CN102255800B - Can总线上ip数据包和can消息之间数据格式相互转换的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法，其步骤为：（1）CAN接口虚拟化：在系统中注册CAN设备时，按照注册以太网接口的标准格式注册，在定义输入输出接口模块时，使用自定义的IPoverCAN处理接口与网络层和CAN设备交互；（2）发送IP报文和接收CAN消息：发送IP报文时，通过调用以太网接口使用的Socket接口，经系统逐层调用后调用至IPoverCAN模块；在接收CAN消息时，来自于同一个源地址的CAN消息放入同一个IP包缓冲区，直到组装成完整的IP包交付给上层。本发明通过将CAN设备抽象为以太网接口，简化了硬件结构，扩大了其适应范围，还能使上层应用更为广泛从而便于上层处理数据和应用编程。

Description

CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法
技术领域
本发明主要涉及到卫星通信领域，特指一种用于完成卫星载荷间CAN总线上的IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法。
背景技术
CAN的全称为“Controller Area Network”（即控制器局域网），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，而且能够检出产生的任何错误，所以被认为是最有发展前途的现场总线之一。目前，除了应用于汽车电子领域中，CAN-bus总线现还被广泛应用于工业现场控制、电力通讯、小区安防、环境监控、航天航海等众多领域中。
现有的CAN总线组网解决方案主要是：CAN总线上连接多个CAN设备，主控端通过CAN转以太网的网关连接到CAN总线上，采集CAN网络中的数据，或通过CAN网关发送特定的CAN控制消息到指定CAN设备，以完成数据采集、状态控制等功能。
现有方案存在的问题主要有：CAN网关和CAN转以太网设备均为硬件实现，尽管在一般场合工作良好，但对于微型应用和太空环境等要求严格的场合，因其占有一定的体积和重量而造成发射成本、功耗和体积的增加，很难满足需求。而全部采用CAN消息帧通信，又给数据处理和应用层编程带来了诸多不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种通过将CAN设备抽象为以太网接口，简化了硬件结构、扩大其适应范围、还能使上层应用更为广泛从而便于上层处理数据和应用编程的CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法，其特征在于，步骤为：
（1）CAN接口虚拟化：在系统中注册CAN设备时，按照注册以太网接口的标准格式注册，在定义输入输出接口模块时，使用自定义的IPoverCAN处理接口与网络层和CAN设备交互；IPoverCAN处理接口用来接收网络层发送的IP报文，经处理后发送至CAN总线；处理CAN总线上接收的CAN消息时，重组为IP报文交给网络层应用；
（2）发送IP报文和接收CAN消息：
发送IP报文时，通过调用以太网接口使用的Socket接口，经系统逐层调用后调用至IPoverCAN模块的发送模块，经分割模块处理后转换成CAN消息帧，然后再调用CAN驱动直接发送至CAN总线。
在接收CAN消息时，通过判断IPoCCtrl字段是否大于零，可以得知是否为IP包分割得来；如果是，则读取CAN消息源地址，再判断是起始、中间还是最后一个CAN消息；来自于同一个源地址的CAN消息放入同一个IP包缓冲区，直到组装成完整的IP包交付给上层；如果等于零，则为发向CAN设备的普通CAN消息处理。
作为本发明的进一步改进：
所述方法中所使用CAN帧格式的描述如下：
（1）将CAN帧第一字节尚未使用的第5-6位定义为IPoCCtrl字段；IPoCCtrl为1时表示此CAN消息为IP包所分割的第一个CAN消息，为2时表示为IP包所分割的中间的CAN消息，为3时表示IP包所分割的最后一个CAN消息；而当IPoCCtrl为0时，即表示此CAN消息非IP包分割得来，按照普通CAN消息处理；
（2）将CAN帧第2-3字节定义为目的CAN设备地址编号字段，第4-5字节定义为源CAN设备地址编号字段。
所述 IP包的分割流程为：
首先，发送端根据待发送IP包的目的IP地址查找对应的CAN设备地址，填充在CAN消息的识别码字段；将整个IP包分割成8字节一段的CAN消息载荷，同时根据需要填充IPoCCtrl字段和DLC字段；
IPoCCtrl字段填充规则是：将分割的第一个CAN消息的IPoCCtrl字段置为1，其余的CAN消息IPoCCtrl字段置为2，最后一个CAN消息的IPoCCtrl字段置为3；
DLC字段填充规则是：除最后一个CAN消息按照总长度减去之前所有CAN消息数据长度之和外，其余CAN消息长度均为8；
最后依次将分割和封装好的CAN消息发送至CAN设备发送缓冲区，由CAN驱动依次发送至CAN总线上。
所述CAN消息组装流程为：
CAN设备接收到CAN消息后，通过IPoCCtrl字段可以得知是否为IP包分割得来；如果大于零，则读取CAN消息源地址，再判断是起始（IPoCCtrl=1）、中间（IPoCCtrl=2）、还是最后一个（IPoCCtrl=3）CAN消息；来自于同一个源地址的CAN消息放入同一个IP包缓冲区，直到组装成完整的IP包交付给上层；
IPoverCAN接口开始时处于wait状态，接收到IPoCCtrl=1的CAN消息时，说明已经收到来自于CAN消息源CAN设备的IP报文，应进入rcv状态继续等待接收；rcv状态下，继续接收IPoCCtrl=2的CAN消息时仍处于rcv状态，直到接收到IPoCCtrl=3的结束CAN消息，从而进入结束状态，完成了一个IP报文的组装。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）采用本发明的方法后，摆脱了硬件的依赖，进而也避开了采用硬件实现时体积和质量的限制；
（2）本发明采用分层结构，具有较好的可重用性；
（3）本发明中，抽象为广泛应用的以太网接口，极大的方便了上层应用的开发。
附图说明
图1是本发明方法中所使用的CAN帧格式；
图2是本发明中发送IP报文时的处理流程示意图； 
图3是本发明中分割模块分割IP报文的示意图；
图4是本发明中接收CAN消息时的处理流程图； 
图5是本发明中组装模块组装IP报文的示意图；
图6是本发明中重组模块接收CAN消息时的状态转换图；
图7是本发明中多路缓冲区的示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，为本发明方法中所使用的CAN帧格式。其中FF字段为帧格式标志位，此处置1；RTR字段标识帧类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧，DLC表示在帧类型为数据帧时的实际数据长度。其基础为CAN2.0B 扩展帧，具体修改描述如下：
（1）将CAN帧第一字节尚未使用的第5-6位定义为IPoCCtrl字段。IPoCCtrl为1时表示此CAN消息为IP包所分割的第一个CAN消息，为2时表示为IP包所分割的中间的CAN消息，为3时表示IP包所分割的最后一个CAN消息。而当IPoCCtrl为0时，即表示此CAN消息非IP包分割得来，按照普通CAN消息处理。
（2）将CAN帧第2-3字节定义为目的CAN设备地址编号字段，第4-5字节定义为源CAN设备地址编号字段。
本发明的CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法，其步骤为：
（1）CAN接口虚拟化：在系统中注册CAN设备时，按照注册以太网接口的标准格式注册，在定义输入输出接口模块时，使用自定义的IPoverCAN处理接口与网络层和CAN设备交互；IPoverCAN处理接口用来接收网络层发送的IP报文，经处理后发送至CAN总线；处理CAN总线上接收的CAN消息时，重组为IP报文交给网络层应用。
IPoverCAN的接口具有MAC地址、IP地址等参数，其中MAC地址即为CAN设备地址，而IP地址等其余参数需要全网统一规划，并需要将IP地址和CAN设备地址之间的对应关系记录保存。
（2）发送IP报文和接收CAN消息：
发送IP报文时，通过调用以太网接口使用的Socket接口，经系统逐层调用后调用至IPoverCAN模块的发送模块，经分割模块处理后转换成CAN消息帧，然后再调用CAN驱动直接发送至CAN总线。
在接收CAN消息时，通过判断IPoCCtrl字段是否大于零，可以得知是否为IP包分割得来；如果是，则读取CAN消息源地址，再判断是起始、中间还是最后一个CAN消息；来自于同一个源地址的CAN消息放入同一个IP包缓冲区，直到组装成完整的IP包交付给上层；如果等于零，则为发向CAN设备的普通CAN消息处理。
参见图2和图3所示，本发明方法中IP包的分割流程为：
首先，发送端根据待发送IP包的目的IP地址查找对应的CAN设备地址，填充在CAN消息的识别码字段；将整个IP包分割成8字节一段的CAN消息载荷，同时根据需要填充IPoCCtrl字段和DLC字段。
IPoCCtrl字段填充规则是：将分割的第一个CAN消息的IPoCCtrl字段置为1，其余的CAN消息IPoCCtrl字段置为2，最后一个CAN消息的IPoCCtrl字段置为3。
DLC字段填充规则是：除最后一个CAN消息按照总长度减去之前所有CAN消息数据长度之和外，其余CAN消息长度均为8。
最后依次将分割和封装好的CAN消息发送至CAN设备发送缓冲区，由CAN驱动依次发送至CAN总线上。
需要说明的是，由于CAN总线没有以太网最小报文长度的限制，因此短报文无需做长度填充。
其中IPoverCAN_Send()表示供系统调用的设备发送模块，segment()表示IP报文分割模块，send_segment_buff_by_can()表示依次发送分割IP报文得到的CAN消息的模块，can_write()表示CAN驱动向CAN总线上发送数据的模块。
参见图4和图5所示，本发明方法中CAN消息组装流程为：
CAN设备接收到CAN消息后，通过IPoCCtrl字段可以得知是否为IP包分割得来。如果大于零，则读取CAN消息源地址，再判断是起始（IPoCCtrl=1）、中间（IPoCCtrl=2）还是最后一个（IPoCCtrl=3）CAN消息。来自于同一个源地址的CAN消息放入同一个IP包缓冲区，直到组装成完整的IP包交付给上层。
其中can_read()表示CAN驱动从CAN总线上接收CAN消息的模块，rcv_segment_buff_by_can()表示将CAN消息分类的模块，assemble()表示将待重组CAN消息的载荷放入IP报文缓冲区并重组为IP报文，IPoverCAN_Rcv()表示供系统调用的接收IP报文的模块。
对于接收的CAN消息，读取其IPoCCtrl字段，组装模块处理IPoCCtrl字段值的状态机，如图6所示。IPoverCAN接口开始时处于wait状态，接收到IPoCCtrl=1的CAN消息时，说明已经收到来自于CAN消息源CAN设备的IP报文，应进入rcv状态继续等待接收。rcv状态下，继续接收IPoCCtrl=2的CAN消息时仍处于rcv状态，直到接收到IPoCCtrl=3的结束CAN消息，从而进入结束状态，完成了一个IP报文的组装。0、1、2、3等数字表示接收到IPoCCtrl字段值分别为0、1、2、3时的状态转换关系。
进一步，对于卫星载荷和微型应用来说，可以将IP地址和CAN设备地址之间的对应关系事先保存在系统中。
进一步，当接收到不同源地址的CAN消息时，需要使用多路缓冲技术。每当接收一个新的CAN消息时，先判定IPoCCtrl字段是否大于零，如果是则将来自于同一个源地址的CAN消息载荷放入同一个IP报文缓冲区，否则新开辟一个缓冲区。这里有一个假定，即发送端发送IP报文时，底层CAN设备只有发送完一个IP报文且按顺序发送IP报文分片，才会发送另外的IP报文。根据CAN总线的特性，此假定能够成立。如图7所示，是多路缓冲区的示意图。依次接收到的CAN消息，通过判断其源地址确定其要放置的缓冲区，通过IPoCCtrl字段确定是新分配缓冲区、存往原有缓冲区还是可以将特定缓冲区所有数据重组成IP报文。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法，其特征在于，步骤为：
（1）CAN接口虚拟化：在系统中注册CAN设备时，按照注册以太网接口的标准格式注册，在定义输入输出接口模块时，使用自定义的IPoverCAN处理接口与网络层和CAN设备交互；IPoverCAN处理接口用来接收网络层发送的IP数据包，经处理后发送至CAN总线；处理CAN总线上接收的CAN消息时，重组为IP数据包交给网络层应用；
（2）发送IP数据包和接收CAN消息：
发送IP数据包时，通过调用以太网接口使用的Socket接口，经系统逐层调用后调用至IPoverCAN模块的发送模块，经分割模块处理后转换成CAN消息，然后再调用CAN驱动直接发送至CAN总线；
在接收CAN消息时，通过判断IPoCCtrl字段是否大于零，可以得知是否为IP数据包分割得来；如果是，则读取CAN消息源地址，再判断是起始、中间还是最后一个CAN消息；来自于同一个源地址的CAN消息放入同一个IP数据包缓冲区，直到组装成完整的IP数据包交付给上层；如果等于零，则作为发向CAN设备的普通CAN消息处理。
2.根据权利要求1所述的CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法，其特征在于，所述方法中所使用CAN消息格式的描述如下：
（1）将CAN消息第一字节尚未使用的第5-6位定义为IPoCCtrl字段；IPoCCtrl为1时表示此CAN消息为IP数据包所分割的第一个CAN消息，为2时表示为IP数据包所分割的中间的CAN消息，为3时表示IP数据包所分割的最后一个CAN消息；而当IPoCCtrl为0时，即表示此CAN消息非IP数据包分割得来，按照普通CAN消息处理；
（2）将CAN消息第2-3字节定义为目的CAN设备地址编号字段，第4-5字节定义为源CAN设备地址编号字段。
3.根据权利要求2所述的CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法，其特征在于，所述 IP数据包的分割流程为：
首先，发送端根据待发送IP数据包的目的IP地址查找对应的CAN设备地址，填充在CAN消息的识别码字段；将整个IP数据包分割成8字节一段的CAN消息载荷，同时根据需要填充IPoCCtrl字段和DLC字段；
IPoCCtrl字段填充规则是：将分割的第一个CAN消息的IPoCCtrl字段置为1，其余的CAN消息IPoCCtrl字段置为2，最后一个CAN消息的IPoCCtrl字段置为3；
DLC字段填充规则是：除最后一个CAN消息按照总长度减去之前所有CAN消息数据长度之和外，其余CAN消息长度均为8；
最后依次将分割和封装好的CAN消息发送至CAN设备发送缓冲区，由CAN驱动依次发送至CAN总线上。
4.根据权利要求2所述的CAN总线上IP数据包和CAN消息之间数据格式相互转换的方法，其特征在于，所述CAN消息组装流程为：
CAN设备接收到CAN消息后，通过IPoCCtrl字段可以得知是否为IP数据包分割得来；如果大于零，则读取CAN消息源地址，再判断是起始IPoCCtrl=1、中间IPoCCtrl=2、还是最后一个IPoCCtrl=3的CAN消息；来自于同一个源地址的CAN消息放入同一个IP数据包缓冲区，直到组装成完整的IP数据包交付给上层；
IPoverCAN接口开始时处于wait状态，接收到IPoCCtrl=1的CAN消息时，说明已经收到来自于CAN消息源CAN设备的IP数据包，应进入rcv状态继续等待接收；rcv状态下，继续接收IPoCCtrl=2的CAN消息时仍处于rcv状态，直到接收到IPoCCtrl=3的结束CAN消息，从而进入结束状态，完成了一个IP数据包的组装。
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