN總線也能獨(dú)立完成通訊任務(wù);基本幀序號(hào)能夠甄別出2條總線上通訊的冗余信息，從而保證CAN總線通訊信息不會(huì)重復(fù)。二者設(shè)計(jì)相輔相成，缺一不可。

2.4 超時(shí)判別機(jī)制

通訊類(lèi)系統(tǒng)的CAN總線超時(shí)機(jī)制主要是在數(shù)據(jù)應(yīng)用層中體現(xiàn)，即協(xié)議規(guī)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)軟件的CAN總線指令的最長(zhǎng)時(shí)間，超過(guò)該時(shí)間，主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)軟件就會(huì)重試2次該指令，并等待被動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)的回令，如果規(guī)定時(shí)間內(nèi)還未收到被動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)指令，則主動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)軟件或?qū)惓Ｓ涗涍M(jìn)系統(tǒng)異常日志，或?qū)⑵滹@示在界面上等待操作手裁決［2］。

該超時(shí)機(jī)制在軟件通訊過(guò)程中有效的防止了被響應(yīng)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期不響應(yīng)導(dǎo)致的系統(tǒng)停滯現(xiàn)象，配合多線程分層次軟件設(shè)計(jì)起到積極保證軟件流程順利進(jìn)行的作用。

2.5 總線源碼日志分析技術(shù)

CAN總線底層協(xié)議層具有數(shù)據(jù)記錄功能，能將各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送及接收CAN總線數(shù)據(jù)源碼統(tǒng)一存放至日志消息隊(duì)列中，以供日志線程記錄CAN總線上的所有動(dòng)作，圖3為某次試驗(yàn)CAN總線上的日志截取圖。

從圖3上的日志源碼能準(zhǔn)確的分析到CAN總線某個(gè)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間、節(jié)點(diǎn)發(fā)送方(仲裁場(chǎng))、節(jié)點(diǎn)接收方(仲裁場(chǎng))、數(shù)據(jù)為該次通訊的第幾幀數(shù)據(jù)(仲裁場(chǎng))、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(控制場(chǎng))和數(shù)據(jù)特征碼(數(shù)據(jù)場(chǎng))等諸多信息。有助于事后故障模式的分析與判別，對(duì)系統(tǒng)的故障排除、性能分析和統(tǒng)計(jì)功能完成情況等方面提供大量的理論依據(jù)［3］。

圖3 某次試驗(yàn)CAN總線上日志截取圖

3 結(jié)束語(yǔ)

基于CAN總線通訊的通訊類(lèi)軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通訊功能為試驗(yàn)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互、現(xiàn)場(chǎng)CAN總線故障定位及判斷提供了不可替代的作用［4］。該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，細(xì)化了各個(gè)層級(jí)CAN總線通訊功能，增加了軟件的后續(xù)修改性和可移植性，為后續(xù)其它同類(lèi)型的軟件應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。該系統(tǒng)架構(gòu)采用多線程分層次結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)、雙冗余CAN總線及基本幀序號(hào)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)軟件的可靠性及安全性?？偩€源碼日志分析技術(shù)為事后軟件分析及故障定位提供了數(shù)據(jù)支撐。

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