適用于汽車性能檢測系統(tǒng)的CAN總線應用層協(xié)議設計與實現(xiàn)

1、適用于汽車性能檢測系統(tǒng)的CAN總線應用層協(xié)議設計與實現(xiàn) （重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 重慶，401122）摘要：借鑒其它CAN總線應用層協(xié)議的優(yōu)點，設計適用于汽車性能檢測系統(tǒng)應用的CAN總線應用層協(xié)議xCAN。主要從報文定義、數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡管理三個方面進行討論，并給出了一個應用實例，結(jié)果表明xCAN協(xié)議應用于汽車性能檢測系統(tǒng)是可行的。關鍵詞：CAN總線，應用層協(xié)議，汽車性能檢測系統(tǒng)Research and Realization of CAN Bus Application Layer Protocol for Vehicle Performances Testing Sys

2、temXie Dongpo，Zhou Liang，Yan Yongfu（Chongqing Vehicle Test & Research InstituteNational Auto Quality Test Center, National Motorcycle Quality Test Center ，ChongQing,401122）Abstract: referencing other CAN application layer protocols advantages, A new CAN bus application layer protocol named xCAN for

3、vehicle performances testing system was designed. The protocol was discussed in three parts: the assignment of message, the data communication and the network management. Then a typical application was introduced, and the results prove xCAN is applicable for vehicle performances testing system.Keywo

4、rds: CAN bus, Application layer protocol, vehicle performances testing system1 引言CAN總線已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)最重要的現(xiàn)場總線之一，甚至領導著串行總線的發(fā)展。雖然CAN具有諸多優(yōu)點，但CAN本身并非一個完整的協(xié)議，只包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個底層協(xié)議，要進行高效率的通信還需要進一步開發(fā)應用層協(xié)議。目前，比較流行的CAN總線應用層協(xié)議有：主要有DeviceNet和CANopen兩種，但由于這兩種協(xié)議是基于通用性的，其標準結(jié)構(gòu)復雜、開發(fā)難度較大且價格不菲，對于一些并不復雜的基于CAN總線的測控網(wǎng)絡不太適合1-3。本文針

5、對一個基于CAN總線的汽車綜合性能測試系統(tǒng)，參考DeviceNet、CANopen和iCAN協(xié)議，提出一種適用于汽車檢測系統(tǒng)開發(fā)的應用層通信協(xié)議xCAN。2 汽車性能檢測系統(tǒng)用CAN總線應用層協(xié)議的設計基于CAN總線的汽車綜合性能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。主控模塊汽車性能參數(shù)獲取模塊1汽車性能參數(shù)獲取模塊2CAN網(wǎng)絡匹配電阻匹配電阻Internet人機交互汽車性能參數(shù)獲取模塊N圖2.1：汽車綜合性能測試系統(tǒng)系統(tǒng)中有一個主控模塊和多個汽車性能參數(shù)獲取模塊，各個模塊間以CAN總線連接，為一主多子節(jié)點結(jié)構(gòu)。其基本工作原理是：各個子節(jié)點完成多種汽車參數(shù)的獲取，并將參數(shù)通過CAN總線發(fā)送給主控節(jié)

6、點，主控節(jié)點對來自各個子節(jié)點的數(shù)據(jù)進行相關處理后，通過以太網(wǎng)實時發(fā)送給上位機，以實現(xiàn)對汽車參數(shù)的實時監(jiān)測，這就要求CAN總線通信系統(tǒng)具有較高的可靠性。為了設計一套簡潔可靠的應用層協(xié)議，主要考慮一下幾個方面：（1）CAN報文的定義：規(guī)定CAN報文中標識符以及數(shù)據(jù)部分使用的規(guī)則具體意義；（2）數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)：規(guī)定了網(wǎng)絡中報文數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則；（3）網(wǎng)絡管理：對于網(wǎng)絡中設備的控制以及運行狀態(tài)的監(jiān)控。下面將就以上幾個方面進行詳細討論。2.1 xCAN報文的定義對CAN報文格式進行合適的定義，可以使CAN報文組成元素具有其特定的功能和意義， CAN報文格式定義包括報文標識符和報文數(shù)據(jù)部分的分配兩方面。需要

7、說明的是：在xCAN中只使用了擴展幀的CAN報文格式，對標準幀格式的報文并無定義和使用。因錯位幀和超載幀有硬件自動發(fā)送，設計中直接面臨的是數(shù)據(jù)幀和遠程幀，而汽車性能檢測系統(tǒng)中遠程幀使用較少，因此僅介紹與設計密切相關的數(shù)據(jù)幀表示符的定義。CAN擴展幀共有29位標識符，包含功能ID、目標節(jié)點ID、源節(jié)點ID、幀總數(shù)ID和幀編號ID，其具體定義如表2.1所示。表2.1（a）：11位標準標識符定義ID10ID9ID8ID7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0功能ID目標節(jié)點ID源節(jié)點ID11位標準標識符 表2.1（b）：18位擴展標識符定義ID28ID25ID24ID21ID20ID17ID16

8、-ID11參數(shù)類型ID幀總數(shù)ID幀編號ID保留（默認000000）18位擴展標識符（1）功能ID功能ID用以表征報文所實現(xiàn)的功能或源節(jié)點狀態(tài)，在這里分配3位作為功能碼，其定義如表2.2所示。表2.2：功能ID定義功能或狀態(tài)描述功能ID(ID10ID8)正常數(shù)據(jù)幀通信000復位目標節(jié)點001源節(jié)點報錯010保留011時間基準幀100請求建立連接101保留110響應建立連接111（2）節(jié)點ID考慮到系統(tǒng)設計最大15個CAN節(jié)點，則對源節(jié)點和目標節(jié)點分別分配4位以表征其ID。其中主控節(jié)點ID為0000，ID1111保留，用作廣播時的目標ID,意即當目標ID位1111，CAN網(wǎng)絡中除發(fā)送節(jié)點以外的所有

9、節(jié)點無條件接收該幀。（3）幀總數(shù)ID幀總數(shù)ID用來表示節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸時包含的總幀數(shù)。（4）幀編號ID幀編號用來表示幀的順序和位置，當源節(jié)點報文分幀傳輸時，目標節(jié)點只有將報文的所有幀接收完成后方視為接收成功。這里給幀編號ID分配4位，即最多發(fā)送16*8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。（5）幀數(shù)據(jù) 幀數(shù)據(jù)部分即為每個節(jié)點對應的汽車參數(shù)，每個節(jié)點對應的汽車參數(shù)及其在幀數(shù)據(jù)中的字節(jié)位置定義則根據(jù)具體的汽車參數(shù)和應用確定，在這里不再詳述。2.2 xCAN數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)在xCAN設計中采用靈活的通信方式，支持主從通信模式和事件觸發(fā)通信模式。主從通信模式是指系統(tǒng)中“主節(jié)點”對于“從節(jié)點”的訪問，事件觸發(fā)通信模式用于設備主動

10、向網(wǎng)絡中傳送報文數(shù)據(jù)。另外，為提高通信效率，充分利用 CAN 的多主和無損仲裁機制，在xCAN協(xié)議中采用定時循環(huán)發(fā)送模式，在基于xCAN協(xié)議的網(wǎng)絡中，通過設置子節(jié)點的循環(huán)發(fā)送參數(shù)，使子節(jié)點可以定時循環(huán)向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。 但整個通信是由主站發(fā)起（發(fā)出廣播幀），并得到從站的響應后進行的，這就保證了通信是基于連接的，因而提高了通信的可靠性。在前面對于xCAN報文格式的介紹可知，在任何一個xCAN的報文標識符中，指定了源節(jié)點地址（發(fā)送報文的節(jié)點編號）以及目的節(jié)點地址（接收報文的節(jié)點編號），即對于任何一個報文參與通信的雙方是確定的，因此xCAN協(xié)議中報文是面向節(jié)點的。2.3 xCAN的網(wǎng)絡管理對于xCA

11、N網(wǎng)絡管理，其主要任務是檢測和顯示網(wǎng)絡中的錯誤，保證通信正常。為保證通信的正常，網(wǎng)絡中的每一個通信都需要進行監(jiān)控，并在通信出現(xiàn)異常時，采用適當?shù)姆绞交謴屯ㄐ?。例如對于每個通信均可通過監(jiān)控其信息到達節(jié)點的時間，通過判斷是否“超時”決定通信是否異常，并采取相應的措施。xCAN網(wǎng)絡管理可以包括以下兩部分：（1）節(jié)點控制：這些服務用于控制想要參與分布式應用的節(jié)點的初始化。這樣就可對單個或所有節(jié)點的通信狀態(tài)進行同步控制。對于xCAN網(wǎng)絡中的節(jié)點控制是通過定義xCAN設備的網(wǎng)絡訪問狀態(tài)機制實現(xiàn)的。（2）通信控制：這些服務使能對節(jié)點通信狀態(tài)進行連續(xù)的監(jiān)控。在 xCAN協(xié)議中，要求對于每個通信均進行監(jiān)控，保證

12、在通信異常時，通過適當?shù)姆绞侥軌蚧謴屯ㄐ拧? xCAN協(xié)議實驗測試xCAN協(xié)議目前已經(jīng)成功應用在我院開發(fā)的GCM06plus機動車綜合性能測試儀上，網(wǎng)絡中一共9個節(jié)點，包括2個模擬量節(jié)點、1個數(shù)字量節(jié)點、1個GPS節(jié)點、1個能耗儀參數(shù)讀取節(jié)點、3個客車CAN報文讀取節(jié)點和1個主控節(jié)點。在進行汽車制動新能測試時，GPS節(jié)點將車輛速度信號實時發(fā)送給主控節(jié)點，主控節(jié)點通過以太網(wǎng)發(fā)送給上位機，上位機測試軟件測試結(jié)果如圖3.1所示。在進行客車CAN報文讀取測試中，3個節(jié)點分別讀取客車CAN總線上的相關參數(shù)，可以獲取包括車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機機油壓力等在內(nèi)的多種參數(shù)，在剛發(fā)動客車時獲得的部分參數(shù)如圖3.2所示。（a）汽車制動測試速度曲線 （b）主要結(jié)果顯示圖3.1 汽車制動測試結(jié)果圖3.2 客車CAN總線報文讀取結(jié)果4 結(jié)論xCAN作為一種為汽車綜合性能檢測系統(tǒng)設計的CAN總線應用層協(xié)議，具有簡潔、高效、實用的特點，對制定小型的測控系統(tǒng)CAN總線應用層協(xié)議具有一定的指導意義。目前，xCAN已經(jīng)成功應用在我院開發(fā)的GCM06plus機動車綜合性能測試儀上，效果良好。參考文獻1張侃諭,方正.適用溫室控制系統(tǒng)的CAN總線應用層協(xié)議開發(fā).工業(yè)儀表與自動化裝置,2007,1:18-20.2現(xiàn)場總線iCAN協(xié)議規(guī)范V1.0.廣州致遠電子有限公司,