適用于汽車性能檢測系統的CAN總線應用層協議設計與實現

1、適用于汽車性能檢測系統的CAN總線應用層協議設計與實現 （重慶車輛檢測研究院 國家客車質量監(jiān)督檢驗中心 重慶，401122）摘要：借鑒其它CAN總線應用層協議的優(yōu)點，設計適用于汽車性能檢測系統應用的CAN總線應用層協議xCAN。主要從報文定義、數據通信和網絡管理三個方面進行討論，并給出了一個應用實例，結果表明xCAN協議應用于汽車性能檢測系統是可行的。關鍵詞：CAN總線，應用層協議，汽車性能檢測系統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總線已經成為全球范圍內最重要的現場總線之一，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議，只包括物理層和數據鏈路層兩個底層協議，要進行高效率的通信還需要進一步開發(fā)應用層協議。目前，比較流行的CAN總線應用層協議有：主要有DeviceNet和CANopen兩種，但由于這兩種協議是基于通用性的，其標準結構復雜、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，參考DeviceNet、CANopen和iCAN協議，提出一種適用于汽車檢測系統開發(fā)的應用層通信協議xCAN。2 汽車性能檢測系統用CAN總線應用層協議的設計基于CAN總線的汽車綜合性能測試系統的結構框圖如圖2.1所示。主控模塊汽車性能參數獲取模塊1汽車性能參數獲取模塊2CAN網絡匹配電阻匹配電阻Internet人機交互汽車性能參數獲取模塊N圖2.1：汽車綜合性能測試系統系統中有一個主控模塊和多個汽車性能參數獲取模塊，各個模塊間以CAN總線連接，為一主多子節(jié)點結構。其基本工作原理是：各個子節(jié)點完成多種汽車參數的獲取，并將參數通過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)點的數據進行相關處理后，通過以太網實時發(fā)送給上位機，以實現對汽車參數的實時監(jiān)測，這就要求CAN總線通信系統具有較高的可靠性。為了設計一套簡潔可靠的應用層協議，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據部分使用的規(guī)則具體意義；（2）數據通信的實現：規(guī)定了網絡中報文數據傳輸的規(guī)則；（3）網絡管理：對于網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據部分的分配兩方面。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據幀和遠程幀，而汽車性能檢測系統中遠程幀使用較少，因此僅介紹與設計密切相關的數據幀表示符的定義。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、-ID11參數類型ID幀總數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)正常數據幀通信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ID幀總數ID用來表示節(jié)點進行數據傳輸時包含的總幀數。（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)的數據。（5）幀數據 幀數據部分即為每個節(jié)點對應的汽車參數，每個節(jié)點對應的汽車參數及其在幀數據中的字節(jié)位置定義則根據具體的汽車參數和應用確定，在這里不再詳述。2.2 xCAN數據通信的實現在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、向網絡中傳送報文數據。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協議中采用定時循環(huán)發(fā)送模式，在基于xCAN協議的網絡中，通過設置子節(jié)點的循環(huán)發(fā)送參數，使子節(jié)點可以定時循環(huán)向主節(jié)點發(fā)送數據。 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協議中報文是面向節(jié)點的。2.3 xCAN的網絡管理對于xCA

11、N網絡管理，其主要任務是檢測和顯示網絡中的錯誤，保證通信正常。為保證通信的正常，網絡中的每一個通信都需要進行監(jiān)控，并在通信出現異常時，采用適當的方式恢復通信。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網絡中的節(jié)點控制是通過定義xCAN設備的網絡訪問狀態(tài)機制實現的。（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，通過適當的方式能夠恢復通信。3 xCAN協議實驗測試xCAN協議目前已經成功應用在我院開發(fā)的GCM06plus機動車綜合性能測試儀上，網絡中一共9個節(jié)點，包括2個模擬量節(jié)點、1個數字量節(jié)點、1個GPS節(jié)點、1個能耗儀參數讀取節(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)點通過以太網發(fā)送給上位機，上位機測試軟件測試結果如圖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，可以獲取包括車速、發(fā)動機轉速、發(fā)動機機油壓力等在內的多種參數，在剛發(fā)動客車時獲得的部分參數如圖3.2所示。（a）汽車制動測試速度曲線 （b）主要結果顯示圖3.1 汽車制動測試結果圖3.2 客車CAN總線報文讀取結果4 結論xCAN作為一種為汽車綜合性能檢測系統設計的CAN總線應用層協議，具有簡潔、高效、實用的特點，對制定小型的測控系統CAN總線應用層協議具有一定的指導意義。目前，xCAN已經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.適用溫室控制系統的CAN總線應用層協議開發(fā).工業(yè)儀表與自動化裝置,2007,1:18-20.2現場總線iCAN協議規(guī)范V1.0.廣州致遠電子有限公司,