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文檔簡介
1、適用于汽車性能檢測系統(tǒng)的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議設(shè)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(yīng)用層協(xié)議的優(yōu)點,設(shè)計適用于汽車性能檢測系統(tǒng)應(yīng)用的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議xCAN。主要從報文定義、數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)管理三個方面進(jìn)行討論,并給出了一個應(yīng)用實例,結(jié)果表明xCAN協(xié)議應(yīng)用于汽車性能檢測系統(tǒng)是可行的。關(guān)鍵詞:CAN總線,應(yīng)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(lǐng)導(dǎo)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(jìn)行高效率的通信還需要進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議。目前,比較流行的CAN總線應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開發(fā)難度較大且價格不菲,對于一些并不復(fù)雜的基于CAN總線的測控網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層通信協(xié)議xCAN。2 汽車性能檢測系統(tǒng)用CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)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(luò)匹配電阻匹配電阻Internet人機(jī)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(jìn)行相關(guān)處理后,通過以太網(wǎng)實時發(fā)送給上位機(jī),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(shè)計一套簡潔可靠的應(yīng)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(biāo)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(luò)中報文數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則;(3)網(wǎng)絡(luò)管理:對于網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的控制以及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。下面將就以上幾個方面進(jìn)行詳細(xì)討論。2.1 xCAN報文的定義對CAN報文格式進(jìn)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(biāo)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(kuò)展幀的CAN報文格式,對標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計中直接面臨的是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀,而汽車性能檢測系統(tǒng)中遠(yuǎn)程幀使用較少,因此僅介紹與設(shè)計密切相關(guān)的數(shù)據(jù)幀表示符的定義。CAN擴(kuò)展幀共有29位標(biāo)識符,包含功能ID、目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符定義ID10ID9ID8ID7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0功能ID目標(biāo)節(jié)點ID源節(jié)點ID11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符 表2.1(b):18位擴(kuò)展標(biāo)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(rèn)000000)18位擴(kuò)展標(biāo)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(fù)位目標(biāo)節(jié)點001源節(jié)點報錯010保留011時間基準(zhǔn)幀100請求建立連接101保留110響應(yīng)建立連接111(2)節(jié)點ID考慮到系統(tǒng)設(shè)計最大15個CAN節(jié)點,則對源節(jié)點和目標(biāo)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(biāo)ID,意即當(dāng)目標(biāo)ID位1111,CAN網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(dāng)源節(jié)點報文分幀傳輸時,目標(biāo)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(yīng)的汽車參數(shù),每個節(jié)點對應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)備主動
10、向網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(luò)中,通過設(shè)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(yīng)后進(jìn)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(biāo)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(luò)管理對于xCA
11、N網(wǎng)絡(luò)管理,其主要任務(wù)是檢測和顯示網(wǎng)絡(luò)中的錯誤,保證通信正常。為保證通信的正常,網(wǎng)絡(luò)中的每一個通信都需要進(jìn)行監(jiān)控,并在通信出現(xiàn)異常時,采用適當(dāng)?shù)姆绞交謴?fù)通信。例如對于每個通信均可通過監(jiān)控其信息到達(dá)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(yīng)的措施。xCAN網(wǎng)絡(luò)管理可以包括以下兩部分:(1)節(jié)點控制:這些服務(wù)用于控制想要參與分布式應(yīng)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(jìn)行同步控制。對于xCAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點控制是通過定義xCAN設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)訪問狀態(tài)機(jī)制實現(xiàn)的。(2)通信控制:這些服務(wù)使能對節(jié)點通信狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控。在 xCAN協(xié)議中,要求對于每個通信均進(jìn)行監(jiān)控,保證
12、在通信異常時,通過適當(dāng)?shù)姆绞侥軌蚧謴?fù)通信。3 xCAN協(xié)議實驗測試xCAN協(xié)議目前已經(jīng)成功應(yīng)用在我院開發(fā)的GCM06plus機(jī)動車綜合性能測試儀上,網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(jī),上位機(jī)測試軟件測試結(jié)果如圖3.1所示。在進(jìn)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(guān)參數(shù),可以獲取包括車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)機(jī)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(shè)計的CAN總線應(yīng)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(yīng)用層協(xié)議具有一定的指導(dǎo)意義。目前,xCAN已經(jīng)成功應(yīng)用在我院開發(fā)的GCM06plus機(jī)動車綜合性能測試儀上,效果良好。參考文獻(xiàn)1張侃諭,方正.適用溫室控制系統(tǒng)的CAN總線應(yīng)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(yuǎn)電子有限公司,
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