基于CAN總線的工程機(jī)械監(jiān)控器的節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議探析

張騰

徐州徐工鐵路裝備有限公司 江蘇 徐州 221000

引言

CAN總線就是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是由德國一家汽車電子產(chǎn)品企業(yè)開發(fā)的，后形成了國際標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前CAN總線在國際上的應(yīng)用十分廣泛，也是汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最為常用的總線之一。與普通的通信總線相比，CAN總線有著實(shí)時(shí)性強(qiáng)、開發(fā)周期短的優(yōu)勢(shì)，正因如此CAN總線被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

1 CAN總線基本方法和問題

1.1 CAN總線仲裁的優(yōu)先權(quán)法

隨著信息時(shí)代的到來，人們生產(chǎn)生活節(jié)奏不斷加快，對(duì)于信息傳輸?shù)乃俣扔辛烁叩囊?，因此，想要?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，就需要不斷提高數(shù)據(jù)物理傳輸路徑的速度。此外，對(duì)于多主網(wǎng)絡(luò)而言，總線的仲裁水平也是判斷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。而在這兩方面CAN總線有著極大的優(yōu)勢(shì)。總線仲裁指的是，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程中，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)主線的情況下，需要對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效控制。常見的總線仲裁方法就是優(yōu)先權(quán)法。節(jié)點(diǎn)優(yōu)先權(quán)就是事先對(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)確定唯一優(yōu)先級(jí)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，如果出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)搶占總線的情況，就會(huì)按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理，級(jí)別高的優(yōu)先使用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。相比于普通總線而言，CAN總線傳輸速率相對(duì)較快的原因是利用總線的僅是一些請(qǐng)求總線而尚未做出決定的站，此類請(qǐng)求會(huì)根據(jù)其在系統(tǒng)中的重要性逐個(gè)處理，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)較多的情況時(shí)，這種仲裁方式有著較大的優(yōu)勢(shì)。

1.2 存在的問題

在進(jìn)行總線仲裁的過程中，如果僅僅依靠信息的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行總線占有權(quán)限分配的話，就會(huì)導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)信息量相對(duì)較多，或者高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)念l率相對(duì)較高，導(dǎo)致總線經(jīng)常會(huì)被此類節(jié)點(diǎn)占用，其他低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)難以獲得信息傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)，若此類信息長時(shí)間被壓制，就可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)一定問題[1]。

2 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程

對(duì)于上述常見問題，在實(shí)際應(yīng)用CAN總線的過程中，可以通過將節(jié)點(diǎn)優(yōu)先和信息優(yōu)先權(quán)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使得CAN總線仲裁的過程中，不僅要考慮節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)還需要考慮數(shù)據(jù)的類型，以此確?？偩€能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行信息的處理和傳輸。

2.1 節(jié)點(diǎn)通信的消息類型

針對(duì)現(xiàn)代工程機(jī)械實(shí)際情況進(jìn)行分析，可知CAN總線網(wǎng)絡(luò)中共包括三種類型的節(jié)點(diǎn)，即上位機(jī)節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際進(jìn)行消息類型確認(rèn)之前，需要對(duì)通信過程中的消息類型進(jìn)行明確。結(jié)合CAN總線的節(jié)點(diǎn)類型，可知消息類型包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制命令、報(bào)告數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)要求指令。其中從傳感器節(jié)點(diǎn)向上位機(jī)節(jié)點(diǎn)以及執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息均屬于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)類型；從上位機(jī)節(jié)點(diǎn)向執(zhí)行器或者傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息屬于控制命令類型；而從執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)向上位機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息則屬于報(bào)告數(shù)據(jù)；由上位機(jī)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絺鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的信息類型屬于數(shù)據(jù)要求指令。不同節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)有著不同的功能和作用，因此對(duì)于工程機(jī)械監(jiān)控器的運(yùn)行的意義也不盡相同。

2.2 CAN總線控制器的接收濾波

以微芯公司的PICI8F485處理器為例，其中包括USB接口、串行接口、CAN接口以及調(diào)試接口。在該處理器中，RXF和RXM是CAN總線控制器當(dāng)中負(fù)責(zé)接收濾波的寄存器，其中前者負(fù)責(zé)驗(yàn)收碼部分，后者負(fù)責(zé)驗(yàn)收屏蔽部分。在系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作的過程中，只有接收到的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)和兩個(gè)寄存器之間滿足一定條件關(guān)系的情況下，才可以進(jìn)行濾波并接受信息。簡(jiǎn)而言之，就是在接收濾波的過程中，當(dāng)接收到的標(biāo)識(shí)符與驗(yàn)收碼寄存器狀態(tài)相一致的情況下，才能夠被接受，否則就會(huì)被拒接。

2.3 節(jié)點(diǎn)優(yōu)先與消息優(yōu)先結(jié)合的通信協(xié)議

當(dāng)CAN總線在工程機(jī)械監(jiān)控器當(dāng)中進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，為了保障總線在信息負(fù)荷過大的情況下可以有序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)能夠符合濾波器運(yùn)行要求，并且避免優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)長時(shí)間占用總線，而阻礙了低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的傳輸，經(jīng)分析后，決定將消息類型優(yōu)先權(quán)和節(jié)點(diǎn)優(yōu)先權(quán)策略進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以此提高CAN總線的信息傳輸?shù)膶?shí)效性以及可靠性。并以此為思路對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行劃分，其中包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)以及擴(kuò)充位，并明確節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)內(nèi)容。其中發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)包括三種標(biāo)識(shí)類型，即由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，由上位機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息以及由執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息。數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、上位機(jī)到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的控制指令、上位機(jī)到傳感器節(jié)點(diǎn)的控制指令以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)要求。并且在設(shè)計(jì)的過程中通過不同的標(biāo)識(shí)符類型對(duì)上述節(jié)點(diǎn)通信消息類型進(jìn)行分別標(biāo)注。例如，從上位機(jī)傳輸?shù)絺鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)要求指令表示為0001 11 XXXXX；從執(zhí)行器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)節(jié)點(diǎn)的報(bào)告數(shù)據(jù)用0011 00 XXXXX表示。并通過對(duì)通訊節(jié)點(diǎn)與消息類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，明確得到CAN控制器中屏蔽寄存器和驗(yàn)收碼寄存器中各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的定義。通過上述討論，能夠?qū)AN總線節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議的優(yōu)先級(jí)和寄存器中各節(jié)點(diǎn)的定義進(jìn)行明確，這是CAN總線在工程機(jī)械監(jiān)控器節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議當(dāng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)高效、可靠的運(yùn)行有著十分重要的意義[2]。

3 結(jié)束語

綜上所述，由于CAN總線有著多種節(jié)點(diǎn)類型，因此在進(jìn)行通信的過程中也有著不同的消息類型，而且由于CAN總線協(xié)議摒棄了傳統(tǒng)站地址編碼形式，而是通過通信數(shù)據(jù)塊形式進(jìn)行的編碼，因此對(duì)于節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)沒有過多限制，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信自由。相信在未來工程機(jī)械的發(fā)展過程中，CAN總線將會(huì)發(fā)揮更大的作用。