CN109802877A - 一种基于can总线的通信系统设计 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种基于CAN总线的通信系统设计，本发明设计了应用于分布式控制结构的CAN总线通信系统，采用总线型拓扑结构以及分布式控制思想，在CAN控制器的链路层网络协议基础上，设计了应用层协议和传输层协议，实现批量数据透明块传输及自动错误重传，提高了数据通信的可靠性。

Description

一种基于CAN总线的通信系统设计

技术领域

本发明专利涉及电子设计技术领域，尤其涉及一种基于CAN总线的通信系统设计。

背景技术

控制器局域网（CAN:Controller Area Network）总线，是德国BOSCH公司首先应用于汽车内部的一种串行数据通信协议，是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps，由于结构简单、通信质量好，在国内外已经得到较广泛的应用，已成为工业采集领域中首选的现场总线之一。

从OSI网络模型角度出发，现场总线网络一般只实现了第1层（物理层）、第2层（数据链路层）、第7层（应用层）。而CAN现场总线仅仅定义了第1层、第2层，这两层完全由硬件实现，无需再为此开发相应软件或固件。由此，为网络中每一个有效设备提供一组有用的服务与协议，CAN应用层设计至关重要，甚至影响整个CAN通信效率的高低。在CAN应用层设计中，CANopen协议是一个通用的、开放的、标准的CAN应用层协议。在CANopen协议基础上，确定自己的产品所需要的功能，然后选择最适合自己的硬件系统。开发周期相对较长，后期验证也需要较长的时间，对协议的不同理解造成的开发的兼容性差。

发明专利内容

本发明专利涉及一种基于CAN总线的通信系统设计，本发明设计了应用于分布式控制结构的CAN总线通信系统，采用总线型拓扑结构以及分布式控制思想，在CAN控制器的链路层网络协议基础上，设计了应用层协议和传输层协议，实现批量数据透明块传输及自动错误重传，提高了数据通信的可靠性。

附图说明

图1：系统网络总体结构图。

图2：ARM与CAN总线连接图。

图3：主从通信模式图。

图4：事件触发通信模式图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种基于CAN总线的通信系统设计，本发明设计了应用于分布式控制结构的CAN总线通信系统，采用总线型拓扑结构以及分布式控制思想，在CAN控制器的链路层网络协议基础上，设计了应用层协议和传输层协议，实现批量数据透明块传输及自动错误重传，提高了数据通信的可靠性。

进一步的，本发明采用单主方式工作，PC机作为主控，其它五个模块为从节点，主控和从节点之间通过USB-CAN板卡实现通信。从节点采用Cortex-M4为内核的STM32F407VGT6作为主控制器，其内置CAN总线控制器，使得该节点体积小、功耗低、抗干扰性能好。

进一步的，本发明基于分布式测量控制的思想，按照仪器各模块功能和物理位置将功能分散到主控及五个从模块。整体系统的功能由这六个子模块协同完成，这些模块均挂接在CAN通信总线上，从模块通过USB-CAN板卡作为桥梁与主控通信，通过Can控制网络连接起来构成一个分布式处理仪器系统。主控通过USB-CAN板卡作为桥梁与从模块进行通信。各个从模块之间也需要通信，由于某些命令需要某两个模块同步协调完成，除了CAN信号线外，还需要在某些从模块之间添加几根同步信号线，用来进行时间同步指示和数据的传送。系统网络总体结构图如图1所示。

进一步的，网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式，是影响网络性能的主要因素。最常用的CAN网络拓扑结构是总线型拓扑与星型拓扑。本发明采用总线型网络拓扑结构设计，也可采用优化的总线型结构—菊花链型网络。

进一步的，本发明的CAN-bus网络采用总线拓扑结构，在网络中有六个CAN-bus节点。在总线的两个终端各安装一个120欧姆终端电阻。在同一CAN-bus通信网络中所有CAN节点的通信波特率必须一致，同时计算得出的CAN通信波特率也仅是适合一个具体数值范围内的通信波特率，即意味着标称通信速率为100kbps的CAN节点一般能够与通信速率为90kbps～110kbps的CAN节点正常通信。在该网络中，CAN总线使用速率1Mbps，在实际连接时，使用屏蔽双绞线，且要求网络中的分支线小于3m，最大干线长度小于40m。图2中示出CAN收发器是驱动CAN控制器和物理总线间的接口，总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力都由其提供，具有抗恶劣环境的瞬间干扰、保护总线的能力，而且即使在某一节点掉电也不会影响总线。CAN-bus信号采用查分传输方式，当总线上有“0”信号时，CAN_L和CAN_H之间电压差大于最小值的差分电压，称“显性”；当总线上有“1”信号时，CAN_H和CAN_L电压被固定在平均电压附近，电压差近似为0，称“隐形”。CAN_H端的状态只能是高电平或者悬浮状态，CAN_L端的状态只能是低电平或者悬浮状态，这就保证不会出现如RS-485网络中常有的现象：当因系统错误而出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线出现短路，从而损坏某节点。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，从而使总线上其他节点不受影响，以此确保在网络中不会出现因个别节点出现问题而使总线“死锁”的状态。

进一步的，本系统应用层协议结构简单，报文分段清晰，用尽可能少的报文信息表达每个节点设备所有必需的通信信息，减少了实现的工作量。本系统中用户通信作为一种高层通信协议。用户层使用CAN总线的具有29位标识符的扩展帧格式，且只使用CAN总线中的数据帧类型（没有使用远程帧）；总线通信模型采用单主结构，即主控为主节点，其它节点为从节点；通信方法包括主从命令/响应方式和从站事件触发方式两种；用户层定义了用户层数据帧，该数据帧数据部分的长度可达512字节，完全符合该分析仪器的通信需求，在进行数据帧收发时需要拆封和封装成CAN总线的扩展数据帧格式。

进一步的，本发明的用户协议采用灵活的通信模式，支持主从方式通信模式和事件触发通信模式。主从通信模型是一种主站命令/从站应答式的通信方式；事件触发通信模式用于从站主动向主站传送数据报文。命令/响应通讯方式。由主站发命令帧给从站，从站执行命令后给主站发送响应帧。主从通信模式如图3所示，在这种方式下，主站与一个从站进行通讯。从站接收到命令并处理完请求后，返回一个响应报文给主站。一个完整的通信过程包括主站的请求与从站的应答。在这种通信方式下，从站节点在未接收到主站的请求时不会传输数据。这种通信方式有两种例外情况：一种是主站广播命令帧（命令帧的目的地址为广播地址），此时不需要从站发送响应帧；另一种情况是，从站针对主站命令帧可发送广播响应帧（响应帧的目的地址为广播地址，通过此种方式可实现从站与从站之间的数据通信）。

进一步的，事件触发通信模式用于从站向主站发送数据，支持定时循环发送和状态改变发送两种传送模式，事件触发通信模式如下图4所示。该模式中，从站发送数据帧的目的地址为主站，有一种例外情况是目的地址也可以是广播地址。在该分析仪器中，网络中的5个从节点均具有这种通信能力，每个从站有一个事件触发链路指向主站（广播暂不支持），可随时组态改动为循环定时、状态改变、循环定时+状态改变三种通信方式（定时时间到和状态改变同时发生时，对应数据需用一个数据帧发送给主站），还可随时关闭或启动。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.本发明专利涉及一种基于CAN总线的通信系统设计，本发明设计了应用于分布式控制结构的CAN总线通信系统，采用总线型拓扑结构以及分布式控制思想，在CAN控制器的链路层网络协议基础上，设计了应用层协议和传输层协议，实现批量数据透明块传输及自动错误重传，提高了数据通信的可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的通信系统设计，其特征在于，本发明采用单主方式工作，PC机作为主控，其它五个模块为从节点，主控和从节点之间通过USB-CAN板卡实现通信。

3.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的通信系统设计，其特征在于，本发明的从节点采用Cortex-M4为内核的STM32F407VGT6作为主控制器，其内置CAN总线控制器，使得该节点体积小、功耗低、抗干扰性能好。