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(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jì)與實(shí)現(xiàn) （重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(bào)文定義、數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)管理三個(gè)方面進(jìn)行討論，并給出了一個(gè)應(yīng)用實(shí)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(diǎn)，但CAN本身并非一個(gè)完整的協(xié)議，只包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個(gè)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(jià)格不菲，對(duì)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(duì)一個(gè)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(jì)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(gè)主控模塊和多個(gè)汽車性能參數(shù)獲取模塊，各個(gè)模塊間以CAN總線連接，為一主多子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。其基本工作原理是：各個(gè)子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)對(duì)來自各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后，通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車參數(shù)的實(shí)時(shí)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(jì)一套簡潔可靠的應(yīng)用層協(xié)議，主要考慮一下幾個(gè)方面：（1）CAN報(bào)文的定義：規(guī)定CAN報(bào)文中標(biāo)識(shí)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(shí)現(xiàn)：規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則；（3）網(wǎng)絡(luò)管理：對(duì)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(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)討論。2.1 xCAN報(bào)文的定義對(duì)CAN報(bào)文格式進(jìn)行合適的定義，可以使CAN報(bào)文組成元素具有其特定的功能和意義， CAN報(bào)文格式定義包括報(bào)文標(biāo)識(shí)符和報(bào)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(bào)文格式，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幀格式的報(bào)文并無定義和使用。因錯(cuò)位幀和超載幀有硬件自動(dòng)發(fā)送，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)符，包含功能ID、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID、源節(jié)點(diǎn)ID、幀總數(shù)ID和幀編號(hào)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(shí)符定義ID10ID9ID8ID7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0功能ID目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID源節(jié)點(diǎn)ID11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符 表2.1（b）：18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符定義ID28ID25ID24ID21ID20ID17ID16

8、-ID11參數(shù)類型ID幀總數(shù)ID幀編號(hào)ID保留（默認(rèn)000000）18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符（1）功能ID功能ID用以表征報(bào)文所實(shí)現(xiàn)的功能或源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)001源節(jié)點(diǎn)報(bào)錯(cuò)010保留011時(shí)間基準(zhǔn)幀100請(qǐng)求建立連接101保留110響應(yīng)建立連接111（2）節(jié)點(diǎn)ID考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大15個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，則對(duì)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別分配4位以表征其ID。其中主控節(jié)點(diǎn)ID為0000，ID1111保留，用作廣播時(shí)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(diǎn)以外的所有

9、節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)包含的總幀數(shù)。（4）幀編號(hào)ID幀編號(hào)用來表示幀的順序和位置，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)報(bào)文分幀傳輸時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)只有將報(bào)文的所有幀接收完成后方視為接收成功。這里給幀編號(hào)ID分配4位，即最多發(fā)送16*8個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的汽車參數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)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(shí)現(xiàn)在xCAN設(shè)計(jì)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(diǎn)”對(duì)于“從節(jié)點(diǎn)”的訪問，事件觸發(fā)通信模式用于設(shè)備主動(dòng)

10、向網(wǎng)絡(luò)中傳送報(bào)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(shí)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(diǎn)的循環(huán)發(fā)送參數(shù)，使子節(jié)點(diǎn)可以定時(shí)循環(huán)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。 但整個(gè)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(duì)于xCAN報(bào)文格式的介紹可知，在任何一個(gè)xCAN的報(bào)文標(biāo)識(shí)符中，指定了源節(jié)點(diǎn)地址（發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)編號(hào)）以及目的節(jié)點(diǎn)地址（接收?qǐng)?bào)文的節(jié)點(diǎn)編號(hào)），即對(duì)于任何一個(gè)報(bào)文參與通信的雙方是確定的，因此xCAN協(xié)議中報(bào)文是面向節(jié)點(diǎn)的。2.3 xCAN的網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)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(cuò)誤，保證通信正常。為保證通信的正常，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)通信都需要進(jìn)行監(jiān)控，并在通信出現(xiàn)異常時(shí)，采用適當(dāng)?shù)姆绞交謴?fù)通信。例如對(duì)于每個(gè)通信均可通過監(jiān)控其信息到達(dá)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，通過判斷是否“超時(shí)”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(diǎn)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(diǎn)的初始化。這樣就可對(duì)單個(gè)或所有節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)進(jìn)行同步控制。對(duì)于xCAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的。（2）通信控制：這些服務(wù)使能對(duì)節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控。在 xCAN協(xié)議中，要求對(duì)于每個(gè)通信均進(jìn)行監(jiān)控，保證

12、在通信異常時(shí)，通過適當(dāng)?shù)姆绞侥軌蚧謴?fù)通信。3 xCAN協(xié)議實(shí)驗(yàn)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(dòng)車綜合性能測試儀上，網(wǎng)絡(luò)中一共9個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括2個(gè)模擬量節(jié)點(diǎn)、1個(gè)數(shù)字量節(jié)點(diǎn)、1個(gè)GPS節(jié)點(diǎn)、1個(gè)能耗儀參數(shù)讀取節(jié)點(diǎn)、3個(gè)客車CAN報(bào)文讀取節(jié)點(diǎn)和1個(gè)主控節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行汽車制動(dòng)新能測試時(shí)，GPS節(jié)點(diǎn)將車輛速度信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)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(bào)文讀取測試中，3個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力等在內(nèi)的多種參數(shù)，在剛發(fā)動(dòng)客車時(shí)獲得的部分參數(shù)如圖3.2所示。（a）汽車制動(dòng)測試速度曲線 （b）主要結(jié)果顯示圖3.1 汽車制動(dòng)測試結(jié)果圖3.2 客車CAN總線報(bào)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(jì)的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議，具有簡潔、高效、實(shí)用的特點(diǎn)，對(duì)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(dòng)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(dòng)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,