CN109889627B - 一种can总线节点id自动分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CAN总线节点ID自动分配方法，适用于并行连接于CAN总线网络的一个主机节点和若干从机节点，且主机节点通过用于节点ID配置的信号线将若干从机节点串联为闭合回路，包括：主机节点通过信号线发送PWM信号至与其相连的首位从机节点；主机节点通过信号线接收末位从机节点发送的PWM信号判断ID配置是否完成；从机节点通过信号线发送PWM信号至与其相连的下一级从机节点或主机节点；主机节点和每一从机节点发送的PWM信号频率相同但占空比不同；从机节点根据前一节点发送的PWM信号的占空比设置相应的ID。

Description

一种CAN总线节点ID自动分配方法及装置

技术领域

本发明涉及一种智能控制技术，特别是一种CAN总线节点ID自动分配方法及装置。

背景技术

CAN总线由于其具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，已经在电动汽车、工业自动化和智能家居等行业领域得到了广泛应用；通常CAN总线作为一种主从模式或者多主模式的总线结构，其总线协议要求其总线网络上所有节点的ID号具有唯一性；因此，如何有效地配置CAN总线网络节点ID已经成为使用CAN总线的基本问题。

现有的CAN总线节点ID配置方法主要分为软件升级设置法和开关网络配置法。软件升级设置法是指在配置某节点ID时，通过软件方法修改控制器程序中节点ID值，并将程序编译后，下载到控制器的FLASH存储区进行固化；该方法只需要修改软件就可以进行配置，不需要除控制器以外其他硬件电路支持，但是，该方法导致总线每个节点都需要人工手动进行软件升级工作，随着CAN 总线上节点数目增大，节点控制器软件升级的工作量将大大增加，从而增大了人工成本，不利于产品大批量生产开发。开关网络配置法是指首先将网络节点中用于ID配置的控制器IO端口通过下拉电阻连接于信号地端，再通过开关器件分别连接于电源端，而控制器通过读取此时IO端口的电平状态来配置所在节点ID 值。

在实际使用过程中，使用者可以通过手动切换开关网络里每个开关状态而进行CAN总线网络节点ID的配置工作；该方法不需要进行软件升级的重复性工作，减少了重复升级控制器软件的工作量，但是，使用手动开关器件也增加了硬件成本，并且手动开关器件在振动环境中容易出现连接松动或者误动作等现象，从而导致节点ID配置过程中引起失效问题，降低了系统可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CAN总线节点ID自动分配方法及装置，不需要人工配合而完全由节点设备自身进行自动配置。

实现本发明目的的方法为：一种CAN总线节点ID自动分配方法，适用于并行连接于CAN总线网络的一个主机节点和若干从机节点，且主机节点通过用于节点ID配置的信号线将若干从机节点串联为闭合回路，包括：主机节点通过信号线发送PWM信号至与其相连的首位从机节点；主机节点通过信号线接收末位从机节点发送的PWM信号判断ID配置是否完成；从机节点通过信号线发送 PWM信号至与其相连的下一级从机节点或主机节点；主机节点和每一从机节点发送的PWM信号频率相同但占空比不同；从机节点根据前一节点发送的PWM信号的占空比设置相应的ID。

实现本发明目的的装置为：一种CAN总线节点ID自动分配装置，包括并行连接于CAN总线网络的一个主机节点和若干从机节点，且主机节点通过用于节点ID配置的信号线将若干从机节点串联为闭合回路，其特征在于，每一节点包括信号检测模块、控制器单元、信号转换模块；每一节点的信号检测模块用于接收前一节点发射的PWM信号，每一节点的信号转换模块用于向后一节点发射 PWM信号，控制器单元配置PWM信号的频率、占空比，且主机节点和每一从机节点发送的PWM信号频率相同但占空比不同，主机节点的控制器单元还根据末位从机节点发射的PWM信号判断ID配置是否完成，从机节点的还根据主机节点或上一级从机节点发射的PWM信号设置相应的ID。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明中CAN总线节点ID 配置方法具有自适应特性，使得节点ID配置方法不再受限于硬件结构固化，从而在实际使用中具有很强的灵活性，有利于后期产品维护；(2)本发明中硬件电路具有很高的共模噪声抑制能力，有效地降低了信号传递路径受到强电磁干扰而引起硬件电路发生误检测的风险；(3)本发明涉及的软硬件设计开发具有归一化特点，有效地降低了产品设计开发成本，从而有利于实现后续大批量产品生产。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明CAN总线节点ID配置系统的结构示意图。

图2为CAN总线节点ID配置系统的电路原理图。

图3为本发明的信号检测模块的输入输出波形示意图。

图4为本发明的信号转换模块的输入输出波形示意图。

图5为本发明的主机节点控制器软件流程图。

图6为本发明的从机节点控制器软件流程图。

具体实施方式

结合图1，一种CAN总线节点ID自动分配装置，包括主机节点和若干从机节点。主机节点与多个从机节点并行连接于CAN总线网络中，主机节点通过用于节点ID配置的信号线束以双绞线形式将多个从机节点相互串联成闭合环路。其中，CANH与CANL作为总线网络的主干通信线路，PWM_P和PWM_N作为各个节点之间相互传递节点ID配置信息的一对互补相位的PWM信号。在信号线束组成的环路中，主机节点的PWM信号发射端接首位从机节点且PWM信号接受端接末位从机节点，若干从机节点串联。主机节点相对于首位从机节点为前一节点，即首位从机节点为主机节点的后一节点；末位从机节点相对于主机节点为前一节点，即主机节点相对于末位从机节点为后一节点；下一级从机节点相对于前一级从机节点为后一节点。

主机节点负责启动各个从机节点ID分配工作。主机节点输出一对具有一定频率和占空比的PWM信号，并传递给首位从机节点；首位从机节点接收到PWM 信号后，从机节点将PWM_P和PWM_N转换成控制器能识别的单端型PWM信号，并解析其中包含的节点ID信息，通过预先设定自适应算法将自身ID配置完成，再输出相同频率但占空比按比例增大的PWM信号，传递给下一级从机节点；同理，下一级从机节点仿照首位从机节点配置操作，再发送PWM信号给下一级从机节点；直到CAN总线网络中末位从机节点完成节点ID配置操作后，该节点将输出一对PWM信号，传递给主机节点；最后，主机节点接收该PWM 信号，并解析和判断该PWM信号是否满足节点ID配置工作末段的应答要求；如果能满足，则表示CAN总线网络所有从机节点ID配置工作已经成功完成；如果未能满足，则表示整个配置工作失败，并且主机节点将重新启动各个从机节点ID分配工作。

具体地，主机节点输出占空比为10％的PWM信号；首位从机节点接收到 PWM信号，并解析该PWM信号的占空比为10％，再设置其节点ID为0x01，并且输出占空比为20％的PWM信号；次位从机节点接收到PWM信号，并解析该PWM信号的占空比为20％，再设置其节点ID为0x02，并且输出占空比为30％的PWM信号；依次类推，每个从机节点接收到PWM信号，并计算该PWM信号的占空比对10％的倍数N，并将节点ID设置为倍数N，再将输出的PWM信号占空比设为10％的N+1倍；最后，主机节点接收到末位从机节点发送的PWM 信号，并计算该PWM信号的占空比值减去10％，再除以10％得到倍数M，再判断该倍数M是否与从机数量相等，若相等，则满足规定。

根据以下节点ID自动设置算法表来根据当前从机节点所接收到的PWM信号特征来设置自己的ID值，其中，数值A表示节点ID值，数值P表示占空比调节系数，数值A和数值P均为整数，且满足(A+1)x P不大于100。

节点类型	节点ID值	信号频率	PWM输入信号占空比	PWM输出信号占空比
					主机节点	0x00	100Hz	(A+1)x P x 1％	1 x P x 1％
从机节点1	0x01	100Hz	1 x P x 1％	2 x P x 1％
					从机节点2	0x02	100Hz	2 x P x 1％	3 x P x 1％
从机节点3	0x03	100Hz	3 x P x 1％	4 x P x 1％
					……	…….	100Hz	……	……
从机节点N-1	A-1	100Hz	(A-1)x P x 1％	A x P x 1％
					从机节点N	A	100Hz	A x P x 1％	(A+1)x P x 1％

结合图2，每一节点包括信号检测模块、控制器单元、信号转换模块。其中每一节点的信号检测模块用于接收前一节点发射的PWM信号，每一节点的信号转换模块用于向后一节点发射PWM信号，控制器单元配置PWM信号的频率、占空比，且主机节点和每一从机节点发送的PWM信号频率相同但占空比不同，主机节点的控制器单元还根据末位从机节点发射的PWM信号判断ID配置是否完成，从机节点的还根据主机节点或上一级从机节点发射的PWM信号设置相应的ID。

一运算放大器U1反相输入端，第三电阻R3第一引脚接前一节点的PWM_P 信号，信号检测模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻 R4和第一运算放大器U1。第一电阻R1第一引脚接前一节点的PWM_N信号，第一电阻R1第二引脚分别接第二电阻R2第一引脚和第第三电阻R3第二引脚分别第四电阻R4第二引脚和第一运算放大器U1同相输入端，第四电阻R4第一引脚接参考电压，第二电阻R2第二引脚分别接第一运算放大器U1输出端和控制器单元输入端。当硬件电路参数满足第二电阻R2阻值等于第一电阻R1阻值2 倍且第四电阻R4阻值等于第三电阻R3阻值2倍且供电电源VCC电压值等于参考电源Vref电压值2倍时，信号检测模块的输入信号与输出信号转换关系如图3 所示。

信号转换模块包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻 R13、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3。第八电阻R8和第十电阻R10 的第一引脚接控制器单元输出端，第八电阻R8第二引脚分别接第二运算放大器 U2同相输入端和第七电阻R7第二引脚，第七电阻R7和第五电阻R5第一引脚接参考电压，第五电阻R5第二引脚分别接第二运算放大器U2反相输入端和第六电阻R6第一引脚，第六电阻R6第二引脚分别接第二运算放大器U2输出端和第九电阻R9第一引脚，第九电阻R9第二引脚作为PWM_P信号的输出端，第十电阻R10第二引脚分别接第三运算放大器U3反向输入端和第十一电阻R11 第一引脚，第十二电阻R12第一引脚接参考电压，第十二电阻R12第二引脚接第三运损放大器U3同相输入端，第十一电阻R11第二引脚分别接第三运算放大器U3输出端和第十三电阻R13第一引脚，第十三电阻R13第二引脚作为PWM_N 信号的输出端。当硬件电路参数满足第五至第八电阻和第十至第十二电阻阻值相等，第九电阻R9和第十三电阻R13等于传输路径特征阻抗，供电电源VCC电压值等于参考电源Vref电压值2倍时，信号检测模块的输入信号与输出信号转换关系如图4所示。

结合图5、6，针对上述装置的一种CAN总线节点ID自动分配方法，包括以下步骤：

步骤1，主机节点控制器单元完成系统初始化操作后，配置PWM模块参数为频率Fs和占空比Duty[0]，通过信号转换模块输出PWM信号至相连的首位从机节点；

步骤2，首位从机节点信号检测模块捕获主机节点发出的PWM信号，该节点控制器单元根据捕获的PWM信号计算其频率和占空比，判断是否满足规定，若满足规定，则根据被捕获PWM信号的占空比Duty[0]将本节点ID设置为所对应的ID[0]，配置PWM模块参数为频率Fs和占空比Duty[1]，通过信号转换模块输出PWM信号至相连的下一级从机节点，然后，等待接收主机节点广播发送的指令帧；

步骤3，其余从机节点信号检测模块捕获前一级从机节点发出的PWM信号，该节点控制器单元根据捕获的PWM信号计算其频率和占空比，判断其是否满足规定；若满足规定，则根据被捕获PWM信号的占空比Duty[n]将本节点ID设置为所对应的ID[n]，配置PWM模块参数为频率Fs和占空比Duty[n+1]，并输出 PWM信号至相连的从机节点，然后，等待接收主机节点广播发送的指令帧；

步骤4，末位从机节点发出的PWM信号至主机节点，主机节点控制器单元根据捕获的PWM信号计算其频率和占空比，判断是否满足规定，若满足规定，则所有从机节点ID分配已完成，可以启动CAN通讯广播指令要求所有从机节点回复确认；

步骤5，若从机节点正确地接收到主机节点发来的指令帧，则从机节点将向主机节点发送已确认配置成功的应答帧；

步骤6，若主机节点准确接收到所有从机节点的应答消息，则表示已经成功建立起CAN通讯网络。

主机节点在实际使用中存在一些故障情况；第一种情况为主机节点未能在规定时间内正确地接收到末尾从机节点发送的PWM信号，则表示主机节点控制器捕获失败，错误计数器自动增加一次，并重新启动捕获工作；第二种情况为错误计数器计数超出3次，则表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位；第三种情况为主机节点未能在规定时间内正确地接收到所有从机节点发送的应答消息，则表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位。所述系统是指整个装置的软件系统，系统复位类似于软件复位，具体描述为软件运行过程复原回到开始执行的第一步。

从机节点在实际使用中存在一些故障情况；第一种情况为从机节点未能在规定时间内正确地接收到相邻的从机节点发送的PWM信号，则表示从机节点控制器捕获失败，错误计数器自动增加一次，并重新启动捕获工作；第二种情况为错误计数器计数超出3次，则将PWM信号设置成含有故障报警信息的特征，并输出PWM信号至相连的从机节点，即表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位；第三种情况为从机节点未能在规定时间内正确地接收到主机节点发送的指令帧，则表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位。

结合图5，所述的主机节点控制器的工作过程包括：

步骤S101，主机节点控制器完成系统初始化操作；

步骤S102，配置PWM模块参数为频率Fs和占空比Duty[0]，并输出PWM 信号至相连的从机节点；

步骤S103，开启PWM捕获中断和定时器中断；

步骤S104，等待捕获末尾的从机节点发来的PWM信号，若捕获成功，转步骤S107；否则转步骤S105；

步骤S105，判断是否超贵规定的捕获时间，若未超过则转步骤S104；否则转步骤S106；

步骤S106，错误计数器增加1，若错误计数器技术未超过3次，转步骤S103；否则，转步骤S110；

步骤S107，计算PWM信号的频率与占空比，判断其是否满足规定，若满足规定，转步骤S109；否则转步骤S108；

步骤S108，错误计数器增加1，若错误计数器技术未超过3次，转步骤S103；否则，转步骤S110；

步骤S109，启动CAN通讯广播指令要求所有从机节点回复确认，若所有从机节点正确应答，则CAN总线节点ID配置成功，建立CAN总线通信网络；否则额转步骤S110；

步骤S110，等待系统复位。

系统复位的情形包括：(1)主机节点未能在规定时间内正确地接收到末尾从机节点发送的PWM信号，则表示主机节点控制器捕获失败，错误计数器自动增加一次，错误计数器计数超出3次，则表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位；(2)主机节点未能在规定时间内正确地接收到所有从机节点发送的应答消息，则表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位.

结合图6，从机节点控制器工作过程包括：

步骤S201，从机节点控制器完成系统初始化操作；

步骤S202，开启PWM捕获中断和定时器中断；

步骤S203，等待捕获末尾的从机节点发来的PWM信号，若捕获成功，转步骤S206；否则转步骤S204；

步骤S204，判断是否超贵规定的捕获时间，若未超过则转步骤S203；否则转步骤S205；

步骤S205，错误计数器增加1，若错误计数器技术未超过3次，转步骤S202；否则，转步骤S214；

步骤S206，计算PWM信号的频率与占空比，判断其是否满足规定，若满足规定，转步骤S208；否则转步骤S207；

步骤S207，错误计数器增加1，若错误计数器技术未超过3次，转步骤S202；否则，转步骤S214；

步骤S208，根据被捕获PWM信号的占空比Duty[n]将本节点ID设置为所对应的ID[n]；

步骤S209，关闭PWM捕获中断和定时器中断；

步骤S210，配置PWM模块参数为频率Fs和占空比Duty[n+1]，并输出PWM 信号至相连的从机节点；

步骤S211，等待接收主机节点广播发送的指令帧并开启定时器中断，若成功接收，转步骤S212；否则转步骤S213；

步骤S212，向主机节点发送已确认配置成功的应答帧；

步骤S213，若定时器未发生中断，转步骤S211；否则转步骤S214；

步骤S214，等待系统复位。

从机节点等待系统复位的情形包括：(1)从机节点未能在规定时间内正确地接收到相邻的从机节点发送的PWM信号，则表示从机节点控制器捕获失败，错误计数器自动增加一次，并重新启动捕获工作，错误计数器计数超出3次，则将 PWM信号设置成含有故障报警信息的特征，并输出PWM信号至相连的从机节点，即表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位；(2)从机节点未能在规定时间内正确地接收到主机节点发送的指令帧，则表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位。

Claims (9)

1.一种CAN总线节点ID自动分配方法，适用于并行连接于CAN总线网络的一个主机节点和若干从机节点，且主机节点通过用于节点ID配置的信号线将若干从机节点串联为闭合回路，其特征在于，包括：

主机节点通过信号线发送PWM信号至与其相连的首位从机节点；

主机节点通过信号线接收末位从机节点发送的PWM信号判断ID配置是否完成；

从机节点通过信号线发送PWM信号至与其相连的下一级从机节点或主机节点；

主机节点和每一从机节点发送的PWM信号频率相同但占空比不同；

从机节点根据前一节点发送的PWM信号的占空比设置相应的ID；

主机节点根据末位从机节点发送的PWM信号判断ID配置是否完成包括以下情形：

(1)主机节点判断末位从机节点发送的PWM信号满足规定，启动CAN通讯广播指令要求所有从机节点回复确认，若主机节点在规定的时间内接收到所有从机节点的应答消息，则表示则所有从机节点ID分配完成；

主机节点接收到末位从机节点发送的PWM信号，并计算该PWM信号的占空比值减去占空比调节系数P，再除以占空比调节系数P得到倍数M，再判断该倍数M是否与从机数量相等，若相等，则满足规定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主机节点根据末位从机节点发送的PWM信号判断ID配置是否完成还包括以下情形：

(2)主机节点未能在规定时间内正确地接收到所有从机节点发送的应答消息，则表示CAN总线节点ID配置失败，系统复位；

(3)主机节点未能在规定时间内正确地接收到末尾从机节点发送的PWM信号，则表示主机节点控制器捕获失败，错误计数器自动增加一次，并重新启动接收末位从机节点工作；

若错误计数器计数超出3次，则表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若从机节点未能在规定时间内正确地接收到相邻的从机节点发送的PWM信号，则表示从机节点控制器捕获失败，错误计数器自动增加一次，并重新启动捕获工作；

若错误计数器计数超出3次，则将PWM信号设置成含有故障报警信息的特征，并输出PWM信号至相连的从机节点，等待系统复位；

若从机节点未能在规定时间内正确地接收到主机节点发送的指令，则表示CAN总线节点ID配置失败，等待系统复位。

4.一种CAN总线节点ID自动分配装置，包括并行连接于CAN总线网络的一个主机节点和若干从机节点，且主机节点通过用于节点ID配置的信号线将若干从机节点串联为闭合回路，其特征在于，每一节点包括信号检测模块、控制器单元、信号转换模块；其中

每一节点的信号检测模块用于接收前一节点发射的PWM信号，

每一节点的信号转换模块用于向后一节点发射PWM信号，

控制器单元配置PWM信号的频率、占空比，且主机节点和每一从机节点发送的PWM信号频率相同但占空比不同，

主机节点的控制器单元还根据末位从机节点发射的PWM信号判断ID配置是否完成，

从机节点的还根据主机节点或上一级从机节点发射的PWM信号设置相应的ID；

主机节点根据末位从机节点发送的PWM信号判断ID配置是否完成包括以下情形：

主机节点判断末位从机节点发送的PWM信号满足规定，启动CAN通讯广播指令要求所有从机节点回复确认，若主机节点在规定的时间内接收到所有从机节点的应答消息，则表示则所有从机节点ID分配完成；

主机节点接收到末位从机节点发送的PWM信号，并计算该PWM信号的占空比值减去占空比调节系数P，再除以占空比调节系数P得到倍数M，再判断该倍数M是否与从机数量相等，若相等，则满足规定。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，相邻节点之间通过一对互补相位的PWM信号PWM_P和PWM_N传递节点ID配置信息。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，信号检测模块包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)和第一运算放大器(U1)；其中

第一电阻(R1)第一引脚接前一节点的PWM_N信号，

第一电阻(R1)第二引脚分别接第二电阻(R2)第一引脚和第一运算放大器(U1)反相输入端，

第三电阻(R3)第一引脚接前一节点的PWM_P信号，

第三电阻(R3)第二引脚分别第四电阻(R4)第二引脚和第一运算放大器(U1)同相输入端，

第四电阻(R4)第一引脚接参考电压，

第二电阻(R2)第二引脚分别接第一运算放大器(U1)输出端和控制器单元输入端。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，第二电阻(R2)阻值等于第一电阻(R1)阻值2倍，第四电阻(R4)阻值等于第三电阻(R3)阻值2倍，供电电源VCC电压值等于参考电源Vref电压值2倍。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，信号转换模块包括第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第二运算放大器(U2)、第三运算放大器(U3)；其中

第八电阻(R8)和第十电阻(R10)的第一引脚接控制器单元输出端，

第八电阻(R8)第二引脚分别接第二运算放大器(U2)同相输入端和第七电阻(R7)第二引脚，

第七电阻(R7)和第五电阻(R5)第一引脚接参考电压，

第五电阻(R5)第二引脚分别接第二运算放大器(U2)反相输入端和第六电阻(R6)第一引脚，

第六电阻(R6)第二引脚分别接第二运算放大器(U2)输出端和第九电阻(R9)第一引脚，

第九电阻(R9)第二引脚作为PWM_P信号的输出端，

第十电阻(R10)第二引脚分别接第三运算放大器(U3)反向输入端和第十一电阻(R11)第一引脚，

第十二电阻(R12)第一引脚接参考电压，

第十二电阻(R12)第二引脚接第三运损放大器(U3)同相输入端，

第十一电阻(R11)第二引脚分别接第三运算放大器(U3)输出端和第十三电阻(R13)第一引脚，

第十三电阻(R13)第二引脚作为PWM_N信号的输出端。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，第五至第八电阻和第十至第十二电阻阻值相等，第九电阻(R9)和第十三电阻(R13)等于传输路径特征阻抗，供电电源VCC电压值等于参考电源Vref电压值2倍。

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