CN103259686A - 基于离散错误事件的can总线网络故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散错误事件的CAN总线网络故障诊断方法。诊断方法通过以下方式实现：暂态性连接故障由上位机控制注入配置好的在环通信网络系统，总线状态循环监测子系统通过识别CAN总线上的错误事件触发已初始化的板卡采集CAN总线网络数据链路层数据和物理层模拟波形数据，数据校核与整合，错误事件信息存储操作步骤完成。本发明挖掘出工业实际出现频率高却发现和解决难度大的暂态性连接故障对CAN总线网络系统的作用机制，有效实现暂态性连接故障的在线监测和捕获，为后期CAN总线网络故障诊断奠定良好的数据基础。

Description

基于离散错误事件的CAN总线网络故障诊断方法

技术领域

本发明涉及网络故障诊断方法，尤其是涉及一种基于离散错误事件的CAN总线网络故障诊断方法。

背景技术

现场总线技术，是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸。控制器局域网（ControlArea Network，CAN）总线是国际上应用最广泛地现场总线之一。它广泛地应用于车载电子微控制器通讯、工业网络自动化控制、重要电力系统和安防监控等诸多领域。

随着分布式网络系统架构复杂性不断增加，实际的产业化网络在通信过程中容易出现设备老化、关联点动作强度大以及作业环境强电磁辐射等诸多干扰因素，进而给CAN总线网络通信和产品质量带来影响，严重时可以引发工业生产线的系统级瘫痪甚至威胁人身安全。另一方面，由于悬挂在CAN总线上的各网络节点之间通过数据访问和共享等方式实现彼此交互，有故障的网络节点可能借助这种交互作用致使其他正常的网络节点先脱离总线，使故障的准确识别成为一大挑战。因此，需要一套合理的CAN总线网络故障诊断方法，有效监控CAN总线的运行状态和识别故障。

现有研究主要关注CAN总线网络的可靠性参数和影响控制网、设备网及以太网等网络传输性能的因素，较少研究针对CAN网络的运行状态作实时监控和故障的早期预警。从实际生产角度看，一旦有设备脱离CAN总线，那么直接更换设备往往是最常用的做法，很少能诊断出真正的故障源所在。目前，对CAN总线网络的诊断，大部分是根据网络拓扑结构搭建数据流模型，再运用Petri网、马尔科夫链、极大似然估计及因果分析等算法以统计概率的方式对故障作出诊断，藉此设计嵌入设备状态观测器或具备触发预警与自修复功能的CAN总线网络系统。基于诊断过程的高效性，诊断结果的准确性和可靠性，及诊断方法的适用性和鲁棒性，提出一种数据驱动的CAN总线网络故障诊断方法，通过找出故障发生时CAN总线上的所有错误事件之间的内在关系，分析故障对网络节点的作用机制和各网络节点之间的交互关系，实现对故障的有效诊断。

发明内容

本发明的目的在于提供基于发生频率较高的暂态性连接故障而搭建的一种基于离散错误事件的CAN总线网络故障诊断方法，通过该方法能够正确有效地采集暂态性连接故障导致的CAN总线网络上的离散错误事件，为后期CAN总线网络质量监控和故障诊断奠定基础。

本发明采用的技术方案是：

所述诊断方法通过以下方式实现：暂态性连接故障由上位机控制注入配置好的在环通信网络系统，总线状态循环监测子系统通过识别CAN总线上的错误事件触发已初始化的板卡采集CAN总线网络数据链路层数据和物理层模拟波形数据，数据校核与整合，错误事件信息存储操作步骤完成。

该方法的具体步骤如下：

步骤1.初始化通信网络系统及板卡初始化：分配扫描器和各网络节点的地址映射，设定一主多从的轮询通信模式，根据实际需求设置网络通信速率为VKb/s，设置板卡采样参数，实现板卡初始化；

步骤2.暂态性连接故障注入：步骤1所述的通信网络系统，任何两次暂态性连接故障的发生时间间隔ΔT服从公式（1）给定的分布：

$P(\mathrm{\ΔT}=k)=\frac{e^{-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\μ}}^k}{k!}---\left(1\right)$

其中，μ是暂态性连接故障发生时间间隔分布的平均值，通过分布概率P反算求得的k值作为ΔT的量化值；此过程在Compact-RIO控制器RT平台上实现，通过Compact-RIO插槽内的数字I/O口输出+5V高电平给由触发器和高速模拟开关构成的芯片，进而控制网络节点与CAN总线的随机间歇性开断；

步骤3.总线状态循环监测：步骤2中所述暂态性连接故障注入通信网络系统之后，CAN总线上的网络节点会因为数据包的丢失而往CAN总线上输出含6个连续显性位的错误帧，以此构成CAN总线出现错误事件的识别条件；设置Compact-RIO工作在FPGA模式下进行高速采样，考虑位流信号沿的触发和FPGA编译精度，则在fus的采样周期下，每个数据位采样

次；根据CAN错误机制，若检测到CAN总线上连续的显性位数大于等于6，即采样计数大于等于

时，Compact-RIO通过数字I/0口输出高电平作为触发信号用于触发采集错误事件信息；同时，继续监测直至CAN总线出现下降沿，一旦该下降沿被识别则立即复位触发信号为低电平，来实现单次触发采集的总线状态监测全过程；

步骤4.触发采集数据：包括数据链路层数据和物理层模拟波形数据，数据链路层数据记录着步骤2所述暂态性连接故障引发的CAN总线上错误事件发生的时间戳信息，根据Compact-RIO固有时钟得到；采集物理层模拟波形数据时，初始化后的板卡的触发通道循环检测步骤3中所述的触发信号，一旦该触发信号出现上跳沿，板卡就开始多通道采样，将触发信号和CAN总线差分电平信号分别采集到板卡的多路通道中，再按照二进制格式和浮点精度进行融合并存储到板卡内存中；

步骤5.数据校核与整合：按照步骤4，数据链路层数据是基于Compact-RIO记录的离散型数据，而物理层模拟波形数据是板卡基于步骤3所述触发信号上跳沿触发采集得到的；对两者的错误事件数目分别统计，若数据链路层数据和物理层模拟波形数据计算的错误事件数目一致，则说明校核成功，否则，通过调整硬件设置增大采样精度或更进软件程序的方法重复性校核；系统产生的所有错误事件的总和在时间轴上构成一个有时间顺序的序列，并按照连续6位及以上显性位的格式顺序存储在物理层模拟波形数据中，由此，利用软件程序顺序查找将任何一个错误事件定位到链路层数据中与之对应的那条记录，以此得到该错误事件发生的相对时间戳，接下来在物理层模拟波形数据中根据该错误事件的位置提取得到错误帧的长度、错误帧来源信息，所有这些错误事件信息综合在一起便实现了链路层数据记录和物理层模拟波形数据的准确整合；

步骤6.错误事件信息存储：步骤5所述错误事件信息传输到本地硬盘进行存储，供后期网络诊断分析。

本发明具有的有益效果是：

本发明挖掘出工业实际出现频率高却发现和解决难度大的暂态性连接故障对CAN总线网络系统的作用机制，有效实现暂态性连接故障的在线监测和捕获，为后期CAN总线网络故障诊断奠定良好的数据基础。

附图说明

图1是CAN总线网络故障诊断框架。

图2是CAN总线网络故障诊断操作全流程。

图3是暂态性连接控制数据传输路线。

图4是CAN总线状态循环监测原理。

图5是物理层模拟波形数据采集流程。

图6是数据校核与整合原理。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种基于离散错误事件的CAN总线网络故障诊断方法，其CAN总线网络故障诊断框架如图1所示：通信网络系统由PLC和节点A至节点N共N个网络节点构成，上位机的指令信号下达至C-RIO控制器，通过线路连接开断控制芯片控制节点A与CAN总线随机间歇性开断；另一C-RIO控制器循环监测CAN总线上的电平，只要识别出总线上的错误信号，立即输出触发电平触发采集卡对CAN总线信号进行采样。该流程化的步骤具体如下：

步骤1.通信网络系统初始化配置及板卡初始化：网络系统上电后，分配设备网扫描器SDN与各网络节点的地址映射及各网络节点之间的主从关系；设定一主多从的轮询通信模式，即PLC根据拓扑结构依次向网络从节点发出访问请求，网络从节点对此依次向PLC做出数据回复；根据实际需要设置网络通信速率，如500Kb/s；设置板卡采样参数，实现板卡初始化。

步骤2.暂态性连接故障注入：两次相邻故障之间的时间间隔在统计上意义上是表征CAN总线网络受故障干扰程度高低的重要指标，为此，将故障发生的时间间隔作为参变量通过上位机来控制。泊松分布能较好地模拟工业现场随机间歇性发生的暂态性连接问题，设定每两次暂态性连接的时间间隔ΔT服从(1)式中的泊松分布：

$P(\mathrm{\ΔT}=k)=\frac{e^{-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\μ}}^k}{k!}---\left(1\right)$

其中，P为随机产生的概率值；μ是断开间隔时间的平均值；ΔT是开关间隔性断开的随机时间值，在数值上用泊松分布的离散随机变量k来量化，并通过PC机控制Compact-RIO控制器随机产生。图3描绘了暂态性连接控制数据的传输路线：NI Compact RIO开发平台分为RT层和FPGA接口输出两部分，上位机程序向RT层发布指令产生随机数k作为故障发生的时间间隔，然后传输到下层的FPGA层，并由I/O接口作逻辑信号输出至由触发器和高速模拟开关组成的线路连接开断控制芯片，进而控制同该芯片相连的网络节点与CAN总线保持随机间歇性开断。网络节点与CAN总线每次断开的时长维持在1～3个数据位的时间尺度。

步骤3.总线状态循环监测：暂态性连接故障注入通信网络系统之后，CAN总线上的网络节点会因为数据包的丢失而根据CAN协议规定往CAN总线上输出含6个连续显性位的错误帧，而错误帧实则构成区别CAN总线正常运行与否的识别条件。因此，通过实时监测总线逻辑电平信号，只要识别错误帧的产生即给出错误提示信号。如果步骤1中设置的总线通信速率为VKb/s，则每个数据位的时间长度为

μs。设置Compact-RIO工作在FPGA模式下进行高速采样，考虑位流信号沿的触发和FPGA编译精度，如果要求采样周期为fus，则每数据位采样

次。根据CAN错误机制，若检测到连续的逻辑低电平位数大于等于6，即采样计数大于等于

时，Compact-RIO将会通过数字I/0口输出高电平作为触发信号用于触发采集错误事件信息。同时，继续监测直至CAN总线出现下降沿，一旦该下降沿被识别则立即复位触发信号为低电平，来实现单次触发采集的总线状态监测全过程。具体流程如图4所示。

步骤4.触发采集数据：包括数据链路层数据和物理层模拟波形数据。数据链路层数据记录着暂态性连接故障引发的CAN总线上错误事件发生的时间戳信息，可以根据Compact-RIO固有时钟得到；物理层模拟波形则刻画了错误事件发生前后特定时间段内CAN总线上的位流信息和各网络节点之间的交互信息，其采集流程如图5所示。在采集波形数据前，需要对板卡的相关参数进行设置，包括采样速率、触发类型、数据通道、触发耦合、触发电平门限值、记录长度。首先完成板卡初始化工作，再将暂态性连接故障注入在环通信网络系统，这样有利于保证后续采集到的物理层模拟波形数据能够准确用于CAN总线网络诊断，包括网络节点脱离总线的时间预测。工作状态的板卡的触发通道循环检测步骤3中的触发信号，一旦触发信号出现上跳沿，板卡就根据相关参数设置开始采样，将触发信号和CAN总线差分电平信号分别采集到板卡的多路通道中，再按照二进制格式和浮点精度进行融合并存储到板卡内存中。用户可以根据后期数据建模分析所需样本容量的大小控制采样周期长度。

步骤5.数据校核与整合：数据链路层数据和物理层模拟波形数据分属CAN总线网络的不同层结构，并且在数据类型上呈现出本质差异，因此必须对这两种并行得到的数据进行校核和整合，确保后期建模分析有正确的数据基础。具体的数据校核与整合的原理，如图6所示。按照步骤4，数据链路层数据是基于Compact-RIO记录的离散型数据，而物理层模拟波形数据是板卡基于触发信号上跳沿触发采集得到的，对两者的错误时间数目分别统计，若链路层和物理层计算的错误事件数目一致，则说明校核成功，否则，通过调整硬件设置增大采样精度或更进软件程序的方法重复性校核。系统在一定时间段内产生的所有错误事件的总和在时间轴上构成一个有着特定时间顺序的序列，并按照连续6位及以上显性位的格式顺序存储在物理层模拟波形数据中。由此，利用软件程序顺序查找可以将任何一个错误事件定位到链路层数据中与之对应的那条记录，以此得到该错误事件发生的相对时间戳，接下来在物理层模拟波形数据中根据该错误事件的位置提取得到错误帧的长度、错误帧来源信息，所有这些信息综合在一起便实现了链路层数据记录和物理层模拟波形数据的准确整合。

步骤6.错误事件信息存储：校核整合后的数据传输到本地硬盘进行存储，供后期CAN总线网络故障诊断分析。

Claims (2)

1.一种基于离散错误事件的CAN总线网络故障诊断方法，其特征在于：所述诊断方法通过以下方式实现：暂态性连接故障由上位机控制注入配置好的在环通信网络系统，总线状态循环监测子系统通过识别CAN总线上的错误事件触发已初始化的板卡采集CAN总线网络数据链路层数据和物理层模拟波形数据，数据校核与整合，错误事件信息存储操作步骤完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于离散错误事件的CAN总线网络故障诊断方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

步骤1.初始化通信网络系统及板卡初始化：分配扫描器和各网络节点的地址映射，设定一主多从的轮询通信模式，根据实际需求设置网络通信速率为VKb/s，设置板卡采样参数，实现板卡初始化；

步骤2.暂态性连接故障注入：步骤1所述的通信网络系统，任何两次暂态性连接故障的发生时间间隔ΔT服从公式（1）给定的分布：

$P(\mathrm{\ΔT}=k)=\frac{e^{-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\μ}}^k}{k!}---\left(1\right)$

其中，μ是暂态性连接故障发生时间间隔分布的平均值，通过分布概率P反算求得的k值作为ΔT的量化值；此过程在Compact-RIO控制器RT平台上实现，通过Compact-RIO插槽内的数字I/O口输出+5V高电平给由触发器和高速模拟开关构成的芯片，进而控制网络节点与CAN总线的随机间歇性开断；

步骤3.总线状态循环监测：步骤2中所述暂态性连接故障注入通信网络系统之后，CAN总线上的网络节点会因为数据包的丢失而往CAN总线上输出含6个连续显性位的错误帧，以此构成CAN总线出现错误事件的识别条件；设置Compact-RIO工作在FPGA模式下进行高速采样，考虑位流信号沿的触发和FPGA编译精度，则在fus的采样周期下，每个数据位采样次；根据CAN错误机制，若检测到CAN总线上连续的显性位数大于等于6，即采样计数大于等于

时，Compact-RIO通过数字I/0口输出高电平作为触发信号用于触发采集错误事件信息；同时，继续监测直至CAN总线出现下降沿，一旦该下降沿被识别则立即复位触发信号为低电平，来实现单次触发采集的总线状态监测全过程；

步骤4.触发采集数据：包括数据链路层数据和物理层模拟波形数据，数据链路层数据记录着步骤2所述暂态性连接故障引发的CAN总线上错误事件发生的时间戳信息，根据Compact-RIO固有时钟得到；采集物理层模拟波形数据时，初始化后的板卡的触发通道循环检测步骤3中所述的触发信号，一旦该触发信号出现上跳沿，板卡就开始多通道采样，将触发信号和CAN总线差分电平信号分别采集到板卡的多路通道中，再按照二进制格式和浮点精度进行融合并存储到板卡内存中；

步骤5.数据校核与整合：按照步骤4，数据链路层数据是基于Compact-RIO记录的离散型数据，而物理层模拟波形数据是板卡基于步骤3所述触发信号上跳沿触发采集得到的；对两者的错误事件数目分别统计，若数据链路层数据和物理层模拟波形数据计算的错误事件数目一致，则说明校核成功，否则，通过调整硬件设置增大采样精度或更进软件程序的方法重复性校核；系统产生的所有错误事件的总和在时间轴上构成一个有时间顺序的序列，并按照连续6位及以上显性位的格式顺序存储在物理层模拟波形数据中，由此，利用软件程序顺序查找将任何一个错误事件定位到链路层数据中与之对应的那条记录，以此得到该错误事件发生的相对时间戳，接下来在物理层模拟波形数据中根据该错误事件的位置提取得到错误帧的长度、错误帧来源信息，所有这些错误事件信息综合在一起便实现了链路层数据记录和物理层模拟波形数据的准确整合；

步骤6.错误事件信息存储：步骤5所述错误事件信息传输到本地硬盘进行存储，供后期网络诊断分析。

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