CN101626333A

CN101626333A - 一种can总线系统及其中的应用层通讯方法

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Publication number: CN101626333A
Application number: CN200910090385A
Authority: CN
Inventors: 韩利; 何震球; 姚宏
Original assignee: Beijing Hollysys Electronics Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Hollysys Electronics Technology Co Ltd
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: CN101626333B

Abstract

本发明公开了一种CAN总线系统及其中的应用层通讯方法；方法包括：需要对其它CAN节点进行操作的CAN节点发送应用层消息给所述CAN总线，在应用层消息中携带发送者标识、接收者标识和用于表示所要进行的操作的功能信息，将本节点的标识作为发送者标识，将作为操作对象的CAN节点的标识作为接收者标识；所述CAN总线根据所述应用层消息中携带的所述接收者标识将应用层消息传送给相应的CAN节点；接收应用层消息的CAN节点根据应用层消息中携带的所述功能信息进行相应操作。本发明简单实用，便于推广和移植，可以适合于很多使用CAN总线的工业自动化工艺设备上。

Description

一种CAN总线系统及其中的应用层通讯方法

技术领域

本发明涉及CAN(Controller Area Network，控制器领域网络)总线，具体涉及一种CAN总线系统及其中的应用层通讯方法。

背景技术

CAN总线最初是由德国Bosch公司为了解决汽车中众多控制器与测量设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线(可参见Bosch.CANSpecification，version 2.0，1991，9)，后发展为国际标准ISO11898。CAN总线的最大特点在于数据链路层采用了消息优先性仲裁、自动应答，CRC(Cyclical Redundancy Check，循环冗余码校验)自动校验、错误重发等机制。由于CAN总线具有可靠性高，传输速率快，通信距离较远，易于使用、维护和网络扩展，目前已广泛应用于各种工业现场控制领域。

但是，CAN只定义了ISO/OSI中的物理层和数据链路层规范，这种设计要求用户在应用CAN协议时，必须自行定义应用层协议。实践表明，即使最简单的CAN分布式系统，仅仅靠两层协议规范是不够的，要进行高效率的通讯还需要进一步明确应用层协议。目前，CAN总线应用层协议种类很多，但这些协议或者是非常复杂的通用型协议(可参见王桂荣，钱剑敏.CAN总线和基于CAN总线的高层协议[J].计算机测量与控制，2003，(05).、以及王付军，陶维青.基于CAN的高层协议CANopen与DeviceNET的比较[J].现代电子技术，2007，(04).)，比如CANopen，DeviceNet，或者是基于特定应用领域的专用协议，如J1939标准(可参见刘永木，刘望生，李洪泽.SAE J1939标准下的汽车CAN通讯报文/帧格式[J].长春工业大学学报(自然科学版)，2003，(01).)。使用复杂通用型协议一般会使CAN总线应用设计开发的成本高，周期长；特定专用协议的应用又有非常大的局限性，应用程序代码包含了CAN总线非常具体的应用层信息定义，修改和移植非常不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种CAN总线系统及其中的应用层通讯方法，根据对CAN总线应用层设计在工业现场应用中需求出发，结合CAN总线数据链路层的特点，CAN总线通讯模式以及CAN节点寄存器模型提出了一套完整普适的CAN总线应用层通讯方案，简单实用，便于推广和移植，可以适合于很多使用CAN总线的工业自动化工艺设备上。

为了解决上述问题，本发明提供了一种控制器领域网络CAN总线系统中的应用层通讯方法，所述CAN总线系统包括CAN总线、若干个CAN节点；包括：

需要对其它CAN节点进行操作的CAN节点发送应用层消息给所述CAN总线，在应用层消息中携带发送者标识、接收者标识和用于表示所要进行的操作的功能信息，将本节点的标识作为发送者标识，将作为操作对象的CAN节点的标识作为接收者标识；

所述CAN总线根据所述应用层消息中携带的所述接收者标识将应用层消息传送给相应的CAN节点；

接收应用层消息的CAN节点根据应用层消息中携带的所述功能信息进行相应操作。

进一步地，发送应用层消息的CAN节点还在应用层消息中携带本应用层消息的通讯模式信息；所述通讯模式包括问答模式、广播模式和报告模式；

在问答模式和报告模式下，所述接收者标识为一个CAN节点的标识；在广播模式下，所述接收者标识为一组CAN节点的组标识或表示全组CAN节点的组标识；

在问答模式下，所述接收应用层消息的CAN节点进行相应操作是指读或写相应寄存器，并返回应用层消息给所述发送应用层消息的CAN节点，在所返回的应用层消息中携带发送者ID和接收者ID，将本节点的标识作为发送者标识，将所述发送应用层消息的CAN节点的标识作为接收者标识；

在广播模式下，所述接收应用层消息的CAN节点进行相应操作是指写相应寄存器；

在报告模式下，所述接收应用层消息的CAN节点进行相应操作是指保存所报告的寄存器的值。

进一步地，所述的应用层通讯方法还包括：

发送应用层消息的CAN节点在所述应用层消息中携带操作参数；所述操作参数包括所要读、写或报告的寄存器的地址，以及写入寄存器的数据或所报告的寄存器的值；

在问答模式下，所述接收应用层消息的CAN节点在所返回的应用层消息中携带操作参数，所述操作参数包括所读或所写的寄存器的地址，以及从寄存器中读取的值或写入寄存器中的数据。

进一步地，所述应用层消息由CAN数据帧承载；

所述发送应用层消息的CAN节点采用承载应用层消息的CAN数据帧的标识符仲裁子域的第十一位和第十位携带优先权信息，采用第九位携带所述通讯模式信息；如果为广播模式，则将所述标识符仲裁子域低8位置为0；如果为报告模式，则采用所述低8位携带发送者标识；如果为问答模式，则采用所述低8位携带接收者标识；采用承载应用层消息的CAN数据帧的数据子域的第二个字节携带功能信息，如果为问答模式，则采用所述数据子域的第一个字节携带发送者ID，如果为广播模式或报告模式，则采用所述第一个字节携带接收者ID；采用数据子域的其余字节携带所述操作参数；

所述接收应用层消息的CAN节点当接收到不止一个应用层消息时，根据所述应用层消息中携带的优先级信息，按照优先级从高到低的顺序，分别根据各所述应用层消息中携带的所述功能信息进行相应操作。

进一步地，所述的应用层通讯方法在问答模式下还包括：

所述接收应用层消息的CAN节点当操作失败时，在所返回的应用层消息中携带用于指示操作失败原因的错误信息；当接收的应用层消息中含有无法识别的功能信息时，在所返回的应用层消息中携带置为0的功能信息。

本发明还提供了一种CAN总线系统，包括CAN总线、若干个CAN节点；所述CAN节点用于当需要对其它CAN节点进行操作时，发送应用层消息给所述CAN总线，在所述应用层消息中携带发送者标识、接收者标识和用于表示所要进行的操作的功能信息，将本节点的标识作为发送者标识，将作为操作对象的CAN节点的标识作为接收者标识；以及当接收到所述应用层消息后，根据该应用层消息中携带的所述功能信息进行相应操作；

所述CAN总线用于根据所述应用层消息中携带的所述接收者标识将应用层消息传送给相应的CAN节点。

进一步地，所述CAN节点还用于在发送的应用层消息中携带本应用层消息的通讯模式信息；所述通讯模式包括问答模式、广播模式和报告模式；

所述CAN节点在所发送的应用层消息中携带的接收者标识在问答模式和报告模式下为一个CAN节点的标识，在广播模式下为一组CAN节点的组标识或表示全组CAN节点的组标识；

在问答模式下，所述CAN节点进行相应操作是指所述CAN节点读或写相应寄存器，并返回应用层消息，在所返回的应用层消息中携带发送者ID和接收者ID，将本节点的标识作为发送者标识，将发送本节点所接收的应用层消息的CAN节点的标识作为接收者标识；

在广播模式下，所述CAN节点进行相应操作是指所述CAN节点写相应寄存器；

在报告模式下，所述CAN节点进行相应操作是指所述CAN节点保存所报告的寄存器的值。

进一步地，所述CAN节点还用于在发送的应用层消息中携带操作参数；所述操作参数包括所要读、写或报告的寄存器的地址，以及写入寄存器的数据或所报告的寄存器的值；

在问答模式下，所述CAN节点在接收应用层消息后所返回的应用层消息中携带操作参数，所述操作参数包括所读或所写的寄存器的地址，以及从寄存器中读取的值或写入寄存器中的数据。

进一步地，所述CAN节点采用CAN数据帧承载所述应用层消息；采用所述CAN数据帧的标识符仲裁子域的第十一位和第十位携带优先权信息，采用第九位携带所述通讯模式信息；如果为广播模式，则将所述标识符仲裁子域低8位置为0；如果为报告模式，则采用所述低8位携带发送者标识；如果为问答模式，则采用所述低8位携带接收者标识；采用承载应用层消息的CAN数据帧的数据子域的第二个字节携带功能信息，如果为问答模式，则采用所述数据子域的第一个字节携带发送者ID，如果为广播模式或报告模式，则采用所述第一个字节携带接收者ID；采用数据子域的其余字节携带所述操作参数；

所述CAN节点还用于当接收到不止一个应用层消息时，根据所述应用层消息中携带的优先级信息，按照优先级从高到低的顺序，分别根据各所述应用层消息中携带的所述功能信息进行相应操作。

进一步地，在问答模式下，所述CAN节点还用于当操作失败时，在所返回的应用层消息中携带用于指示操作失败原因的错误信息；当接收的应用层消息中含有无法识别的功能信息时，在所返回的应用层消息中携带置为0的功能信息。

本发明的技术方案主要针对工业现场中广泛使用的主从式CAN总线拓扑结构，提出了一个完整的基于寄存器访问方式的一般性应用层通讯方案，易于推广和移植，适用性强。本发明的技术方案还给出了CAN总线应用层通讯的三种模式，分析了CAN节点信息交换寄存器模型，可以实现各CAN节点之间的点到点问答，点到点报告，点到单组广播，点到全组广播等通讯操作，并在基于DSP的系统级集成运动控制系统中得到了应用和验证。实验结果表明本通讯方案具有使用简明，调试监控方便等优点。

附图说明

图1是实施例一的CAN总线系统中的应用层通讯方法的流程图；

图2是CAN总线数据帧格式的示意图；

图3是CAN节点信息交换寄存器模型的示意图；

图4是实施例一中从站CAN节点消息处理的流程图；

图5是纺织集成运动控制系统的CAN总线网络；

图6是问答模式下主站与从站进行寄存器访问的CAN数据帧。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

本发明的提出基于以下考虑：

虽然CAN总线是一个多主式的总线，但现场总线的应用情况很多是一个主站加多个同样机型的从站的拓扑结构，主站用于完成参数设置，状态显示以及命令设置等操作；从站之间一般并不需要互相通讯。

而对任何一个通讯系统来说，通讯的内容从本质上来说，都是来自于其内部寄存器，本发明在抓取到这个共同特征后，根据该共同特征进行了设计，通过CAN总线这个中间联系，建立了不同CAN节点之间寄存器数据的相互通讯交互方法，实现数据的交换。并且结合了CAN总线的特点，提出了三种通讯模式：问答模式，广播模式，报告模式，以满足各种通讯需要。结合CAN总线1-8个数据位的特点，构造16位和32位寄存器数据的交互。

至于寄存器的物理意义，可以进一步具体应用中根据工艺需求定义。对通讯本身而言，只关心数据是否可以按需求交互，并不太关心寄存器的物理意义，或者说，寄存器的物理意义对通讯过程并没有实际影响。

实施例一，一种CAN总线系统中的应用层通讯方法，其中，所述CAN总线系统包括CAN总线、若干个CAN节点；各CAN节点之间通过所述CAN总线，根据CAN应用层协议收发应用层消息，以进行应用层通讯；下面将具体描述所述CAN应用层协议。

首先，CAN总线协议支持四种通讯帧：数据帧，远程帧，错误帧，以及超载帧。其中数据帧实现发送节点到接收节点的数据传递，本实施例中，所述CAN节点在进行应用层通讯时所收发的应用层消息可以使用CAN数据帧来承载，在实际应用时，也不排除用其它帧进行承载。数据帧的格式如图1所示。

CAN总线数据帧各子域为：

A：帧起始位子域

B：标识符仲裁子域(标准帧：12位；扩展帧：32位)

C：控制位(包括数据长度代码DLC)子域

D：8字节数据子域

E：CRC子域

F：应答子域

G：帧结束位子域

可以看出，CAN数据链路层具有如下两个特点：消息可以通过标识符子域来仲裁；协议数据单元(PDU)由0-8个字节的数据构成。因此，本实施例中的所述CAN总线应用层协议充分利用这两个特点：应用层信息协议具有优先级；每一条应用层信息协议中的数据应该是短数据，不超过8个字节，数据长度可具有灵活性，便于使用CAN数据帧来实现。

因此，如表1所示，本实施例中将CAN节点之间进行的CAN总线应用层通讯分为三种模式：问答模式(也可称为点到点模式)，广播模式以及报告模式。这三种模式基本上可以涵盖一般的通讯需求。

表1、CAN总线应用层通讯模式

通讯模式	参与节点间身份关系	备注
通讯模式	参与节点间身份关系	备注	问答模式	问者X(i)→答者X(j)答者X(j)→问者X(i)	i≠j
广播模式	播者X(i)→多个收者X(n)	n≠i	问答模式	问者X(i)→答者X(j)答者X(j)→问者X(i)	i≠j
广播模式	播者X(i)→多个收者X(n)	n≠i	报告模式	报者X(i)→单个管者X(j)	i≠j

其中：

问答模式实现一个CAN节点(问者)对另外一个CAN节点(答者)的交互数据访问，首先由问者发出数据访问应用层消息，答者根据问者的数据访问应用层消息做出回答。问者在预先约定的时间内收到答者反馈的应用层消息，则完成一次问答模式操作，否则认为超时，认为答者出现故障。在主从式网络拓扑结构中，所述CAN节点分为主CAN节点(主站)和从CAN节点(从站)，一般主站充当问者，从站充当答者。

广播模式实现一个CAN节点(播者)对另外多个CAN节点(收者)的统一应用层消息传递。每个CAN节点内置有一个参数寄存器用于设置本节点的组号。播者发出的应用层消息中含有组号数据，当组号为0时，表示对所有收者都有效的广播传递，当组号大于0时，只有组号相符的节点才处理广播信息。因此，广播模式又分为两种：全组广播，单组广播。在主从式网络拓扑结构中，一般主站充当播者，从站充当收者。

报告模式实现一个CAN节点(报者)对另外一个CAN节点(管者)的单向数据传递，用于报者报告心跳状态、故障状态、关键运行状态等重要状态信息。在主从式网络拓扑结构中，一般从站充当报者，主站充当管者。

本实施例中，各CAN节点如图2所示，可以执行操作的寄存器分为三类：状态寄存器，参数寄存器以及命令寄存器。

所述状态寄存器用于CAN节点运行状态的监视；所述参数寄存器用于CAN节点工作模式，工作参数等的监控；所述命令寄存器用于对CAN节点运行状态的控制和操作。这三类寄存器的属性如下表所示。

表2、CAN节点寄存器分类与属性

寄存器分类	寄存器属性
寄存器分类	寄存器属性	状态寄存器	只读寄存器
参数寄存器	读写寄存器	状态寄存器	只读寄存器
参数寄存器	读写寄存器	命令寄存器	只写寄存器

为了便于主CAN节点和从CAN节点之间进行数据交换，本实施例中对这三种不同类型的寄存器采用空间独立的寻址模式。

CAN总线是基于消息传递的通讯协议，因此应用层需要明确消息传递的四个基本要素：

消息的优先级信息；

消息的接收者ID(标识)信息；

消息的发送者ID；及

消息的功能信息。

即：每帧消息携带用于表示谁发送，谁接收，以及所要进行的操作和消息的优先级的信息。

在实际应用时，也可以出现不携带优先级别的信息的情况，比如按照消息产生的顺序、或预设的顺序进行处理。

本实施例的CAN总线系统中的应用层通讯方法如图1所示，包括：

需要对其它CAN节点进行操作的CAN节点发送应用层消息给所述CAN总线，在该应用层消息中携带发送者ID、接收者ID和用于表示所要进行的操作的功能信息，还可以进一步携带本应用层消息的优先级信息；将本节点的ID作为发送者ID，将作为操作对象的CAN节点的标识作为接收者ID。由于携带发送者ID，因此在应用层能够支持多主站操作。发送者ID和接收者ID可以但不限于为CAN节点的站号，也可以是其它能唯一表示一CAN节点的标识。

所述CAN总线根据所述应用层消息中携带的所述接收者ID将应用层消息传送给相应的CAN节点；

接收所述应用层消息的CAN节点根据所述应用层消息中携带的所述功能信息判断所要进行的操作，并相应进行操作；如果接收到不止一个应用层消息，并且所述应用层消息中携带了优先级信息，则根据该优先级信息，按照优先级从高到低的顺序，分别根据各所述应用层消息中携带的所述功能信息进行相应操作。

发送应用层消息的CAN节点还在应用层消息中携带本应用层消息的通讯模式信息。

在问答模式下，所述接收应用层消息的CAN节点进行相应操作是指读或写相应寄存器，并返回应用层消息给所述发送应用层消息的CAN节点，在所返回的应用层消息中携带发送者ID和接收者ID，将本节点的标识作为发送者标识，将所述发送应用层消息的CAN节点的标识作为接收者标识；在广播模式下，所述接收应用层消息的CAN节点进行相应操作是指写相应寄存器；在报告模式下，所述接收应用层消息的CAN节点进行相应操作是指保存所报告的寄存器的值。

在问答模式和报告模式下，接收者ID为一个CAN节点的ID；而在广播模式下，接收者ID可以为一组CAN节点的组ID(比如组号或其它能唯一表示一组CAN节点的标识)，也可以为表示全组CAN节点的组ID(比如一个特定的组ID值)。当广播模式为点到单组广播时，所述接收者ID为一组CAN节点的组ID；当广播模式为点到全组广播时，所述接收者ID为表示全组CAN节点的组ID。

在问答模式下，所述应用层通讯方法还包括：

所述接收应用层消息的CAN节点返回应用层消息给所述发送应用层消息的CAN节点，并在该应用层消息中携带发送者ID和接收者ID，将本节点的标识作为所述发送者标识，将所述发送应用层消息的CAN节点的标识作为所述接收者标识；当操作失败时，还可以进一步携带用于指示操作失败原因的错误信息。

本实施例中，发送应用层消息的CAN节点在承载应用层消息的CAN数据帧的标识符仲裁子域中携带本应用层消息的优先级信息和用于本应用层消息的通讯模式信息，当通讯模式为问答模式时，还携带接收者ID，当通讯模式为报告模式时，还携带发送者ID；另外，在该CAN数据帧的数据子域中携带功能信息，当通讯模式为问答模式时，还在所述数据子域中携带发送者ID，如果为广播模式或报告模式，则还在所述数据子域中携带接收者ID。当然，实际应用时并不限于采用上述方式实现，可以根据实际情况选择将哪些信息放在CAN数据帧的哪个子域里。

另外，本实施例中是专门携带了用于指示本应用层消息的通讯模式的信息，实际应用中也可以直接使用所述功能信息来指示本应用层消息所进行的通讯模式，比如功能信息指示本消息的功能为广播写参数寄存器，则说明本消息的通讯模式为广播模式；又比如功能信息指示本消息的功能是应答写命令寄存器，则说明本消息的通讯模式为问答模式；以此类推。

本实施例中，发送应用层消息的CAN节点在所述应用层消息中携带操作参数；所述操作参数包括所要读、写或报告的寄存器的地址，以及写入寄存器的数据或所报告的寄存器的值；在问答模式下，所述接收应用层消息的CAN节点在所返回的应用层消息中携带操作参数，所述操作参数包括所读或所写的寄存器的地址，以及从寄存器中读取的值或写入寄存器中的数据。

本实施例中，所述功能信息可以但不限于为预设的功能码，所述错误信息可以但不限于为预设的错误码；各CAN节点事先保存了各功能码/错误码所指代的含义，根据功能码即可了解所要进行的操作。

本实施例中，对于每一个从站CAN节点，分配有一个独立静止的站号。一个从站CAN节点进行消息处理的例子的流程图如图3所示，包括：

301、从站CAN节点接收CAN总线消息。

302、判断接收到的CAN总线发送的应用层消息的载体是否为CAN数据帧，如果是则进行步骤303，否则结束，等待下一次接收CAN总线发送的应用层消息时再从步骤301开始执行。

303、判断CAN数据帧所指示的通讯模式为问答模式还是广播/报告模式；如果为问答模式则进行步骤304，否则进行步骤313。

304、判断CAN数据帧中的接收者ID是否为本站CAN节点的ID，如果是则进行步骤305，否则结束，等待下一次接收CAN总线发送的应用层消息时再从步骤301开始执行。

305、判断CAN数据帧中的功能信息是否指示的是合法的功能(即功能信息可识别)，如果是则进行步骤306，否则进行步骤310。

306、判断CAN数据帧中的DLC是否正确，如果是则进行步骤307，否则进行步骤310。

307、判断CAN数据帧中携带的操作参数里的寄存器地址是否为合法的寄存器地址，如果是则进行步骤308，否则进行步骤310。

308、判断CAN数据帧中携带的操作参数里的寄存器数据是否为合法的寄存器数据，如果是则进行步骤309，否则进行步骤310；如果是操作参数不包含寄存器数据的情况，则可以省略本步骤，直接进行步骤309。

309、判断所述寄存器地址所指向的寄存器是否禁止访问，如果是则进行步骤310，否则进行步骤311。

310、进行寄存器问答访问异常数据处理，进行步骤312。

311、进行寄存器问答访问正常数据处理，进行步骤312。

312、发送CAN应答消息；结束，等待下一次接收CAN总线发送的应用层消息时再从步骤301开始执行。

313、判断是否为广播模式，如果是则进行步骤314；否则(说明为报告模式)结束，等待下一次接收CAN总线发送的应用层消息时再从步骤301开始执行。

314、判断CAN数据帧中的接收者ID是否为本站CAN节点的ID，如果是则进行步骤315，否则结束，等待下一次接收CAN总线发送的应用层消息时再从步骤301开始执行。

315、判断CAN数据帧中的功能信息是否指示的是合法的功能(即功能信息可识别)，如果是则进行步骤316，否则进行步骤320。

316、判断CAN数据帧中的DLC是否正确，如果是则进行步骤317，否则进行步骤320。

317、判断CAN数据帧中携带的操作参数里的寄存器地址是否为合法的寄存器地址，如果是则进行步骤318，否则进行步骤320。

318、判断CAN数据帧中携带的操作参数里的寄存器数据是否为合法的寄存器数据，如果是则进行步骤319，否则进行步骤320；如果是操作参数不包含寄存器数据的情况，则可以省略本步骤，直接进行步骤319。

319、判断所述寄存器地址所指向的寄存器是否禁止访问，如果是则进行步骤320，否则进行步骤321。

320、进行寄存器广播访问异常数据处理；结束，等待下一次接收CAN总线消息时再从步骤301开始执行。

321、进行寄存器广播访问正常数据处理；结束，等待下一次接收CAN总线消息时再从步骤301开始执行。

主站CAN节点接收CAN总线发送的应用层消息时的处理流程，以及通讯模式为报告模式时的处理流程可以根据上文类推，这里不再赘述。

下面将具体给出一个CAN节点之间所使用的CAN应用层协议的例子，需要注意的是，实际应用时的各消息的格式并不仅限于该例子中所给出的格式，各功能码所指代的功能、各错误码所指代的错误等也不限于该例，均可以根据实际情况设计。

为了兼容CAN2.0的标准帧格式和扩展帧格式，本实施例中的所述CAN应用层协议仅对标识符仲裁子域中的低11位的ID进行定义。所述发送应用层消息的CAN节点采用承载应用层消息的CAN数据帧的标识符仲裁子域的第十一位(D10)和第十位(D9)携带所述优先权信息，采用第九位(D8)携带所述通讯模式；如果为广播模式，则将所述标识符仲裁子域低8位(D7-D0)置为0；如果为报告模式，则采用所述低8位携带发送者标识；如果为问答模式，则采用所述低8位携带接收者标识；如下表所示。

表3、CAN总线消息标识符子域应用层格式

D10-D9	D8	D7-D0
D10-D9	D8	D7-D0	消息的优先权	0：广播/报告模式	0：广播模式。1-255：报告模式，同时是报告者的站号
	1：点到点模式	消息的接收者站号	消息的优先权	0：广播/报告模式	0：广播模式。1-255：报告模式，同时是报告者的站号

当然，实际应用时也不排除D8中用“1”代表广播/报告模式，用“0”代表点到点模式(即问答模式)。

消息的优先权信息用于对总线上的消息进行优先顺序分类控制。这个安排主要用于保证命令寄存器的访问优先级别较高，以及方便调试和测试。本实施例中的优先权信息的意义安排如下表，实际应用时可根据需要设计。

表4、CAN总线消息优先级别安排

D10	D9	优先权信息的意义
D10	D9	优先权信息的意义	1	1	主站和从站进行状态和参数信息交换
1	0	主站访问从站机命令寄存器	1	1	主站和从站进行状态和参数信息交换
1	0	主站访问从站机命令寄存器	0	1	超级调试设备访问从站状态和参数寄存器
0	0	超级调试设备访问从站命令寄存器	0	1	超级调试设备访问从站状态和参数寄存器

另外，数据子域的应用层消息格式安排如下表所示；所述发送应用层消息的CAN节点采用承载应用层消息的CAN数据帧的数据子域的第二个字节(Byte1)携带功能信息，如果为问答模式，则采用所述数据子域的第一个字节(Byte0)携带发送者ID，如果为广播模式或报告模式，则采用所述第一个字节携带接收者ID，采用其余字节携带所述操作参数和/或错误信息。

表5、数据子域的应用层消息格式

本例子中，根据CAN总线的通讯模式，问答模式，广播模式和报告模式下的各类消息分别设计如下。

(一)问答模式下的CAN总线应用层消息的格式。

(1)非法功能请求的CAN总线应答操作消息

当问者发出的消息中含有答者不支持的功能码(相当于答者无法理解问者的意图)时，答者回复的消息统一为：功能码为00。

(答者)应答非法功能请求的的消息码格式(DLC＞＝2)

(2)读16位状态寄存器的CAN总线操作消息

(问者)读16位状态寄存器的消息码格式(DLC＞＝4)

(答者)正常应答读16位状态寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(答者)异常应答读16位状态寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(3)读连续2个16位状态寄存器的CAN总线操作消息

(问者)读连续2个16位状态寄存器的消息码格式(DLC＞＝4)

(答者)正常应答读连续2个16位状态寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(答者)异常应答读连续2个16位状态寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(4)读16位参数寄存器的CAN总线操作消息

(问者)读16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝4)

(答者)正常应答读16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(答者)异常应答读16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(5)读连续2个16位参数寄存器的CAN总线操作消息

(问者)读连续2个16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝4)

(答者)正常应答读连续2个16位参数寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(答者)异常应答读连续2个16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(6)写16位参数寄存器的CAN总线操作消息

(问者)写16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(答者)正常应答写16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(答者)异常应答写16位参数寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(7)写连续2个16位参数寄存器的CAN总线操作消息

(问者)写连续2个16位参数寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(答者)正常应答写连续2个16位参数寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(答者)异常应答写连续2个16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(8)写16位命令寄存器的CAN总线操作消息

(问者)写16位命令寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(答者)正常应答写16位命令寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(答者)异常应答写16位命令寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(9)写连续2个16位命令寄存器的CAN总线操作消息

(问者)写连续2个16位命令寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(答者)正常应答写连续2个16位命令寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(答者)异常应答写连续2个16位命令寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(二)广播模式下的CAN总线应用层消息的格式。

为了使接受广播消息的节点能够有效地处理，规定广播消息的连续发送必须有一个最小的时间间隔，本例子中该值规定为10ms。

接收节点只处理合法的功能码及相应的寄存器。如果接收节点发现广播消息中用到了未定义(非法)的功能码以及未定义(非法)的寄存器地址，接收节点不做任何处理。这种非法情况的避免由广播者通过合理的编程和调试来负责。

本例子中，每个CAN总线节点拥有一个参数寄存器用来表示自己属于哪一个工作组，该参数的合理范围为：1-255，表示该节点被分配为第n组，当接收到广播消息时，如果接收到消息的组号为0，表示所有节点都处理该广播消息；否则，只有组号相符的那些节点才处理该广播消息。

(播者)广播写16位参数寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(播者)广播写2个16位参数寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(播者)广播写16位命令寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(播者)广播写2个16位命令寄存器的消息码格式(DLC＝8)

(三)报告模式下的CAN总线应用层消息的格式。

本例子中，一般情况下接收者ID＝0，表示报告给缺省主站。实际应用时可以根据需要设计不同接收者ID所代表的CAN站点。

(报者)报告16位状态寄存器的消息码格式(DLC＞＝6)

(报者)报告2个连续16位状态寄存器的消息码格式(DLC＝8)

以上消息码格式中，除了应答非法功能请求的消息码、以及报告模式下的消息码的优先级信息被定义为11以外，其它消息码的优先级信息可根据实际需求确定。

本例子中的CAN总线应用层通讯协议在如图4所示的纺织用系统级集成运动控制系统中得到了应用和验证。其中主站为采用TMS320F2812DSP的中央控制模块电路，从站为采用TMS320F2808DSP的运动控制模块(spru074e-TMS320x28xx，28xxx Enhanced Controller Area Network(eCAN)Reference Guide)。中央控制模块通过使用Modbus协议的RS232端口和触摸屏TPC通讯，实现状态显示，参数设置等操作意图；使用以太网和USB接口实现远程和本地的数据交换。

每个从站CAN节点分配有一个全接收信箱；2个发送信箱，其中一个用于问答模式，一个用于报告模式。如图所示，为采用50Kbps波特率情况下的CAN总线示波器监测结果：主站CAN节点发出读16位状态寄存器数据信息，从站CAN节点收到数据后根据协议回复相应状态寄存器数据。目前，应用本文提出的基于寄存器访问的应用层协议，图所示的系统中主站CAN节点已可以完全实现对从站CAN节点的状态观测，参数修改以及运行状态的控制。

实施例二，一种CAN总线系统，包括CAN总线、若干个CAN节点；

所述CAN节点用于当需要对其它CAN节点进行操作时，发送应用层消息给所述CAN总线，在所述应用层消息中携带发送者标识、接收者标识和用于表示所要进行的操作的功能信息，将本节点的标识作为发送者标识，将作为操作对象的CAN节点的标识作为接收者标识；以及当接收到所述应用层消息后，根据该应用层消息中携带的所述功能信息进行相应操作；

本实施例中，所述CAN节点还用于在发送的应用层消息中携带本应用层消息的通讯模式信息；所述通讯模式包括问答模式、广播模式和报告模式；

本实施例中，所述CAN节点还用于在发送的应用层消息中携带操作参数；所述操作参数包括所要读、写或报告的寄存器的地址，以及写入寄存器的数据或所报告的寄存器的值；

本实施例中，所述CAN节点采用CAN数据帧承载所述应用层消息；采用所述CAN数据帧的标识符仲裁子域的第十一位和第十位携带优先权信息，采用第九位携带所述通讯模式信息；如果为广播模式，则将所述标识符仲裁子域低8位置为0；如果为报告模式，则采用所述低8位携带发送者标识；如果为问答模式，则采用所述低8位携带接收者标识；采用承载应用层消息的CAN数据帧的数据子域的第二个字节携带功能信息，如果为问答模式，则采用所述数据子域的第一个字节携带发送者ID，如果为广播模式或报告模式，则采用所述第一个字节携带接收者ID；采用数据子域的其余字节携带所述操作参数；

本实施例中，在问答模式下，所述CAN节点还用于当操作失败时，在所返回的应用层消息中携带用于指示操作失败原因的错误信息；当接收的应用层消息中含有无法识别的功能信息时，在所返回的应用层消息中携带置为0的功能信息。

其它实施细节可以同实施例一中所述。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims

1、一种控制器领域网络CAN总线系统中的应用层通讯方法，所述CAN总线系统包括CAN总线、若干个CAN节点；其特征在于，包括：

2、如权利要求1所述的应用层通讯方法，其特征在于：

发送应用层消息的CAN节点还在应用层消息中携带本应用层消息的通讯模式信息；所述通讯模式包括问答模式、广播模式和报告模式；

3、如权利要求2所述的应用层通讯方法，其特征在于，还包括：

4、如权利要求3所述的应用层通讯方法，其特征在于：

所述应用层消息由CAN数据帧承载；

5、如权利要求1到4中任一项所述的应用层通讯方法，其特征在于，在问答模式下还包括：

6、一种CAN总线系统，包括CAN总线、若干个CAN节点；其特征在于：

7、如权利要求6所述的CAN总线系统，其特征在于：

所述CAN节点还用于在发送的应用层消息中携带本应用层消息的通讯模式信息；所述通讯模式包括问答模式、广播模式和报告模式；

8、如权利要求7所述的CAN总线系统，其特征在于：

所述CAN节点还用于在发送的应用层消息中携带操作参数；所述操作参数包括所要读、写或报告的寄存器的地址，以及写入寄存器的数据或所报告的寄存器的值；

9、如权利要求8所述的CAN总线系统，其特征在于：

所述CAN节点采用CAN数据帧承载所述应用层消息；采用所述CAN数据帧的标识符仲裁子域的第十一位和第十位携带优先权信息，采用第九位携带所述通讯模式信息；如果为广播模式，则将所述标识符仲裁子域低8位置为0；如果为报告模式，则采用所述低8位携带发送者标识；如果为问答模式，则采用所述低8位携带接收者标识；采用承载应用层消息的CAN数据帧的数据子域的第二个字节携带功能信息，如果为问答模式，则采用所述数据子域的第一个字节携带发送者ID，如果为广播模式或报告模式，则采用所述第一个字节携带接收者ID；采用数据子域的其余字节携带所述操作参数；

10、如权利要求6到9中任一项所述的CAN总线系统，其特征在于：

在问答模式下，所述CAN节点还用于当操作失败时，在所返回的应用层消息中携带用于指示操作失败原因的错误信息；当接收的应用层消息中含有无法识别的功能信息时，在所返回的应用层消息中携带置为0的功能信息。