CN106094800A

CN106094800A - 一种新型can fd控制器的管理系统

Info

Publication number: CN106094800A
Application number: CN201610545308.3A
Authority: CN
Inventors: 周新志; 唐臻宇; 钟睿
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2016-11-09

Abstract

本发明公开了一种新型CAN FD控制器的管理系统，发送管理器发送所有类型的帧及ACK信号，接收管理器监视总线，分析总线接收的数据；错误管理器对节点错误进行统计计数，将计数值反应为节点错误状态ES和总线状态BS信息；接口管理器解析来自微控制器的指令，将地址信息译码为对应寄存器的选通信号；该新型CAN FD控制器的管理系统基于CAN FD总线通信协议规范与微波功率分布式控制系统的实际需求，性能优越，具有重要的实际工程意义。

Description

一种新型CAN FD控制器的管理系统

技术领域

本发明属于CAN控制器技术领域，尤其涉及一种新型CAN FD控制器的管理系统。

背景技术

微波作为一种具有独特作用机理的新型热源，在物料烘干、高温烧结、冶炼萃取等方面具有天然优势，在食品、农业、轻工、化学等领域得到广泛应用。

以微波作为热源的褐煤干燥生产线相较于传统的对流干燥，具有安全高效节能环保等显著优势。根据南京三乐公司微波褐煤干燥生产线的实际需求，设计了目前的微波功率分布式控制系统。该分布式控制系统通过 CAN 总线连接上位机与各分布于生产线上的嵌入式控制器节点从而实现数据交换，作为业界公认的最有前途的现场总线，CAN总线能有效支持这种分布式、实时控制系统，更重要的是，CAN总线协议特有的非破坏性仲裁技术、高效的错误检测能力以及可靠的编码机制。在微波干燥生产线的高实时性要求和强电磁场环境下能够有效地保证数据传输质量。

随着研究的不断进展，控制系统对总线传输性能的要求不断提高。首先将 CAN 总线传输介质由双绞线替换为光纤，有效地提高信号传输过程中抗强电磁场干扰能力，但由此增加的光电转换模块将在信号回路中增加约300ns的总延时，此时要达到1Mbps的CAN2.0协议极限传输速度，CAN网络的尺寸必须限制在直径10米以内，而生产线长度远超过10米。因此CAN总线传输速度将比原来降低。

另一方面，上位机及各嵌入式控制器增加了新的功率智能协调控制算法，需要接收更精确、更丰富、更及时的生产线上数据并及时发布功率控制命令；与此对应的，生产线沿线上需加装更多高精度传感器，回传更加密集的数据；节点之间为实现协调配合也会进一步增加传输数据量。

以上两点都要求现场总线能提供更高效、准确的数据传输服务，而一个标准的CAN 2.0数据帧中最多能携带 8 字节数据，其冗余信息约占帧长的46%，且实际应用速度远低于设计最高速度的1 Mbps，相较之下，BOSCH 公司发布的CAN 2.0协议的升级协议：CAN-FD（CAN with Flexible Data rate）协议，其传输速率能够轻易超过1 Mbps，且冗余信息可缩小至仅占帧长的11%，CAN FD改进后的编码方式错误漏检率在CAN 2.0 的基础上又下降了5个数量级，能够满足当下及未来的升级需求。

因此，依据该分布式控制系统的实际需求而设计可集成于项目嵌入式控制板卡的基于 FPGA 的CAN FD控制器，具有实际的工程意义。

2012年5月，博世和Vector首次演示了使用遵循 ISO 11898-2 规范的收发器芯片，速率达15 Mbps 的CAN-FD网络模型。除了能够增加传输速度外，该协议还能够支持更高的负载。在单个数据框架内传送率可达64字节，避免了经常发生的数据分裂状况，解决了数据一致性的问题。

2014年6月，力科发布业界首个CAN FD触发和解码解决方案。

2014 年7月，嵌入式厂商 Spansion 公司宣布开始供应 Spansion Traveo 汽车微控制器S6J3100 系列的样品。该系列主要特点就是使用CAN FD 接口来增强车载网络。

2014年12月，罗德与施瓦茨公司的发布RTE和RTO示波器新选件，它们是世界上首款支持CAN-FD接口协议测试分析解决方案的设备。

2016 年嵌入式电子与工业电脑应用展览会上，意法半导体发布汽车嵌入式解决方案，包括首个集成 ISO CAN FD (灵活数据速率)技术的 Power Architecture微控制器。

2011年M. Barranco使用随机行为网络搭建模型对总线型及星形拓扑结构的 CAN网络可靠性进行了定量研究，着重比较了他们在永久性硬件故障情况下的可靠性和容错性，最终结果表明星形拓扑结构的 CAN 网络具有更高的可靠性和容错性。

2011年莱斯特大学 Imran Sheikh以改善CAN 通信系统性能为目标，提出了一个对 CAN 底层协议进行升级的整体框架，主要包括三个方面的目标，一是将数据传输速率从1Mbps 提高到 10Mbps，二是将单帧携带数据量从 8 字节提高到16字节；三是减少位填充编码带来的不必要的传输抖动。Imran Sheikh以此为基础，提出了多种方案进行实验分析，并总结了各自的优劣。

2011年S. Mubeen通过扩展现有的分析方案，提出能够支持分析混合消息的响应时间的算法，该算法能够适用于任何基于 CAN 协议的高层协议，并且对周期性的、偶发性的和混合性的消息的传输都有较好的效果。

2011年约克大学实时系统研究组R. I. Davis指出，现在对于CAN 的分析都是基于这样一个假设：网络中每个节点准备发送的最高优先级的信息将会获得总线仲裁，但实际上，一些 CAN 驱动设备使用先进先出队列而不是基于优先级的队列使这一假设失效了，因此R. I. Davis 对CAN 帧在既有使用FIFO 的节点又有使用优先队列的节点的网络中传播时的响应时间进行了分析，并提出了最优分配策略，通过案例和实验评估，结果表明FIFO队列对于CAN的实时性能有不利影响。

2011 年 H. Huangshui 等人通过搭建 CAN 故障模型，研究 CAN 通信故障机制，设计了一个用于 CAN 节点的监视模块，该监视模块可以通过变换自身为被动或主动状态来诊断通信链路的故障，有效地增强 CAN 通讯的可靠性及自愈性。

2011年Atiya Azmi 等人以CAN 总线通信系统为基础，提出了一种采集患者生命体征并传送至远端监测站的解决方案，提出了数据聚合方法及几个有关CAN协议的改良方案，以便更好的利用可用带宽，实验表明，该解决方案能够容纳足够多的监测点，并提供更高的数据传输速度。

2012年，合肥工业大学张建军结合现有的时钟同步算法在各节点建立并更新同步主节点优先表，提出基于"时钟漂移率"的同步算法。有效地解决了传统同步算法在主节点失效时占用过多网络资源的问题；同时能自适应地根据CAN网络当前状态修改权重因子，保证时钟同步精度在10 us 以内。

2012年横滨国立大学T. Matsumoto等人提出了一套能够检测及预防未授权数据在 CAN 总线上传输的新方法。该方法只需在当前控制器单元上做简单的调整就能被有效执行。并且能够在多总线通过网关互连的情况下工作。

2012年，解放军68036部队邹静提出了一种基于CAN 通信网络的应用层组播方案，在只增加了极小开销的情况下扩展了 CAN 的基础架构，从而能容纳大规模的组用户，实验表明，这种基于完全分布式 CAN 通信网络的应用层组播部署方案简单可行、具有明显的优势。

2012年，约克大学实时系统研究组Robert I. Davis 针对CAN 消息在总线间经过网关传输时产生延时抖动并逐级积累的情况，提出了一种位流调整的方法，该方法能够显著增强 CAN 总线网络的实时性能，消除抖动的积累。这种方法不需要获得全局时钟或精确的时间标记，通过扩展还可用于解决网络之间的时间漂移问题。

2012年美国加州大学伯克利分校C. W. Lin 提出了一个安全机制，通过改良 CAN协议，能够有效地阻止针对基于 CAN 通信网络架构的网络的攻击，并且成功的在保持高安全水平的同时，将总线通信效率（如总线负载和消息等待时间等）维持在合理的水平。2013年，B. Groza 完整设计了一种利用钥匙串和时间同步的广播认证协议，能有效地提高 CAN通信网络的安全性。通过在飞思卡尔S12X 和英飞凌的TriCore上进行硬件测试，证明该协议在有限的计算资源下能够正常运行。

2013年，重庆邮电大学张居林等人为确保车载CAN网络及其ECU 节点在复杂工况下的系统行为能够满足高容错性的要求，提出了一种基于 FPGA 的CAN网络链路层位级干扰测试方法，实现干扰嵌入的寄存器级描述并能够监测总线位流，硬件测试表明，该设计能够灵活地向 CAN 通信总线嵌入干扰，能够有效地检测CAN通信网络的可靠性及容错性。

2013年意大利的比萨圣安娜高等学校M. Di Natale.等人对几种非常规消息队列最坏响应时间分析理论进行了实测评估，同时也对广泛存在于实际系统应用中且偏离理想状况的情况进行了理论和实证研究，并得出了基于论询设计的CAN FD控制器的最坏情况下响应时间的上限值。

2013 年，浙江大学赵九洲在提出广义零膨胀泊松模型基础上，对 CAN 通信网络中错误帧事件进行离散化建模。通过分析参数并对优化控制图进行比对，实现了 CAN 通信网络通信质量的实时在线监测及早期预警功能，并结合故障原理和期望分布方法对节点脱离总线时间进行了预测。

2013年G. Cena等人提出了一种新的CAN 总线编码方案替代原有的位填充编码，测试评估表明该编码方案简单高效适合在嵌入式架构中实现。

2013 年，吉林大学郝勃等人分析了 CAN 通信协议和 OSEK/VDX 规范，针对具有较多节点数量及功能类型的CAN 通信网络，提出并实现了一种CAN节点的分组和合并的网络管理策略。实验结果表明，该管理策略能够快速构建CAN 通信节点的逻辑结构，提高CAN通信网络的管理效率。

2014年K. W. Schmidt提出了一种计算优先顺序的算法，解决了现有队列中新加入消息需要重新计算优先级的问题。测试表明该算法简洁有效，能够对消息进行高效调度。

2014年P. S. Murvay指出当前的CAN安全性研究大多集偏向于对协议层加密，而这种方式增加了通信和计算的开销，也不利于系统兼容。因此 P. S. Murvay 及其团队提出了一种通过采集帧的独特的物理特性的方法来认证帧的合法性，主要是通过电压采集、信号滤波、均方差及卷积检测对每一个潜在的发送节点进行识别，实验表明，该方法对于某些节点的识别是非常成功的，配合CAN 收发器及CAN 帧中的 ID，能够正确地找到发送节点。

2014年康明斯女子工程学院S. Kelkar. 等人针对CAN 通信网络数据传输量越来越大的情况，提出了一种Boundary of Fifteen 数据压缩算法，该算法比QuotientRemainder Compression 算法及Enhanced Data Reduction算法具有更高的压缩比，和更少的计算量。

2014年，合肥工业大学杨锦针对分布式车载网络的同步机制，引入四种特殊的报文帧，定量研究了同步帧传输网络延时，引入最小“相对即时偏差和”的主时钟协商选择方法，提出了基于主时钟选择的精确时钟同步机制。通过搭建半实物半仿真平台对基于CANoe的车载CAN 通信系统验证该同步机制，实验结果表明，该同步机制具有较高的可靠性和同步精度，能够有效降低网络同步开销。

2014 年合肥工业大学胡京津基于最早截止时间优先的 CAN 网络动态调度机制。提出了基于幂函数分区的“混合优先级”标识符动态段编码方案，充分论证了 CAN 网络消息集调度优先级判定条件，并对量化误差进行了分析；最终在FPGA上设计实现，验证了方案的可行性。

2015年 Yu-jing Wu 等人提出了一种CAN 帧压缩算法，能够将CAN帧压缩到原长度的81.06%，并实际测试了在64-位EMS 上压缩算法的速度为一个帧0.16ms。

2015 年，辽宁工程技术大学张国胜等人通过分析车载 CAN 网络数据变化特点，引入数据压缩技术，在此基础上提出变化优先(CF)调度算法，将CF算法应用于车载 CAN网络通信系统设计进行实验验证，实验结果表明，使用该算法后车身CAN总线负载显著降低，网络传输实时性明显提高。

2015 年，湖南大学赵军岩等人通过分析现有的简化搜索及穷尽搜索算法，指出二者在分析网关消息的非周期性干扰时没有考虑部分高优先级消息的影响，并证明网关消息同时发送时产生的非周期性干扰最大，由此提出一种改进的基于网关互连的 CAN 网络最坏响应时间分析方法。Matlab 仿真结果表明，改进后的算法拥有可以接收的时间复杂度，并能够降低结果的悲观性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述缺陷，而提供一种对CAN FD控制器进行整体功能及工作状态调控管理的新型CAN FD控制器的管理系统。

本发明是这样实现的，一种新型CAN FD控制器的管理系统，该新型CAN FD控制器的管理系统包括：

发送管理器，与CAN FD控制器的CAN FD总状态机相连接，用于CAN FD控制器的CAN FD总状态机所有类型的帧及ACK信号的发送；

第一接收管理器，与CAN FD控制器的CAN FD总状态机相连接，用于监视总线，并分析总线上接收到的数据；

错误管理器，与CAN FD控制器的CAN FD总状态机及接收管理器相连接，用于对节点错误进行统计计数，将计数值反应为节点错误状态ES和总线状态BS信息，并发送给CAN FD总状态机；

第二接口管理器，与所述发送管理器及接收管理器相连接，用于外部微控制器与CANFD控制器的CAN FD总状态机交换信息的接口，解析来自微控制器的指令，将收到的地址信息译码为对应寄存器的选通信号，同时向微控制器反馈中断信息及CAN FD控制器的CAN FD总状态机工作状态。

进一步，所述发送管理器中嵌入发送缓冲器，所述发送缓冲器用于存储待发数据，并为所述寄存器组中的状态寄存器模块提供发送缓冲器状态；

所述发送管理器负责具体执行任何与发送有关的命令，并在CAN FD控制器中CAN FD总状态机的统一协调下发送数据，能从所述发送缓冲器中读取仲裁场、控制场和数据场的内容，然后将组装成CAN FD帧，并向总线发送CAN FD帧；在收到错误或是总线超载信号时，向总线发送错误帧或超载帧；还用于向状态寄存器提供发送完成状态的信息；

所述接收管理器将依照CAN FD协议，执行总线仲裁格式和各项检测功能如填充错误检测、CRC 检测、错误帧检测和过载帧检测、滤波检测，所述接收管理器中嵌入接收缓冲器，所述接收缓冲器用于存储接收数据，并为所述寄存器组中的状态寄存器反馈接收缓冲器状态及数据溢出状态，向所述寄存器组中的中断寄存器提供接收中断及数据溢出中断；

所述接口管理器作为外部微控制器与CAN FD控制器交换信息的接口，解析来自微控制器的指令，将收到的地址信息译码为对应寄存器的选通信号，也向微控制器反馈中断信息及CAN FD控制器工作状态。

进一步，所述接收管理器进一步包括：

接收状态机模块，由CAN FD总状态机单方面决定其状态，状态与整个CAN FD控制器状态一一对应；

过载帧检测模块，用于对过载帧进行检错；

错误帧检测模块，当所述接收管理器进入err_rec状态时，错误帧检测模块片选cs_ef_check被置高，开始检测错误状态下的错误；

格式检测模块，当所述接收管理器进入arbit_rec状态时，cs_fs_check即被置高，直到Rec_rec状态结束，从仲裁位的第一位起开始格式检查和填充位检查；

滤波检测模块，用于进行简单的报文滤波，筛选出需要进行接收的帧进行接收和存储；

CRC检测模块，用于CRC检验及填充位过滤；

接收缓冲器，用于存储接收管理器收到的有效数据。

进一步，所述发送管理器进一步包括：

发送状态机；

发送缓冲器，用于存储即将发送到总线上的待发送数据。

进一步，所述错误管理器用于错误计数，不关心错误细节，监测error_add[1：0]、send_ack、TCS_reg_status三个信号，并采集其值做相应处理。

进一步，所述接口管理器用于解析来自微控制器的指令，将收到的地址信息译码为对应寄存器的选通信号，在相应信号置低（Wr_low、rd_ low）时，与外部微控制器交换信息。

本发明提供的新型CAN FD控制器的管理系统，由发送管理器、接收管理器、时钟同步器、错误管理器、寄存器组、接口管理器构成，发送管理器用于所有类型的帧及ACK信号的发送，接收管理器用于监视总线，并分析总线上接收到的数据，时钟同步器根据用户设定及总线信号，控制位时钟周期，并提供总线值采样点及采样值，错误管理器对节点错误进行统计计数，将计数值反应为节点错误状态ES和总线状态BS信息，并发送给CAN FD总状态机及状态寄存器，寄存器组对控制寄存器、状态寄存器、中断寄存器及命令寄存器进行集中管理，接口管理器用于外部微控制器与CAN FD控制器交换信息的接口，解析来自微控制器的指令，将收到的地址信息译码为对应寄存器的选通信号，同时向微控制器反馈中断信息及CAN FD控制器工作状态；该新型CAN FD控制器的管理系统基于CAN FD总线通信协议规范与微波功率分布式控制系统的实际需求，性能优越，具有重要的实际工程意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的CAN FD控制器的信号流向图；

图中：1、发送管理器；23、接收管理器；3、错误管理器；4、接口管理器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的新型CAN FD控制器的管理系统包括：

发送管理器1，与CAN FD控制器的CAN FD总状态机相连接，用于CAN FD控制器的CAN FD总状态机所有类型的帧及ACK信号的发送；

接收管理器2，与CAN FD控制器的CAN FD总状态机相连接，用于监视总线，并分析总线上接收到的数据；

错误管理器3，与CAN FD控制器的CAN FD总状态机及接收管理器2相连接，用于对节点错误进行统计计数，将计数值反应为节点错误状态ES和总线状态BS信息，并发送给CAN FD总状态机；

接口管理器4，与所述发送管理器1及接收管理器2相连接，用于外部微控制器与CAN FD控制器的CAN FD总状态机交换信息的接口，解析来自微控制器的指令，将收到的地址信息译码为对应寄存器的选通信号，同时向微控制器反馈中断信息及CAN FD控制器的CAN FD总状态机工作状态。

进一步，所述发送管理器1中嵌入发送缓冲器，所述发送缓冲器用于存储待发数据，并为所述寄存器组中的状态寄存器模块提供发送缓冲器状态；

所述发送管理器1负责具体执行任何与发送有关的命令，并在CAN FD控制器中CAN FD总状态机的统一协调下发送数据，能从所述发送缓冲器中读取仲裁场、控制场和数据场的内容，然后组装成CAN FD帧，并向总线发送CAN FD帧；在收到错误或是总线超载信号时，向总线发送错误帧或超载帧；还用于向状态寄存器提供发送完成状态的信息；

所述接收管理器2将依照CAN FD协议，执行总线仲裁格式和各项检测功能如填充错误检测、CRC 检测、错误帧检测和过载帧检测、滤波检测，所述接收管理器中嵌入接收缓冲器，所述接收缓冲器用于存储接收数据，并为所述寄存器组中的状态寄存器反馈接收缓冲器状态及数据溢出状态，向所述寄存器组中的中断寄存器提供接收中断及数据溢出中断；

所述接口管理器4作为外部微控制器与CAN FD控制器交换信息的接口，解析来自微控制器的指令，将收到的地址信息译码为对应寄存器的选通信号，也向微控制器反馈中断信息及CAN FD控制器工作状态。

进一步，所述接收管理器2进一步包括：

过载帧检测模块，用于对过载帧进行检错；

CRC检测模块，用于CRC检验及填充位过滤；

接收缓冲器，用于存储接收管理器收到的有效数据。

进一步，所述发送管理器1进一步包括：

发送状态机；

发送缓冲器，用于存储即将发送到总线上的待发送数据。

进一步，所述错误管理器3用于错误计数，不关心错误细节，监测error_add[1：0]、send_ack、TCS_reg_status三个信号，并采集其值做相应处理。

进一步，所述接口管理器4用于解析来自微控制器的指令，将收到的地址信息译码为对应寄存器的选通信号，在相应信号置低（Wr_low、rd_ low）时，与外部微控制器交换信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型CAN FD控制器的管理系统，其特征在于，该新型CAN FD控制器的管理系统包括：

2.如权利要求1所述的新型CAN FD控制器的管理系统，其特征在于，所述发送管理器中嵌入发送缓冲器，所述发送缓冲器用于存储待发数据，并为所述寄存器组中的状态寄存器模块提供发送缓冲器状态；

3.如权利要求1所述的新型CAN FD控制器的管理系统，其特征在于，所述接收管理器进一步包括：

过载帧检测模块，用于对过载帧进行检错；

CRC检测模块，用于CRC检验及填充位过滤；

接收缓冲器，用于存储接收管理器收到的有效数据。

4.如权利要求1所述的新型CAN FD控制器的管理系统，其特征在于，所述发送管理器进一步包括：

发送状态机；

发送缓冲器，用于存储即将发送到总线上的待发送数据。

5.如权利要求1所述的新型 CAN FD控制器的管理系统，其特征在于，所述错误管理器用于错误计数，不关心错误细节，监测error_add[1：0]、send_ack、TCS_reg_status三个信号，并采集其值做相应处理。

6.如权利要求1所述的新型CAN FD控制器的管理系统，其特征在于，所述接口管理器用于解析来自微控制器的指令，将收到的地址信息译码为对应寄存器的选通信号，在相应信号置低（Wr_low、rd_ low）时，与外部微控制器交换信息。