CN106850660A - 一种基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法，属于嵌入式计算机领域。该方法由协议接收模块、协议发送模块和网络处理模块组成。协议接收模块通过处理来自长报文发送方的消息，完成连接的建立和消息的重组。协议发送模块通过与目标设备建立连接，将长报文拆分成数据包依次发送。网络处理模块处理与地址相关的消息，管理地址分配和网络错误。本发明提供了一种基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法，使用者不需要了解SAE J1939传输协议，只需要利用提供的接口，就能实现长报文收发，节省开发时间。

Description

一种基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法

技术领域

本发明属于嵌入式计算机领域，涉及一种基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法。

背景技术

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)的简称，是由德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准，是汽车总线、自动化控制和嵌入式设备中应用最广泛的现场总线。CAN协议定义了物理层和数据链路层规范，其中数据链路层是核心内容，又分为逻辑链路控制(Logical Link Control，LLC)子层和媒体访问控制(Media AccessControl，MAC)子层；逻辑链路控制子层完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制子层完成数据打包/解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信息、应答、串并转换等功能。CAN2.0规范分为A和B两个版本，其中A定义了含有11位标识符的标准帧，而B不仅定义了标准帧，还定义了含有29位标识符的扩展帧。CAN协议定义了数据帧格式并为其提供了可靠的数据通信，而未定义数据帧的具体应用，这为不同的汽车厂商制定符合自身需要的协议提供了很大的便利。

为了解决车辆上不同厂商的电器元件兼容性问题，美国汽车工程协会(Societyof Automotive Engineers，SAE)定义了基于CAN2.0B的标准J1939，它描述了重型车辆现场总线的一种网络应用，包括物理层、数据链路层、网络层、应用层和网络管理模块。SAEJ1939的物理层沿用了CAN物理层规范；数据链路层在CAN2.0B的基础上，对扩展帧作了进一步定义，采用协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)传送信息，形成了一套完整的标准通信策略；网络层描述了不同子网间针对报文传输的网桥功能；应用层描述了常用物理参数对应的实际数据；网络管理模块作为一个分离的单元，描述了设备的命名方式和地址管理。

SAE J1939数据链路层将扩展帧格式的29位标识符分为3位优先级、1位保留位、1位数据页、8位协议数据单元格式(PDU Format，PF)、8位特定PDU(PDU Specific，PS，目标地址、组扩展或专用)和8位源地址。同时，定义了由保留位、数据页、PF和PS组成的24位参数组编号(Parameter Group Number，PGN)，然后用它标识CAN数据帧的数据属于的参数组。协议数据单元PDU是SAE J1939定义的消息格式，包括优先级、PGN、源地址和数据。CAN数据帧最多支持8字节的数据，如果PDU的数据小于8字节，使用单个CAN数据帧传输即可；如果PDU的数据大于8字节(简称长报文)，则无法使用单个CAN数据帧来装载，将使用“传输协议功能”。传输协议功能是SAE J1939数据链路层的一部分，分为消息的拆装、重组和连接管理。消息的拆装是发送方把长报文拆分成若干个小的数据包，每个数据包分配一个从1依次递增的序列编号，然后使用单个CAN数据帧对其逐一发送；消息的重组是接收方依次接收单个CAN数据帧，然后解析并重组成原始的长报文。连接管理是在发送方和接收方之间建立一条信息传送的虚拟通道，称为“连接”，并负责通信的管理和关闭。连接分为到特定目标设备的点对点连接和到网络上所有设备的点对多连接，连接管理为前者提供数据流控制和握手功能。

传输协议提供了五种连接管理消息和一种数据传送消息。连接管理消息包括连接模式下的请求发送、响应请求、结束应答和放弃连接，以及广播公告消息。请求发送消息是发送方通知目标设备，将要发送长报文的参数组编号、字节数和数据包数；响应请求消息是接收方对请求发送消息的响应，通知发送方已经做好数据接收准备；结束应答消息是接收方响应发送方，表示整个长报文已经被成功接收和重组；放弃连接消息是通知对方，决定关闭连接；广播公告消息是通知网络上的设备，将要广播一条长报文，以及长报文的参数组编号、字节数和数据包数。数据传送消息用于同一个参数组相关的数据通信，它是发送方传送的长报文拆分成的单个数据包。

CAN规范中定义不使用设备地址，而在SAE J1939协议中规定必须使用设备地址，以防止多个设备使用同一标识符。设备地址大小为1个字节，被划分为：单一地址(0～127和248～253)、仲裁地址(128～247)、空地址(254)和全局地址(255)。单一地址和仲裁地址的区别是前者不能动态分配，但可以在初始化时指定或命令配置；如果设备还未声明地址或声明地址未成功，则必须在消息的源地址处使用空地址；目的地址是全局地址的消息，网络上的所有设备都能接收。为了防止网络上多个设备使用同一个地址，SAE J1939协议按功能划分，为每个设备定义了一个64位的名字，用于竞争时的仲裁。正常通信前，必须发送地址声明消息，告知网络上的设备使用的名字和地址，以防止地址被使用。

SAE J1939协议支持命令消息、请求消息、广播/响应消息和确认消息。消息的具体类型可由其分配的参数组编号识别。命令消息是向特定的目标地址或全局地址发送命令的参数组；请求消息是从全局地址或特定的目标地址请求信息；广播/响应消息是某设备主动提供的长报文广播或是对命令、请求的响应；确认消息是对特定命令或请求的应答，包括肯定应答、否定应答、拒绝访问和无法响应。

CAN控制器集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，能实现CAN数据帧的传输。现有的传输协议通过为CAN控制器提供字符型设备驱动，借助CAN数据帧来实现SAE J1939长报文的传送，但对硬件依赖较大，同时仅允许单个应用访问，阻碍了移植性。

SocketCAN是大众公司为Linux内核提供的一组开源的CAN驱动和网络协议栈，针对早期字符型设备驱动提供功能较少和可移植性不够理想进行了改进，在设计上使用了Berkeley Socket API与Linux网络协议栈，将驱动实现为网络接口，方便编程和使用。SocketCAN是基于Socket实现的通用的CAN控制器驱动，它不依赖CAN控制器，允许多个应用访问同一个CAN设备和单个应用并行访问多个CAN网络，因此在基于CAN协议的开发中被广泛应用。

现有的基于SocketCAN的SAE J1939应用仅支持不超过8字节的报文传送，没有实现传输协议功能，不具备长报文收发能力。而已实现的传输协议，底层使用了字符型驱动设备，通用性和灵活性不足。针对这种现状，本发明提出了一种新的设计方法。利用CAN控制器和Linux SocketCAN驱动，设计完成了SAE J1939传输协议功能，能够方便实现长报文的收发。

为了管理设备地址，保障正常通信，本发明还提供了地址相关的消息处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法，能够完成对SAE J1939长报文的接收和发送。

本发明的技术方案：

基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法，主要包括协议接收模块、协议发送模块和网络处理模块，如图1所示。

协议接收模块通过处理来自长报文发送方的消息，完成连接的建立和消息的重组。本模块先建立协议接收队列，然后等待消息。如果没有消息，则继续等待；如果有消息，则判断消息的类型；如果是请求发送消息，则建立点对点连接；如果是广播公告消息，则建立点对多连接；如果是其它的消息，则忽略，然后继续等待消息。连接建立后，先初始化连接，为将要接收的长报文分配空间，启动接收定时器，然后接收数据；如果未收到数据，则判断接收定时器是否超时；如果超时，则放弃连接，然后等待协议接收队列消息；如果未超时，则继续接收数据；如果收到数据，则保存数据包序号正确的数据，初始化接收定时器，然后判断数据是否接收完成；如果数据未接收完成，则继续接收数据；如果数据接收完成，则保存重组的长报文，然后等待协议接收队列消息。

协议发送模块通过与目标设备建立连接，将长报文拆分成数据包依次发送。本模块先建立协议发送队列，然后等待消息。如果没有消息，则继续等待；如果有消息，则判断消息的目的地址；如果目的地址是全局地址，则建立点对多连接；如果目的地址是空地址，则继续等待消息；如果目的地址是其它的地址，则建立点对点连接。连接建立后，先初始化连接，启动发送定时器，接着把长报文拆分成若干个小的数据包，分配序号，然后依次发送数据包。数据包发送后，判断是否发送完成；如果未发送完成，则继续发送；如果发送完成，则等待协议发送队列消息。

网络处理模块处理与地址相关的消息，管理地址分配和网络错误。本模块先建立网络接收队列，初始化本端设备的名字和地址，再发送地址声明消息，启动定时器，然后等待网络接收队列消息。如果有消息，则按消息的类型，处理收到的消息，然后判断是否正在声明地址；如果没有消息，则直接判断是否正在声明地址；如果未在声明地址，则判断总线是否错误；如果正在声明地址，则判断定时器是否超时；如果超时，则地址声明成功；如果未超时，则判断总线是否错误。如果总线错误，则随机延时(0～153毫秒)，发送地址声明消息，重新声明地址，初始化定时器，然后等待网络接收队列消息；如果总线没有错误，则直接等待网络接收队列消息。

本发明的有益效果在于使用者不需要了解SAE J1939传输协议，只需要利用提供的接口，就能实现长报文收发，节省开发时间。

附图说明

图1是本发明传输协议的设计方法流程图。

图2是本发明协议接收模块流程图。

图3是本发明协议发送模块流程图。

图4是本发明网络处理模块流程图。

具体实施方式

以下结合发明内容和说明书附图详细说明本发明的具体实施方式。

一种基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法，步骤如下：

(1)协议接收模块

如图2所示，先建立协议接收队列，然后等待消息。如果没有消息，则继续等待；如果有消息，则判断是否为请求发送消息；如果是请求发送消息，则建立点对点连接；如果不是请求发送消息，则判断是否为广播公告消息；如果是广播公告消息，则建立点对多连接；如果不是广播公告消息，则继续等待协议接收队列消息。连接建立后，先初始化连接，为将要接收的长报文分配存储空间，启动接收定时器，然后判断是否为点对点连接；如果是点对点连接，则发送响应请求消息，通知发送方请求数据包的起始序号和包数量，然后接收数据；如果不是点对点连接，则直接接收数据。如果未收到数据，则判断接收定时器是否等待超时；如果超时，则判断是否为点对点连接；如果是点对点连接，则发送放弃连接消息，然后等待协议接收队列消息；如果不是点对点连接，则直接等待协议接收队列消息；如果未超时，则继续接收数据；如果收到数据，则判断数据包的序号是否正确；如果数据包的序号错误，则判断是否为点对点连接；如果是点对点连接，则发送响应请求消息，请求正确序号的数据包；如果不是点多点连接，则继续接收数据；如果数据包的序号正确，则保存数据，初始化接收定时器，然后判断数据是否接收完成；如果数据未接收完成，则继续接收数据；如果数据接收完成，则保存重组的长报文，然后判断是否为点对点连接；如果是点对点连接，则发送结束应答消息，然后等待协议接收队列消息；如果不是点对点连接，则直接等待协议接收队列消息。

(2)协议发送模块

如图3所示，先建立协议发送队列，然后等待消息。如果没有消息，则继续等待；如果有消息，则判断消息的目的地址；如果目的地址是全局地址，则建立点对多连接；如果目的地址不是全局地址，则判断目的地址是否为空地址；如果目的地址不是空地址，则建立点对点连接；如果目的地址是空地址，则等待协议发送队列消息。连接建立后，先初始化和启动发送定时器，然后判断是否为点对点连接；如果是点对点连接，则发送请求发送消息，通知接收方将要发送的数据字节数和包数，然后等待应答消息；如果不是点对点连接，则发送广播公告消息，通知网络上的设备将要发送的数据字节数和包数，然后将长报文拆分成若干个小的数据包，分配序号，依次发送数据包。如果未收到应答消息，则判断发送定时器是否超时；如果超时，则发送放弃连接消息；如果未超时，则继续等待应答消息；如果收到应答消息，则判断是否为响应请求消息；如果是响应请求消息，则将长报文拆分成若干个小的数据包，分配序号，依次发送数据包；如果不是响应请求消息，则判断是否为放弃连接消息；如果是放弃连接消息，则等待协议发送队列消息；如果不是放弃连接消息，则判断是否为结束应答消息；如果是结束应答消息，则等待协议发送队列消息；如果不是结束应答消息，则忽略，然后等待应答消息。如果数据包发送完成，则判断是否为点对点连接；如果是点对点连接，则等待应答消息；如果不是，则等待协议发送队列消息；如果数据包未发送完成，则继续发送。

(3)网络处理模块

如图4所示，先建立网络接收队列，初始化本端设备的名字和地址，再发送地址声明消息，告知网络上的设备，本端设备的名字和将要使用的地址，启动定时器，然后等待网络接收队列消息。如果没有消息，则判断是否正在声明地址；如果有消息，则判断是否为地址声明消息；如果是地址声明消息，则判断声明地址是否为本端设备的地址；如果不是本端设备的地址，则打印该消息的设备信息；如果是本端设备的地址，则比较设备名字，竞争该地址；如果竞争成功，则发送地址声明消息，告知网络上的设备，声明使用该地址；如果竞争失败，则选择未使用的地址，重新发送地址声明消息，初始化定时器；如果不是地址声明消息，则判断是否为命令地址消息；如果是命令地址消息，则判断是否修改本端设备的地址；如果不是修改本端设备的地址，则忽略；如果是修改本端设备的地址，则发送地址声明消息，告知网络上的设备，声明使用新的地址，然后初始化定时器；如果不是命令地址消息，则判断是否为地址声明请求消息；如果是地址声明请求消息，则判断是否成功声明过地址；如果声明地址已成功，则再次发送地址声明消息；如果未成功声明地址，则判断是否还未声明过地址；如果未声明过地址，则发送地址声明消息，然后初始化定时器；如果声明过地址，则发送不能声明地址消息；如果不是地址声明请求消息，则直接判断是否正在声明地址。消息处理完成后，判断是否正在声明地址；如果未在地址声明，则判断总线是否错误；如果正在声明地址，则判断定时器是否超时；如果超时，则地址声明成功；如果未超时，则判断总线是否错误；如果总线错误，则随机延时(0～153毫秒)，发送地址声明消息，重新声明地址，初始化定时器，然后等待网络接收队列消息；如果总线没有错误，则直接等待网络接收队列消息。

Claims (1)

1.一种基于SocketCAN的SAE J1939传输协议的设计方法，包括协议接收模块、协议发送模块和网络处理模块，其特征在于：

协议接收模块通过处理来自长报文发送方的消息，完成连接的建立和消息的重组；协议接收模块先建立协议接收队列，然后等待消息；如果没有消息，则继续等待；如果有消息，则判断消息的类型；如果是请求发送消息，则建立点对点连接；如果是广播公告消息，则建立点对多连接；如果是其它的消息，则忽略，然后继续等待消息；连接建立后，先初始化连接，为将要接收的长报文分配空间，启动接收定时器，然后接收数据；如果未收到数据，则判断接收定时器是否超时；如果超时，则放弃连接，然后等待协议接收队列消息；如果未超时，则继续接收数据；如果收到数据，则保存数据包序号正确的数据，初始化接收定时器，然后判断数据是否接收完成；如果数据未接收完成，则继续接收数据；如果数据接收完成，则保存重组的长报文，然后等待协议接收队列消息；

协议发送模块通过与目标设备建立连接，将长报文拆分成数据包依次发送；协议发送模块先建立协议发送队列，然后等待消息；如果没有消息，则继续等待；如果有消息，则判断消息的目的地址；如果目的地址是全局地址，则建立点对多连接；如果目的地址是空地址，则继续等待消息；如果目的地址是其它的地址，则建立点对点连接；连接建立后，先初始化连接，启动发送定时器，接着把长报文拆分成若干个小的数据包，分配序号，然后依次发送数据包；数据包发送后，判断是否发送完成；如果未发送完成，则继续发送；如果发送完成，则等待协议发送队列消息；

网络处理模块处理与地址相关的消息，管理地址分配和网络错误；网络处理模块先建立网络接收队列，初始化本端设备名字和地址，再发送地址声明消息，启动定时器，然后等待网络接收队列消息；如果有消息，则按消息的类型，处理收到的消息，然后判断是否正在声明地址；如果没有消息，则直接判断是否正在声明地址；如果未在声明地址，则判断总线是否错误；如果正在声明地址，则判断定时器是否超时；如果超时，则地址声明成功；如果未超时，则判断总线是否错误；如果总线错误，则随机延时，发送地址声明消息，重新声明地址，初始化定时器，然后等待网络接收队列消息；如果总线没有错误，则直接等待网络接收队列消息。