基于CAN总线的通信协议设计

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1、基于CAN总线的通信协议设计摘要：结合工业测控通信系统的需求，设计了CAN的高层协议CHP协议。通过初始化帧实现了地址的动态分配与帧格式的约定，采用节点分类和定期查询的方法实现了节点状态的监控。针对大块报文重传效率较低的问题，提出了集中应答和选择性重传错误帧的解决办法；针对大块报文可能导致较大延时的问题，设计了实时报文的抢占机制。关键词：CAN；通信协议；地址分配；状态监控；大块报文1、引言 CAN即控制器局域网(Controller Area Network)，属于多主工作方式的串行通信协议【1】。CAN以其卓越的性能和突出的优点，广泛应用于汽车通信控制【2】、工业测控系统、楼宇自动化、医疗

2、设备等各个领域，被认为是最有前途的现场总线之一【3】。 但CAN只定义了物理层和数据链路层，故CAN本身不是一个完整的协议，在面向特定应用时，必须设计相应的高层协议。目前，基于CAN的高层协议有CANopen、J1939、DeviceNet等，这些协议较为庞大复杂【4】，开发应用的难度较大，而且使用成本较高【5】。因此针对工业测控通信系统，很有必要设计简单高效的通信协议。 2、CAN的特点及运行机制 CAN具有如下特点：多主工作方式；传输速度快；抗干扰性强；高可靠性和低错误率【3】；高效的短帧结构，如图1所示。其中SOF表示帧起始，为一显性位。根据仲裁域标识符的长度不同，可以将CAN帧分为标准

3、帧(11位标识符)和扩展帧(29位标识符)两种格式【6】，帧的数据域最多只能传输8字节的有效数据。 图1CAN的帧结构 CAN的非破坏性仲裁规则：总线值用显性位“0”或隐性位“1”表示【4】。报文的优先级由标识符确定，优先级的比较通过标识符的逐位仲裁实现【6】，标识符越小的报文具有越高的优先级【7】。 CAN通信系统通常由上位机和下位机两部分组成。上位机通过人机交互界面，实现参数配置与资源管理等功能。下位机为现场节点设备，接收上位机的数据，并执行相关的操作，完成数据的采集和简单的信息处理。 3、CHP协议的设计 为了保证协议的兼容性，CHP以CAN2.0B扩展数据帧为基础。扩展数据帧的格式如图

4、2所示： 图2CAN2.0B扩展数据帧 根据图2所示的扩展帧格式，定义了CHP协议的报文格式，如表1所示： 表1CHP协议的报文格式 序号7654321 0 B0报文类型 MessType 2bit优先权 Priority 6bit B1目标地址DestID7bitRTR B2源地址SourceID7bitFF B3数据类型 DataType3bitSF数据长度码 DLC4bit Data0 帧序号FrameSeq4bit保留Data1 DATA . .Data7 DATAa) 字段编码 i. 主要功能段 MessType表示报文的类级别，用于定义和区分不同实时程度的帧。即根据实时程度将报文分

5、成不同级别的类。报文的实时性越强，报文的类级别越高。以MessType取2bit为例，可以用00表示最高级别的报文类，01表示次高级别的类，10表示最低级别的类。 Priority表示报文的优先权。MessType将报文分成不同级别的类之后，每个类就对应了一个子队列，然后在子队列中（即类内部）进行优先权排队，这样，所有的报文就形成了一个虚拟的全局有序队列。 DestID和SourceID分别表示报文的目标地址和源地址。此处使用7位地址标识符，可表示128个不同的节点地址，能够满足大多数的工业应用需求。 RTR为远程请求位，远程帧的RTR位为1，数据帧的RTR位为0。 DataType表示数据类

6、型：常规数据、命令、参数或者它们的组合。以3bit表示数据类型为例，可以设该字段的第一位为常规数据标志，第二位为命令标志，第三位为参数标志。即其编码含义为：100表示常规数据，010表示命令，001表示参数，101表示同时传输数据与参数，011表示命令与参数，111表示数据、命令与参数的组合。 DLC表示报文携带数据的长度，取值为08字节。FF表示帧格式。 ii. 特殊功能段 FrameSeq表示大块报文的帧序号。大块报文通常为非实时性报文，时间要求相对宽松，而其传输的概率也较小。故为了有效利用空间，使用数据域首字节Data0的高4位作为帧序号FrameSeq的存储空间，能够表示16帧。帧序号

7、FrameSeq只在传输大块报文时使用，临时借用数据域的Data0的空间，大块报文传输完后必须归还。在此过程中，只能传输7字节的数据。当这部分空间归还之后，仍能装载8个字节的数据。 b) 帧的类型 对CHP报文的各个字段进行不同的编码，即可实现各种功能的帧。 i. 广播帧 广播帧，用于实现消息的群发功能，网络中的所有节点都能收到此帧。只需将CHP报文的目标地址设置为全0，即DestID=0000 000表示该帧为广播帧。 ii. 初始化帧 初始化帧，专门用于请求上位机分配地址和约定帧格式，是一种特殊的广播帧，仅在系统初始化或新节点加入时使用。初始化帧以广播帧为基础，即目标地址DestID=00

8、00000，其源地址为SourceID=1111111。 iii. 数据帧 数据帧，可用于传送常规数据、命令、参数及其组合，将RTR设为0，并设置分段标志SF。若为大块报文，则设置相应的帧序号FrameSeq。 另外，远程帧用于向远端节点请求数据，只需将RTR位设为1，同时填入相应的目标地址DestID和源地址SourceID即可。出错帧、超载帧的格式与CAN2.0规范定义的帧格式相同，此处不作介绍。 4、CHP协议的关键技术 a) 地址的动态分配与帧格式约定 传统的CAN在系统运行前分配静态地址，而CHP协议借鉴了DHCP的思想，采取动态分配地址的方法。在此过程中，上位机充当了一个类似于DH

9、CP服务器的角色，当新节点加入时，自动为新节点分配地址，具体过程如下： 新加入节点Si请求地址和帧格式。节点Si通过发送初始化帧的方式提交申请。 上位机分配地址及约定帧格式。上位机收到Si的申请之后，查询地址池并选择一个未使用的地址，将其分配给Si，同时约定帧格式FF。 地址和帧格式确认。节点Si收到上位机的回信后，立刻使用新地址和帧格式发送确认应答。上位机收到确认应答信息后，地址的分配和帧格式约定便已经完成。 b) 节点状态查询 为了有效地监控CAN通信系统的运行状态，设计了节点的状态查询功能。该功能通过上位机周期性地发送状态查询报文实现。具体的算法如下： 节点分类。上位机将下位机节点分成两

10、个集合：集合Uyes表示状态已知的节点，即在时间T内与上位机有过通信的节点。集合Vno表示状态未知的节点，即在时间T内与上位机没有联络过的节点。 发送状态查询报文。上位机每隔一定的时间T就执行一次查询。状态查询报文只发送给那些在时间T内与上位机没有通信过的节点Vno。在时间T内与上位机有过通信的节点Uyes一律视为状态正常节点。 反馈状态信息。Vno节点收到查询报文后，必须及时反馈状态信息。上位机在发送状态查询报文的同时，启动计时器。如果在规定时间内，没有收到Vno节点的反馈信息，那么上位机将此节点标记为已失效节点，并回收其地址。 c) 大块报文的多帧传输 当数据的长度大于8个字节时，必须把报

11、文分解成多帧进行传输。报文标识符中的分段标志SF和帧序号FrameSeq用于多帧的传输。 i. 分段标志与帧序号 SF为分段标志(Segment Flag)，SF=0表示短帧报文，无需分成多帧。SF=1表示大块报文，必须分成多帧传输，相应地设置帧序号FrameSeq，对各个帧进行编号。 ii. 大块报文的应答与重传机制 对于大块报文的多帧传输，如果不进行帧编号，当其中的某帧或几帧发生传输错误时，将会导致频繁的应答和重传，这样的传输效率必然很低。 引入帧序号FrameSeq之后，就可以采用集中应答的方式有效地解决这一问题。当大块报文传输结束之后，接收端将应答信号和错误帧的序号一起发送给源节点。这

12、样就可以避免接收端频繁地发送应答信号，并实现了选择性地重传错误帧，提高了大块报文的传输效率和带宽利用率。 iii. 预约抢占机制 CAN总线本身属于非抢占式协议，如果当前时刻总线上有报文在传输，那么必须等待该报文传输完毕。对于大块报文的多帧传输，传统的CAN协议使用统一的优先级进行传输，而且不允许中断。这会导致一个很严重的问题：实时性报文不能及时发送。报文的延时将随着帧数的增多而大幅增加【7】，从而可能导致实时性报文失效。因此，设计了实时报文的抢占机制，具体过程如下： 准备发送大块报文的节点发送预约广播。预约广播有两方面的含义：一方面，如果其它节点没有更紧急的报文要发送，那么将开始发送大块报文

13、。另一方面，如果在大块报文的传送期间，有强实时性报文要发送，那么允许抢占总线。 在大块报文传输期间，发送强实时性报文的节点可以通过发送抢占标志（连续n个显性位，如n取10）的方式抢占总线，然后发送实时性报文。 强实时性报文发送完之后，发送大块报文的节点将再次申请总线，将剩余的帧传输完。 5、结语 本文研究了CAN通信协议的设计方法。定义了CHP报文的格式和各功能段的编码。通过初始化帧实现了节点地址的动态分配与帧格式的约定。采用节点分类和定期查询的方法实现了节点的状态监控。针对大块报文的多帧传输，引入了分段标志和帧序号，提出了集中应答和选择性重传错误帧的办法，提高了帧的传输效率。预约抢占机制保证

14、了实时性报文的实时性。 参考文献： 【1】 阳宪惠. 现场总线技术及其应用(第2版), 北京：清华大学出版社，2008.10. 【2】 ISO-IS11898, Road vehicles-Interchange of digital information- Controller Area Network (CAN) for high speed communication, 1993. 【3】 夏继强，邢春香等.现场总线工业控制网络技术, 北京：北京航空航天大学出版设,2005,10. 【4】 王苏敬，王立德，申萍等. 列车用CAN总线应用层协议研究与实现, 北京交通大学学报，2008,10, 32-34 【5】 辉亚男，冷文浩，刘培林. CAN总线应用层通信协议的设计与实现, 计算机工程与设计，2008,2, 669-671. 【6】 李晓静，张侃谕. 基于CAN总线的温室群控系统设计与实现, 计算机工程, 2010, 1, 245-246. 【7】 薛雷. CAN总线的动态优先权分配机制与非实时数据的传输.计算机工程与应用，1999,12, 34-35 肖存龙，卜乐平，王黎明等. CAN总线实时性分析, 微计算机信息，2009（25）64-65. 史久根.CAN现场总线系统设计技术, 北京：国防工业出版社，2004,10.