CN101286940A - 双冗余can总线通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双冗余CAN总线通信系统，其特征在于：该通信系统采用双总线结构；在所述总线上设置有若干CAN节点；所述CAN节点中包括一个节点处理器、两个总线控制器和两个总线驱动器；所述两个总线控制器分别通过两个总线驱动器与不同的总线相连；所述节点处理器与所述两个总线控制器相连，控制总线控制器进行通信。该通信系统特殊的双总线结构，有效地改善了其通信链路的容错能力，提高了整个系统的可靠性。

Description

双冗余CAN总线通信系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及一种在分布式控制网络中具有高可靠性的双冗余CAN总线通信系统，及其数据的通信方法，属于通信技术领域。

背景技术

总线作为分布式伺服控制系统的“经脉”，担负各子系统之间的数据交换和指令传输，是分布式控制系统的重要组成部分，它的性能好坏直接决定了整个分布式控制系统的性能。CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线是德国Bosch公司从80年代初为解决现代汽车中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，检错能力非常强。由于其采用了许多新技术及独特的设计，它不仅在汽车控制系统、医疗仪器和船舶运输等方面有广泛应用，同样也在伺服控制领域同样有出色的表现。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

虽然CAN总线已经具有了较高的可靠性，但它的可靠性是建立在单一的CAN总线回路中的，一旦该路总线上的任何部位出现瞬时或永久性的故障，都会造成一段时间内分布式控制网络的通信故障。在典型网络拓扑结构中，基本总线网络对网络节点故障的容错能力具有明显优势，而对通信链路的故障则表现出不足之处。显见，对于系统可靠性和稳定性要求较高的通信系统而言，有效地提高通信链路的容错能力也是十分必要的。

发明内容

本发明的发明目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种具有双冗余链路结构的CAN总线通信系统，及其通信方法。

本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的：

双冗余CAN总线通信系统，其特征在于：该通信系统采用双总线结构；在所述总线上设置有若干CAN节点；

所述CAN节点中包括一个节点处理器、两个总线控制器和两个总线驱动器；所述两个总线控制器分别通过两个总线驱动器与不同的总线相连；所述节点处理器与所述两个总线控制器相连，控制总线控制器进行通信。

所述CAN节点中还包括一个通信登记表；所述通信登记表用以记录了所述CAN节点与其它CAN节点间的通信链路状态；所述通信登记表中记录的通信链路状态包括初始状态、正常状态、故障状态、脱离状态。

双冗余CAN总线通信系统的通信方法，其特征在于：包括下述步骤：

1)在网络中启动节点1和节点2；

2)在节点1和节点2之间建立通信登记表；

3)当节点1要向节点2发送报文时，节点1根据所要进行的操作确定报文的传输模式为单帧报文传输模式或大批量报文传输模式；

4)若采用单帧报文传输模式，则两节点间采用返回N自动重传机制对传输过程进行差错管理；

5)若采用大批量报文传输模式，则两节点间采用选择拒绝自动重传机制对传输过程进行差错管理。

所述步骤2中的通信登记表是通过下述步骤建立的：

a1)节点1分别通过两路总线发送测试帧给节点2；

a2)若节点1收到节点2的应答帧则说明两节点间总线通路正常，标记为正常状态；

a3)若节点1通过A路总线发送报文给节点2，但计时器超时仍未收到任何回应，则节点1切换到B路传输一个测试帧；

a4)当收到节点2对该测试帧的响应帧，则说明两节点间B路总线正常，而A路总线传输出现问题，标记两节点通过A路总线传输状态为故障状态；

a5)节点1通过A路总线再次发送测试帧给节点2；

a6)若节点1收到节点2的应答帧，则说明两节点在A路总线上只是遇到瞬时故障，该标记总线为正常状态；

a7)若节点1仍未收到节点2的应答帧，则重新初始化节点1的A路总线控制器，并通过B路总线发指令给节点2初始化节点2的A路总线控制器；

a8)两节点的A路总线控制器初始化完成后，节点1再次通过A路总线发送测试帧，若收到应答帧则标记为正常状态，若仍不成功则标记脱离状态。

所述步骤4中的返回N自动重传机制为接收节点接收到帧会向发送节点回应一个确认帧；如果接收节点检测到差错，则会为该差错帧发送一个否认帧，并且丢弃该差错帧以及所有该差错帧之后接收到的帧，直至接收到该差错帧的正确重传。

所述步骤5中的选择拒绝自动重传机制为接收节点要求发送节点重传的只有被检测到差错的帧。

本发明的有益效果是：提供了一种具有双总线结构的通信系统，并对其通信过程进行了相应的差错控制，有效地改善了其通信链路的容错能力，提高了整个系统的可靠性。

附图说明

图1为双冗余CAN总线通信系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

虽然CAN总线本身已经具有了较高的可靠性，但它的可靠性是建立在单一的CAN总线回路中的，一旦该路总线上的任何部位出现瞬时或永久性的故障，都会造成一段时间内分布式控制网络的通信故障。因此，对于一些对可靠性和实时性要求比较高的通信系统，对其链路结构的改造也是必须的。

基于以上原因，本发明采用了单机双冗余CAN总线的结构设计。图1即为本发明所设计的双冗余CAN总线通信系统的结构示意图。如图所示，双冗余CAN总线通信系统中的链路结构并非建立在单一的CAN总线回路，而是采用两条独立的并行CAN总线结构。在总线上连接有若干CAN节点，每个CAN节点包括一个节点处理器、两个总线控制器和两个总线驱动器。两个总线控制器和两个总线驱动器分为两组，分别连接于两条独立的CAN总线。该节点处理器与两个总线控制器连接，控制两个总线控制器协同工作。

这种双冗余CAN总线通信系统在既继承了基本总线网络所具有的对网络节点故障的容错能力的同时，由于采用了两条独立的并行CAN总线的双冗余结构，弥补了基本总线网络对通讯链路故障无能为力的缺陷，因而具有更高的可靠性。平时工作时，其中一条总线可以作为备用总线保证系统通信的畅通和安全。在大量传输数据时，可以启用备用总线进行通信，从而大大提高了整个系统的通信能力，保证了系统的通信效率，非常适合对于实时性要求较高的系统。但于此同时，也对系统的通信链路管理提出了较高的要求。

基于上述双冗余CAN总线通信系统的结构特点，本发明设计了下述通讯链路策略。

通信登记管理

在每个节点建立一个通信登记表，该表记录了该节点的两路CAN总线与其它节点间的通信链路状态，包括如下几种状态：

1、初始状态：系统刚加电或刚加入CAN总线网络中，还未证明节点可用时处于该种状态；

2、正常状态：处于该种状态表明两个节点之间可以通过该路总线进行报文传送。

3、故障状态：处于该种状态表明两个节点之间该路总线上出现了由于某种原因出现了报文传输失败的问题，等待故障处理。

4、脱离状态：表明两节点之间已经证明无法通过该路总线完成报文传送服务，可能存在线路故障或者总线控制器永久性故障等。

参见图1，下面以图中所示节点1和节点2之间的通信登记表建立为例，说明通信登记表的建立流程：

1)节点1分别通过两路总线发送测试帧给节点2；

2)若节点1收到节点2的应答帧则说明两节点间总线通路正常，标记为正常状态；

3)若节点1通过A路总线发送报文给节点2，但计时器超时仍未收到任何回应，则节点1切换到B路传输一个测试帧；

4)当收到节点2对该测试帧的响应帧，则说明两节点间B路总线正常，而A路总线传输出现问题，标记两节点通过A路总线传输状态为故障状态；

5)节点1通过A路总线再次发送测试帧给节点2；

6)若节点1收到节点2的应答帧，则说明两节点在A路总线上只是遇到瞬时故障，该标记总线为正常状态；

7)若节点1仍未收到节点2的应答帧，则重新初始化节点1的A路总线控制器，并通过B路总线发指令给节点2初始化节点2的A路总线控制器；

8)两节点的A路总线控制器初始化完成后，节点1再次通过A路总线发送测试帧，若收到应答帧则标记为正常状态，若仍不成功则标记脱离状态。

通过采用上述通信登记表的建立，可以有效区分总线瞬时故障和非瞬时故障，只有遇到出现非瞬时故障的可能时才做总线控制器复位等处理，有效提高总线系统稳定工作的时间，同时由于在一路总线发生故障时，节点可以几乎实时的通过另外一路总线维持通信，降低总线故障对两节点间通信的影响。

报文传输策略

基于前述对双冗余CAN总线通信系统的特殊结构的链路管理考虑，我们将我们将报文的传输模式分为单帧报文传输模式和大批量报文传输模式。单帧报文传输模式是指在一般的报文传输过程中小批量的报文传输。大批量报文传输模式是指主要用于伺服控制参数更新和程序上传等操作过程中的大批量报文传输，其数据长度一般大于8个字节，不可能在一个CAN帧中完成传送，需要进行多帧、分组传输。

对于单帧报文传输模式，我们仅使用一条总线进行传输，而另一条总线作为备用总线，保证传输的可靠性。同时，我们采用返回N自动重传机制对其传输过程进行差错管理。

所谓返回N自动重传机制使用了滑动窗口的技术，在正常传输的情况下，接收节点接收到帧会向发送节点回应一个确认帧(RR＝接收就绪或捎带的确认)。如果接收节点检测到差错，那么它会为这个帧发送一个否认帧(REJ＝拒绝)，并且丢弃这个帧以及所有后来接收到的帧，直至有差错的帧被正确地接收到。因此，当发送节点接收到一个否认帧后，必须重传有差错的帧，以及这个帧之后的所有已经传输的帧。

参见图1，以节点1向节点2发送帧为例。在每次传输之后，节点1为刚才传输的帧设置的帧设置确认计时器。假设节点2已经成功接收到前面的帧(i-1)，并且节点1刚刚传输了帧i。对下述异常事件做出如下反映。

1、损坏的帧：

如果接收到的帧是无效的(即节点2检测到一个差错，或者因为损坏情况严重，节点2甚至不能察觉出它接收到的是一个帧)，节点2丢弃该帧并且不对该帧做任何进一步的动作。这里分两种情况：

a)在合理的时间范围内，节点1继续发送帧(i+1)。节点2接收到帧(i+1)后发现次序不对，于是发送一个REJi。节点1必须重传帧i以及所有的后继帧。

b)节点1并没有马上发送其他帧。节点2没有接收到任何帧，并且节点2既不返回RR，也不返回REJ。当节点1的计时器超时，节点1会传输一个RR帧，并在其中包含一个被置为1的P比特。节点2将这个RR帧中的P比特为1解释为一条命令，该命令要求节点2必须发送一个RR响应信号，于是它通过发送一个表明自己希望接收到的下一个帧的RR来响应，也就是帧i。当节点1接收这个RR后，会重传帧i。另一种情况是节点1计时器超时，节点1也会重传帧i。

2、损坏的RR：分别有两种情况：

a)节点2接收到帧i并发送RR(i+1)，而它在传输时丢失。由于确认是累积的(如RR6表示5之前的所有帧都被确认)，有可能节点1会接收到下一个帧的RR，并且这个RR可能在帧i的计数器超时之前到达。

b)如果节点1的计时器超时，它会传输一个RR命令，如1节点2中的情况。节点1还会设置另外一个计时器，称为P比特计时器。如果节点2没有响应这个RR命令，或者如果它的响应被损坏，那么节点1的P比特计时器会超时。在这种情况下，节点1将会通过发送一个新的RR命令重试一次，并且还要重新启动P比特计数器。这一过程将重复数次。在重试的次数超时一个最大值后，如果节点1还没有获得确认，那么节点1启动复位过程。

3、损坏的REJ：如果REJ被丢失，其情况等同1节点2。

对于大批量报文传输模式，由于在传输时将占用大量总线带宽，因此为了更好的完成大批量报文的传送，提高总线利用率，我们充分利用了双冗余CAN总线通信系统中的双总线结构，采取两路总线同时工作的方式传送报文，把总线带宽提高了一倍，加快报文的传送速度。但是由于采用了双线传输，对于接收节点来说不能保证报文按照序号次序到达。这时若仍采用前述返回N自动重传机制，当报文丢失时，由于其要求丢失的i帧及以后所有帧都要重传，则每次有丢帧都要传送大量本不必要传输的报文，影响了传送效率。所以，对于大批量报文传输模式我们采用选择拒绝自动重传机制来进行差错管理。

所谓选择拒绝自动重传机制，即接收节点要求发送节点重传的只有那些被否认或超时的帧(一般称这样的否认帧为SREJ。)，而不需要重传这些帧的后续帧。例如，当帧5未按顺序被接收时，接收节点发送SREJ4，表示它还没有收到帧4。但接收节点继续接收帧4的后续帧，并缓存它们，直到收到一个有效的帧4。这时，接收可以将帧按序排列，并将它们传递给高层软件。

由于重传帧的数量降低到了最小，但另一方面接收节点需要一个足够大的缓存，以便保存重传帧的后续的帧，直至有差错的帧被重传，而且它还必须具有能够按照正确的顺序插入这些帧的逻辑。

因此，选择拒绝自动重传机制对窗口大小的限制比返回N自动重传机制更加严格。为了克服发送窗口和接收窗口之间的重叠，最大窗口值必须小于序号范围的一半。即如果序号长度为3比特，窗口大小达7个帧，则只允许有4个未被确认的帧存在，才不会发生混淆。一般来说，对于k比特的序号字段，它提供的序号范围为2^k，而最大窗口值则限制在2^k-1。

根据以上针对双冗余CAN总线通信系统的通信方法设计，可以总结双冗余CAN总线通信系统的通信方法流程如下：

1)在网络中启动节点1和节点2；

2)在节点1和节点2之间建立通信登记表；

3)当节点1要向节点2发送报文时，节点1根据所要进行的操作确定报文的传输模式为单帧报文传输模式或大批量报文传输模式；

4)若采用单帧报文传输模式，则两节点间采用返回N自动重传机制对其传输过程进行差错管理；

5)若采用大批量报文传输模式，则两节点间采用选择拒绝自动重传机制对其传输过程进行差错管理。

Claims (6)

1、双冗余CAN总线通信系统，其特征在于：该通信系统采用双总线结构；在所述总线上设置有若CAN节点；

所述CAN节点中包括一个节点处理器、两个总线控制器和两个总线驱动器；所述两个总线控制器分别通过两个总线驱动器与不同的总线相连；所述节点处理器与所述两个总线控制器相连，控制总线控制器进行通信。

2、如权利要求1所述的双冗余CAN总线通信系统，其特征在于：所述CAN节点中还包括一个通信登记表；所述通信登记表用以记录了所述CAN节点与其它CAN节点间的通信链路状态；所述通信登记表中记录的通信链路状态包括初始状态、正常状态、故障状态、脱离状态。

3、双冗余CAN总线通信系统的通信方法，基于权利要求2所述的通信系统实现，其特征在于：包括下述步骤：

1)在网络中启动节点1和节点2；

2)在节点1和节点2之间建立通信登记表；

3)当节点1要向节点2发送报文时，节点1根据所要进行的操作确定报文的传输模式为单帧报文传输模式或大批量报文传输模式；

4)若采用单帧报文传输模式，则两节点间采用返回N自动重传机制对传输过程进行差错管理；

5)若采用大批量报文传输模式，则两节点间采用选择拒绝自动重传机制对传输过程进行差错管理。

4、如权利要求3所述的双冗余CAN总线通信系统的通信方法，其特征在于：所述步骤2中的通信登记表是通过下述步骤建立的：

a1)节点1分别通过两路总线发送测试帧给节点2；

a2)若节点1收到节点2的应答帧则说明两节点间总线通路正常，标记为正常状态；

a3)若节点1通过A路总线发送报文给节点2，但计时器超时仍未收到任何回应，则节点1切换到B路传输一个测试帧；

a4)当收到节点2对该测试帧的响应帧，则说明两节点间B路总线正常，而A路总线传输出现问题，标记两节点通过A路总线传输状态为故障状态；

a5)节点1通过A路总线再次发送测试帧给节点2；

a6)若节点1收到节点2的应答帧，则说明两节点在A路总线上只是遇到瞬时故障，该标记总线为正常状态；

a7)若节点1仍未收到节点2的应答帧，则重新初始化节点1的A路总线控制器，并通过B路总线发指令给节点2初始化节点2的A路总线控制器；

a8)两节点的A路总线控制器初始化完成后，节点1再次通过A路总线发送测试帧，若收到应答帧则标记为正常状态，若仍不成功则标记脱离状态。

5、如权利要求3所述的双冗余CAN总线通信系统的通信方法，其特征在于：所述步骤4中的返回N自动重传机制为接收节点接收到帧会向发送节点回应一个确认帧；如果接收节点检测到差错，则会为该差错帧发送一个否认帧，并且丢弃该差错帧以及所有该差错帧之后接收到的帧，直至接收到该差错帧的正确重传。

6、如权利要求3所述的双冗余CAN总线通信系统的通信方法，其特征在于：所述步骤5中的选择拒绝自动重传机制为接收节点要求发送节点重传的只有被检测到差错的帧。

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