CN108810102A

CN108810102A - 一种使用两个can标识符划分的应用层分配方法

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Publication number: CN108810102A
Application number: CN201810500918.0A
Authority: CN
Inventors: 邓晓燕; 陈平; 王剑宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2018-11-13
Anticipated expiration: 2038-05-23
Also published as: CN108810102B

Abstract

本发明公开了一种使用两个CAN标识符划分的应用层分配方法，应用层使用了两个不同的CAN标识符划分分别传递过程变量和非过程变量，为两种变量提供了不同的总线竞争途径；传递过程变量的CAN标识符划分，采用了在CAN标识符中抽取多个位片段，并重新排列拼接组合的方式，构成应用层传递过程变量的寄存器基地址段，很好的解决了变量分段管理与总线竞争分配不平衡的矛盾。应用层对CAN标识符的划分和含义分配都具有明确的应用层协议指令含义，据此设计的应用层协议具有很好的直读性和开放性，使应用层协议易于解析，便于用户在框架内构建适合其使用环境的应用层子协议，并能够对CAN－FD协议进行无缝兼容。

Description

一种使用两个CAN标识符划分的应用层分配方法

技术领域

本发明涉及控制器局域网（Controller Area Network，简写CAN），具体涉及对CAN标识符的使用及分配方法。

背景技术

现场总线CAN－bus是由Bosch公司1986年2月在SAE（汽车工程人员协会）大会上提出的一种新型的串行总线——控制器局域网（CAN），其具有多主和无破坏性仲裁的特点以及优良的错误检测机制，总线的可靠性普遍被业界认同，广泛应用在汽车制造领域和工业控制生产领域，并不断扩展，现在每年都有数以亿计的CAN芯片投入使用。

现场总线CAN－bus只定义了ISO/OSI参考模型中的物理层和数据链路层，而没有定义应用层，为此一些机构和组织针对不同应用领域定义了多种应用层协议，其中，使用最广泛的有CANopen 和DeviceNet，我国也在2002年发布了兼容DeviceNet协议的国家标准GB/T 18858.3，由于这两个协议都使用了11位的CAN标识符，其ID资源受限，迫使协议编制的非常复杂，难于解析，对于一些简单应用，协议使用成本过高。

2006年广州致远电子有限公司发布了具有我国自主知识产权的《iCAN应用层协议V1.0》，在当时对CAN总线在我国的推广应用起到了非常大的推动作用，但由于该协议没有能够充分有效的利用CAN2.0b协议扩展帧格式中29位CAN标识符的资源和其提供的指令竞争特性，以及该协议自身的非开放性，使其应用范围受限，最终没有能够被普及。

通常应用层协议仅使用单一的CAN标识符划分来传递应用层信息，这对有些协议不是问题，但对一些以连续寄存器空间为信息载体的应用层协议，在传递过程变量和非过程变量时，则无法根据变量特性的不同，提供不同的总线竞争途径。

过程变量是CAN总线上设备触发的实时交换变量，一般使用生产者－消费者模型，具有较高的实时性要求；而非过程变量，通常是CAN总线上设备的配置和状态信息，一般使用主机－从机模型，实时性要求不高，对这两种不同特性的变量需要应用层加以区别对待，才能更好的提高CAN总线的总体效能。

对以连续寄存器空间为信息载体的应用层协议，寄存器空间一般是分段（或分层）进行管理的，同一类型的变量会被分配到同一段（层）中，如：将过程变量中的I（输入）变量分配到十六位寄存器寻址空间的0x1000段中；将过程变量中的O（输出）变量分配到0x2000段中，如果只是简单的在29位CAN标识符的高端直接截取一个十六位片段作为寄存器基地址段，那么势必造成所有的I变量的总线竞争能力都高于O变量（在CAN总线上，CAN标识符值越小的指令，其总线竞争能力就越强），造成变量分段（层）管理与总线竞争优势分配不平衡的矛盾，这在以往的相关协议中并没有得到很好的解决，甚至在《iCAN应用层协议V1.0》中，根本没有考虑变量在总线上的竞争特性，而是将设备地址编号排在了CAN标识符中的高端，用设备地址编号代替变量信息本有的总线竞争特性。

2015年CAN－FD（CAN with Flexible Data rate）正式提交国际标准化ISO 11898系列，相比“传统”CAN协议，其具有更高的数据场传输速率和更长的数据场长度，总线效率提高了近八倍，被业界视为新一代CAN总线的发展方向。由于CAN－FD出现的年代较晚，使传统的CAN应用层协议不能直接兼容CAN－FD，需要做大量的适应性改造工作。对于新研制的CAN应用层协议，则必须面对兼容CAN－FD协议的问题。

发明内容

本发明提供了一种使用两个CAN标识符划分的应用层分配方法，应用层以连续寄存器空间为信息载体，并将其十六位寄存器寻址空间平分为两部分，其中：0x0000～0x7FFF用于存放、传递过程变量；0x8000～0xFFFF用于存放、传递非过程变量；应用层根据CAN总线传递变量特性的不同，即过程变量或非过程变量，使用两个不同的CAN标识符划分分别传递上述两种变量，从而为两种变量提供了不同的总线竞争途径，并为应用层协议实施生产者－消费者模型和主机－从机模型提供了明确的对象指向，有效的提高了CAN总线的总体效能；传递过程变量的CAN标识符划分，采用了在CAN标识符中抽取多个位片段，并重新排列拼接组合的方式，构成应用层传递过程变量的寄存器基地址段，从而可以在过程变量寄存器基地址空间构成多个等价竞争层，很好的解决了变量分段（层）管理与总线竞争分配不平衡的矛盾。

传递过程变量的CAN标识符划分，将CAN2.0b或CAN－FD协议扩展帧格式中29位CAN标识符划分为六段，即：优先级段、子段1、子段3、设备编号段、功能码段和子段2，其中：子段1、子段2和子段3排列拼接组合构成寄存器基地址段，各段组成说明如下：

优先级段：由CAN标识符的最高位第28位组成；

子段1：由CAN标识符的第27位组成；

子段3：由CAN标识符的第26～19位组成；

设备编号段：由CAN标识符的第18～12位组成；

功能码段：由CAN标识符的第11～7位组成；

子段2：由CAN标识符的第6～0位组成；

寄存器基地址段：由子段1、子段2和子段3排列拼接组合而成，即：由CAN标识符的第27位、6～0位和 26～19位组成十六位的寄存器基地址段，当CAN标识符的第27位（即：寄存器基地址段的最高位）为0时，寄存器基地址空间指向过程变量空间（即：0x0000～0x7FFF），由于十六位寄存器基地址段的低八位（26～19位）处于CAN标识符的较高端MSB，而其次高七位（6～0位）处于CAN标识符的低端LSB，由此过程变量寄存器空间变量的竞争能力由其十六位寄存器基地址段的低八位决定，从而在过程变量寄存器地址空间形成了128个等价竞争层，每层包含256个地址空间，在每层相同位置上的过程变量具有相同的总线竞争能力，在同层中，低地址变量的竞争能力优于高地址变量。

传递非过程变量的CAN标识符划分，将CAN2.0b或CAN－FD协议扩展帧格式中29位CAN标识符划分为四段，即：优先级段、寄存器基地址段、设备编号段和功能码段，各段组成说明如下：

优先级段：由CAN标识符的最高位第28位组成；

寄存器基地址段：由CAN标识符的第27～12位组成；

设备编号段：由CAN标识符的第11～5位组成；

功能码段：由CAN标识符的第4～0位组成；

一般非过程变量的实时性要求不高，在应用层通常适用主机－从机模型，主机和从机间采用问答方式通讯，变量分段管理与其总线竞争能力没有突出的矛盾，因此从CAN标识符的高端直接截取十六位（27～12位）构成寄存器基地址段，当CAN标识符的第27位（即：寄存器基地址段的最高位）为1时，寄存器基地址空间指向非过程变量空间（即：0x8000～0xFFFF），非过程变量的总线竞争能力整体低于过程变量，这是应用层所期望的，由于CAN标识符的高七位不能连续出现高电平1，当优先级位（28位）为1时，非过程变量实际有效的地址空间为0x8000～0xFBFF，也就是在0xF000段的尾部集中有1024个地址空间（0xFC00～0xFFFF）不能使用，如果对非过程变量采用和过程变量一样的寄存器拼接组合的方法构成寄存器基地址段，势必将这1024个不可用地址空间分散到各等价层中，这对非过程变量寄存器空间的使用和管理无益，因此应用层对过程变量和非过程变量分别采用不同的CAN标识符划分进行总线传递是非常必要的。

本发明对CAN标识符的划分及其物理含义的分配，如：优先级段、寄存器基地址段、设备编号段、功能码段都具有明确的应用层协议指令含义，据此设计的应用层协议具有很好的直读性和开放性，使应用层协议易于解析，便于用户在框架内构建适合其使用环境的应用层子协议。

本发明应用层以连续寄存器空间为信息载体，应用层协议指令是对该连续寄存器空间的读写访问，由此使其能够顺延的兼容CAN－FD协议对数据场长度的扩充。

附图说明

图1是本发明将十六位寄存器寻址空间平分为过程变量空间和非过程变量空间的示意图；

图2是本发明使用两个不同的CAN标识符划分分别传递过程变量和非过程变量的示意图；

图3是本发明传递过程变量的CAN标识符划分分配示意图；

图4是本发明传递非过程变量的CAN标识符划分分配示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明应用层以连续寄存器空间为信息载体，并将其十六位寄存器寻址空间平分为两部分，其中：0x0000～0x7FFF用于存放、传递过程变量；0x8000～0xFFFF用于存放、传递非过程变量。

如图2所示，应用层根据CAN总线传递变量特性的不同，即过程变量或非过程变量，使用了两个不同的CAN标识符划分分别传递上述两种变量，为两种变量提供了不同的总线竞争途径。

如图3所示，传递过程变量的CAN标识符划分，将CAN2.0b或CAN－FD协议扩展帧格式中29位CAN标识符划分为六段，即：优先级段、子段1、子段3、设备编号段、功能码段和子段2，其中：子段1、子段2和子段3排列拼接组合成寄存器基地址段。

如图4所示，传递非过程变量的CAN标识符划分，将CAN2.0b或CAN－FD协议扩展帧格式中29位CAN标识符划分为四段，即：优先级段、寄存器基地址段、设备编号段和功能码段。

以上两个不同的CAN标识符划分，都是将29位CAN标识符分配到四个具有明确应用层指令含义的字段中，即：优先级段、寄存器基地址段、设备编号段和功能码段，其各段的物理含义对两个划分都是相同的，只是由于其在CAN标识符划分中抽取（拼接）的位置不同改变了应用层相关CAN指令在总线上的竞争优势排序。

应用层协议使用数据帧格式，上述各段具体实施内容如下：

优先级段：由CAN标识符的最高位第28位组成，取值范围0x0～0x1。应用层协议将CAN指令按紧急程度分为两类，一类是普通指令；一类是紧急指令。应用层协议使用优先级段为“0x1”发送普通指令，使用优先级段为“0x0”发送紧急指令；

寄存器基地址段：为十六位的寄存器基地址寻址空间，取值范围0x0000～0xFFFF，每个地址对应一个字节寄存器，应用层协议将数据存放在对应寄存器中。一条CAN指令其数据场可携带不多于8个字节的数据（对于CAN－FD协议为不多于64个字节的数据，8个字节往上指令能够携带的字节数不连续递增，具体为12、16、20、24、32、48、64。），寄存器基地址标识的是CAN指令数据场中第1个数据字节的地址，其它字节的地址依序递增。当CAN标识符的第27位为“0”时，寄存器基地址段指向过程变量空间（0x0000～0x7FFF），应用层协议启用传递过程变量的CAN标识符划分如图3所示，设备根据相关过程变量的种类、重要性和紧迫性，按照寄存器分段（层）管理规则，在各等价层中配置其位置，使其获得恰当的总线竞争能力；当CAN标识符的第27位为“1”时，寄存器基地址段指向非过程变量空间（0x8000～0xFFFF），应用层协议启用传递非过程变量的CAN标识符划分如图4所示，并使用主机－从机模型访问相关非过程变量；

设备编号段：当CAN标识符的第27位为“0”时，应用层协议启用传递过程变量的CAN标识符划分，其由CAN标识符的第18～12位组成；当CAN标识符的第27位为“1”时，应用层协议启用传递非过程变量的CAN标识符划分，其由CAN标识符的第11～5位组成。设备编号为设备在总线上的编号（或称设备地址），取值范围0x00~0x7F ，可为应用层协议提供128个设备编号，其中：0x00通常用于广播地址；

功能码段：当CAN标识符的第27位为“0”时，应用层协议启用传递过程变量的CAN标识符划分，其由CAN标识符的第11～7位组成；当CAN标识符的第27位为“1”时，应用层协议启用传递非过程变量的CAN标识符划分，其由CAN标识符的第4～0位组成。功能码为指令功能码编号，取值范围0x00~0x1F，其可为应用层协议提供32条指令功能码。在“命令/应答”指令集中，通常使用0x0n作为主发指令（n为0~F），0x1n作为应答指令，而对非“命令/应答”指令集则无此规定。

应用层使用连续寄存器空间为信息载体，通常会对寄存器空间进行分段（层）管理，具体到本发明是对其十六位的寄存器寻址空间进行分段（层）管理，下面给出一个具体实例：

0x0000段：分配给共性系统信息过程变量使用；

0x1000段：分配给I特性系统信息过程变量使用；

0x2000段：分配给O特性系统信息过程变量使用；

0x3000段：保留；

0x4000段：由专业标准化组织规划，分配给专业体系I特性系统信息过程变量使用；

0x5000段：由专业标准化组织规划，分配给专业体系O特性系统信息过程变量使用；

0x6000段：保留；

0x7000段：分配给设备信息过程变量使用；

0x8000段：分配给设备特征配置参数使用；

0x9000段：保留；

0xA000段：保留；

0xB000段：保留；

0xC000段：保留；

0xD000段：可编程类对象分配空间；

0xE000段：可编程过程变量资源配置和映射区；

0xF000段：分配给设备共性配置参数使用（0xFC00～0xFFFF禁用）。

在这个分段管理中，0x0000段至0x7000段为过程变量空间，应用层使用传递过程变量的CAN标识符划分，因此其各段数据处于等价竞争层中，不会出现所有I变量的竞争能力都优于O变量的情况，关联变量具体总线竞争能力取决其在各层中的相对位置，如：0x2100寄存器的总线竞争能力会优于0x1101；0x8000段至0xF000段为非过程变量空间，应用层使用传递非过程变量的CAN标识符划分，非过程变量的总线竞争能力整体低于过程变量，在非过程变量空间，0x8000段中的数据的竞争能力会优于其下各段，依次类推，但由于非过程变量的实时性要求不高，通常适用主机－从机模型，主机和从机间采用问答方式通讯，系统对数据的竞争能力不敏感。在特殊情况下应用层可以使用优先级段（28位）为0，传递紧急非过程变量，由此使其获得较高的总线竞争能力。

另外，应用层还将0x0000段至0x6000段定义为系统信息寄存器空间，也就是信息共享空间，网络上所有设备共享该空间，在该空间中，变量由寄存器地址唯一定位，适用生产者－消费者模型；将0x7000段至0xF000段定义为设备信息寄存器空间，是设备的私有空间，每一个设备都自有一个0x7000段至0xF000段的私有寄存器空间，在该空间中，变量是由寄存器地址和设备地址共同定位的，适用主机－从机模型。

不是所有的过程变量都必须使用生产者－消费者模型，对于某些中心监控系统，其对过程变量的传递，同样可以适用主机－从机模型，因此将过程变量空间的0x7000段划归为设备信息寄存器空间。

根据本发明制定的应用层子协议实例一，“配置参数基本指令集”

该子协议定义了2个配置参数基本指令，分别是“参数设置指令”、“参数读取指令”和每个指令对应的“应答指令”，子协议指令操作适用第0x8000段至第0xF000段的参数配置，应用层使用传递非过程变量的CAN标识符划分，指令格式中的优先级对应优先级段（28位），寄存器基地址对应寄存器基地址段（27～12位），设备地址对应设备编号段（11～5位），功能码对应功能码段（4～0位），DLC表示指令数据场携带的数据字节数（CAN2.0b协议为0~8；CAN－FD协议8个字节往上不连续，具体为12、16、20、24、32、48、64）。

“参数设置指令”

功能码：0x0D

参数设置指令格式：

优先级

寄存器基地址

设备地址

功能码

DLC

DLC个字节参数

主机向指定设备的配置参数寄存器（非过程变量）基地址写入DLC个字节配置参数，第2个字节往后为基地址的顺延；

例：0x1 0x8000 0x35 0x0D 0x4 0x11 0x22 0x33 0x44

本例表述，主机使用普通优先级向地址为 0x35的设备其基地址为0x8000的连续4个寄存器（0x8000、0x8001、0x8002、0x8003）写入配置参数，其为0x11 0x22 0x33 0x44；

设备在其原“指令功能码”上加0x10，并读取刚设置好的寄存器内容进行回复；

参数设置指令应答格式：

原优先级

原寄存器基地址

原设备地址

原功能码+0x10

DLC

DLC个字节参数

例：0x1 0x8000 0x35 0x1D 0x4 0x11 0x22 0x33 0x44

本例表述，地址为 0x35的设备应答主机对其发出的参数设置指令。

“配置参数读取指令”

功能码：0x0E

配置参数读取指令格式：

优先级

寄存器基地址

设备地址

功能码

DLC=1

读取字节个数n

主机向指定设备发出读取其指定配置参数寄存器（非过程变量）的内容，指令带一个字节的数据，该数据表述将要连续读取配置参数的寄存器个数n，n＝1～8（CAN－FD协议8个字节往上不连续，具体为12、16、20、24、32、48、64）；

例：0x1 0x8000 0x35 0x0E 0x1 0x04

本例表述，主机使用普通优先级要读取地址为0x35的设备其基地址为0x8000的连续4个字节的配置参数；

设备在其原“指令功能码”上加0x10，并在数据场添加相关参数进行回复；

配置参数读取指令应答格式：

原优先级

原寄存器基地址

原设备地址

原功能码+0x10

DLC=n

n个字节参数

例：0x1 0x8000 0x35 0x1E 0x4 0x11 0x22 0x33 0x44

本例表述，地址为 0x35的设备应答主机对其发出的配置参数读取指令，将设备基地址为0x8000的连续4个字节的配置参数0x11 0x22 0x33 0x44返回给主机。

根据本发明制定的应用层子协议实例二，“生产者－消费者基本指令集”

该子协议定义了2个生产者－消费者模型中的基本指令，分别是“信息播发指令”和“控制信息发送指令”，子协议指令操作适用第0x0000段至第0x6000段的数据传送，应用层使用传递过程变量的CAN标识符划分，指令格式中的优先级对应优先级段（28位），寄存器基地址对应寄存器基地址段（27位、6～0位、 26～19位），生产者地址或控制者地址对应设备编号段（18～12位），功能码对应功能码段（11～7位），DLC表示指令数据场携带的数据字节数（CAN2.0b协议为0~8；CAN－FD协议8个字节往上不连续，具体为12、16、20、24、32、48、64）。

“信息播发指令”

功能码：0x19

信息播发指令格式：

优先级

寄存器基地址

生产者地址

功能码

DLC

DLC个字节信息

设备（信息生产者）通过指定系统信息空间寄存器（过程变量）基地址播发DLC个字节信息到网络上，第2个字节往后为基地址的顺延；

例：0x1 0x1100 0x35 0x19 0x4 0x11 0x22 0x33 0x44

本例表述，地址为 0x35的设备（信息生产者）使用普通优先级，通过基地址为0x1100的系统信息空间寄存器（过程变量）向网络中播发连续4个字节的信息，其为0x11 0x22 0x330x44；

该指令由信息生产者设备触发（如告警、计时、数据变化等条件），对该信息敏感的“信息消费者”（可以是多个）使用该信息，并不做任何应答。

“控制信息发送指令”

功能码：0x17

控制信息发送指令格式：

优先级

寄存器基地址

控制者地址

功能码

DLC

DLC个字节信息

设备（控制者）通过指定系统信息空间寄存器（过程变量）基地址发送DLC个字节控制信息到网络上，第2个字节往后为基地址的顺延；

例：0x1 0x2100 0x35 0x17 0x4 0x11 0x22 0x33 0x44

本例表述，地址为 0x35的设备（控制者）使用普通优先级，通过基地址为0x2100的系统信息空间寄存器（过程变量）向网络发送连续4个字节的控制信息，其为0x11 0x22 0x330x44；

该指令由控制者发送，该信息的“接受者”（只能是一个）使用该信息，并不做任何应答。

从上述寄存器分段（层）管理举例和两个应用层子协议实例可以看出，根据本发明制定的应用层协议具有很好的直读性和开放性，并可无缝兼容CAN－FD协议。

本发明还可以有其它多种实施实例，凡在本发明的精神和原则之内所进行的等同替换和修改，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种使用两个CAN标识符划分的应用层分配方法，其特征在于，应用层以连续寄存器空间为信息载体，并将其十六位寄存器寻址空间平分为两部分，其中：0x0000～0x7FFF用于存放、传递过程变量；0x8000～0xFFFF用于存放、传递非过程变量；应用层根据CAN总线传递变量特性的不同，即过程变量或非过程变量，使用了两个不同的CAN标识符划分分别传递上述两种变量，其中，传递过程变量的CAN标识符划分，采用了在CAN标识符中抽取多个位片段，并重新排列拼接组合的方式，构成应用层传递过程变量的寄存器基地址段。

2.根据权利要求1所述一种使用两个CAN标识符划分的应用层分配方法，其特征在于，传递过程变量的CAN标识符划分，将CAN2.0b或CAN－FD协议扩展帧格式中29位CAN标识符划分为六段，即：优先级段、子段1、子段3、设备编号段、功能码段和子段2，其中：子段1、子段2和子段3排列拼接组合构成寄存器基地址段，各段组成说明如下：

优先级段：由CAN标识符的最高位第28位组成；

子段1：由CAN标识符的第27位组成；

子段3：由CAN标识符的第 26～19位组成；

设备编号段：由CAN标识符的第18～12位组成；

功能码段：由CAN标识符的第11～7位组成；

子段2：由CAN标识符的第6～0位组成；

寄存器基地址段：由子段1、子段2和子段3排列拼接组合而成，即：由CAN标识符的第27位、6～0位和 26～19位组成十六位的寄存器基地址段。

3.根据权利要求1所述一种使用两个CAN标识符划分的应用层分配方法，其特征在于，传递非过程变量的CAN标识符划分，将CAN2.0b或CAN－FD协议扩展帧格式中29位CAN标识符划分为四段，即：优先级段、寄存器基地址段、设备编号段和功能码段，各段组成说明如下：

优先级段：由CAN标识符的最高位第28位组成；

寄存器基地址段：由CAN标识符的第27～12位组成；

设备编号段：由CAN标识符的第11～5位组成；

功能码段：由CAN标识符的第4～0位组成。