CN110650066A

CN110650066A - 一种基于嵌入式的总线通信检测系统及其可靠性检测方法

Info

Publication number: CN110650066A
Application number: CN201910924416.5A
Authority: CN
Inventors: 宋宇飞; 焦良葆; 王少东
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2039-09-27
Also published as: CN110650066B

Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式的总线通信检测系统及其可靠性检测方法，基于通过RS‑485总线、CAN总线两路总线各自独立传输数据并通过UART通信协议、MVB协议和CAN总线协议来分别封装解析两路数据，来模拟列车通信网（TCN）的运行。与此同时在嵌入式设备中移植UCOSII系统，便于其进行多任务运行与管理；并增添LWIP协议使其与PC机建立连接，为数据通过以太网线传输至上位机进行数据处理建立了协议基础。最终将嵌入式端应用于总线通信检测系统中进行TCN相关网卡的质量评估，并借助示波器从物理层来分析其通信错误的原因。

Description

一种基于嵌入式的总线通信检测系统及其可靠性检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于嵌入式的总线通信检测系统可靠性检测方法，属于地铁门控器通信模块可靠性检测技术。

背景技术

自1804年第一台蒸汽机出现以来，现代运输要求在不断提高，火车也在不停地变革：蒸汽机车—内燃机车—电力机车—和谐铁路；列车速度在不断提升的同时，列车通信网络（TCN）的重要性也在飞跃式增长。作为现场总线重要组成部分的CAN总线、MVB、485总线则又各自凭借着自身的优点在国际上得到广泛的应用。DCS的快速发展和远距离抗干扰能力强的数字通信总线的迫切需求使得人们开发出RS485总线，其最大通信距离可达1219m，此时传输速率达到100kb/s，其最大传输速率可达到10Mbit/s；具备抗共模干扰能力强、联网功能的可实现性、与TTL电平的可兼容性、总线收发器的高灵敏度等优点。

RS485总线在工业多点数据通信领域有着别的总线无法比拟的独特优势。用总线技术将各节点设备连接后再通过网络传输将数据传输至上位机进行处理，可使得整个总线通信系统在智能家居领域中广泛应用。

作为通信网络组成的物理基础，现场总线显得分外重要。目前，市场上运用较多的总线主要包括CAN总线、MVB、485总线等。现场总线在被大比例使用到工程的同时，其通信的可靠性也显得格外重要。其不但需要各种检测系统来剔除不合格总线通信模块，还需要工程师能够分析出其通信不可靠的原因，以此来解决影响总线通信的问题并提高总线通信的可靠性。

发明内容

本发明目的为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于嵌入式的总线通信检测系统及其可靠性检测方法，可以适用于地铁门控器通信或者其他现场总线的可靠性检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于嵌入式的总线通信检测系统可靠性检测方法，包括嵌入式监测端，上位机数据分析端。通信模块在测试前先进行相应的配置，由总线数据发送端通过CAN和485两路不同的总线向嵌入式接收端发送任意数据，总线通信检测系统模块将接受到的数据通过以太网线传输到PC端，再由PC端的上位机软件进行数据存储和处理。

所述嵌入式监测端包括微处理器STM32F407ZGT6，CAN 收发器 TJA1050，485 收发器 SP3485，以太网芯片LAN8720A和以太网接口插座RJ45。所述微处理器通过GPIOA11和GPIOA12连接到CAN收发器TJ1050的数据接收和数据发送端口，所述CAN收发器TJ1050的CAN_H和CAN_L两个电平出口连接到CAN总线通信接口；所述微处理器通过GPIOB10和GPIOB11连接到485收发器SP3485接收数据和发送数据的接口，通过GPIOG8口控制SP3485数据的收发，所述485收发器SP3485的A、B两个电平输出口连接到485总线通信接口；所述以太网芯片LAN8720A与微处理器之间通过RMII接口传输数据，与所述以太网接口插座RJ45之间通过两对发送和接收差分线传输数据。

所述嵌入式监测端与PC机通过各自的RJ45接口使用网线连接起来，两者使用以太网进行数据传输通信。所述PC上位机基于Qt编写，上位机软件能够接收不同下位机客户端传输的数据并显示，而且能实现比对原始发送数据与所接收的数据之间误差，计算误码数和误码率的功能，同时能将计算结果显示在界面上，并将错误数据保存到特定的EXCEL文件中。

本发明还公开了上述基于嵌入式的总线通信检测系统的可靠性检测方法，包括如下步骤：

步骤1：总线数据发送端进行初始化，检测数据发送端485总线接口和CAN总线接口是否有数据传出以及传出数据是否正确；若数据开始传输且传输正确，则进入步骤2；否则，返回步骤1。

步骤2：嵌入式监测端上电后，开始初始化CAN通信总线，使能CAN时钟，需要设置CAN的模式以及位时序，CAN通信的邮箱和新数据是否覆盖以及滤波器，然后启用CAN总线数据接收中断提示数据到来并接收，接着STM32F767IGT6微处理器芯片检测CAN总线是否初始化成功：若初始化成功，则进入步骤3；否则，打印错误，返回步骤2。

步骤3：嵌入式监测端检测到CAN总线初始化成功，开始初始化485通信总线，配置为接收模式并开启串口接收中断和485接收数据函数，STM32F767IGT6微处理器芯片检测485总线是否初始化成功：若初始化成功，则进入步骤4；否则，打印错误，返回步骤3。

步骤4：嵌入式监测端检测到485总线初始化成功，接着初始化UCOSII操作系统，STM32F407ZGT6微处理器芯片检测操作系统内核初始化返回代码：若为成功代码，则进入步骤5；否则，结束嵌入式监控端程序运行，抛出异常。

步骤5：微处理器接收到UCOSII初始化成功代码，接着判断LAN8720A的RMII接口是否配置成功：若配置成功，则进入步骤6；否则，返回步骤5。

步骤6：RMII接口配置成功，表示嵌入式监控端以太网初始化成功，然后打开上位机，配置上位机端口号，开始侦听对应端口，检查上位机服务器端是否侦听成功：若侦听成功，则进入步骤7；否则，返回步骤6，上位机服务器端不断尝试侦听，直到侦听成功。

步骤7：上位机服务器端侦听成功，表示可以允许嵌入式下位机进行连接，这时需要配置嵌入式监控端即TCP客户端的IP地址、子网掩码、网关等信息，选择对应于服务器的端口号，进行TCP连接，然后检查TCP客户端是否连接成功：若连接成功，则进入步骤8；否则，不断重复尝试连接至上位机服务器，返回步骤7。

步骤8：TCP客户端初始化成功，STM32F767IGT6微处理器等待485数据接收中断或者CAN总线接收中断，如果接收到了485数据接收中断，则进入步骤9；如果接收到了CAN总线接收中断，则进入步骤10；否则，返回步骤8，等待任一数据接收中断到来。

步骤9：微处理器接收到485数据接收中断，说明有数据帧通过485总线传输过来，MCU将接收到的数据帧显示在LCD上，同时通过以太网发送接口将此数据帧数据发送至上位机，进入步骤11；否则，返回步骤8等待485数据接收中断。

步骤10：微处理器接收到CAN总线接收中断，说明有数据帧通过CAN总线传输过来，MCU将接收到的数据帧显示在LCD上，同时通过以太网发送接口将此数据帧数据发送至上位机，进入步骤11；否则，返回步骤8等待CAN总线接收中断。

步骤11：嵌入式监控端有采集的数据通过网线传输到PC，则需要查看上位机端客户端的连接情况，当嵌入式客户端连接成功后，开始有不同IP地址的客户端采集到的CAN总线数据帧或485总线数据帧等被传到上位机，这时上位机端就会根据不同客户端IP地址将接收到的数据包分类并显示在界面相应区域，同时与预先设定好的发送正确的文本比对，计从而算误码数、误码率、帧周期等数据，若数据有错误则将接收的数据保存进每个客户端IP特定的EXCEL文件中，保存的属性有帧周期、时间、误码数、误码率。

有益效果：

本发明使用嵌入式前端完成对被检测通信模块发送的数据进行简单处理并将数据传输至PC机；使用PC机来对数据进行存储和复杂处理。使用嵌入式设备和PC机相结合的方案可使得监控点之间的工作场地距离无限制，只要监控器工作场地有网口就可以将其监控的数据传输到PC机，这样有利于工程师从一个PC总监控端远程实时监控原始通信数据，分析通信不可靠的原因，从而完成总线通信系统中TCN相关网卡的质量评估，提高了工作效率并降低了实施成本，以此来解决影响总线通信的问题并提高总线通信的可靠性。

附图说明

图1为本发明总线通信检测系统架构图；

图2为本发明系统物理拓扑示意图；

图3为本发明系统测试结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所述，本实施例公开了一种基于嵌入式的总线通信检测系统，包括嵌入式监测端，上位机数据分析端。总线数据发送端在配置成功后通过CAN和485两路不同的总线向所述总线通信检测模块即嵌入式接收端发送任意数据，所述嵌入式监测端以微处理器STM32F407ZGT6为核心，通过GPIOA11和GPIOA12连接到CAN收发器TJ1050的数据接收和数据发送端口，所述CAN收发器TJ1050的CAN_H和CAN_L两个电平出口连接到CAN总线通信接口，总线数据发送端的CAN总线数据即通过此通信接口被嵌入式检测端接收；所述嵌入式监测端通过GPIOB10和GPIOB11连接到485收发器SP3485接收数据和发送数据的接口，通过GPIOG8口控制SP3485数据的收发，所述485收发器SP3485的A、B两个电平输出口连接到485总线通信接口，总线数据发送端的485总线数据即通过此通信接口被嵌入式检测端接收。

如图2，若嵌入式监控端从任一总线上接收到了数据，即通过TCP经过网线传输给上位机，上位机端接收到总线原始数据后将数据显示在界面对应区域，并比对原始发送数据与所接收的数据之间误差，计算误码数和误码率的功能，同时能将计算结果显示在界面上，并同步将错误数据保存到特定的EXCEL文件中。

整个系统的测试流程如图3，主要完成以下三点工作：

(1)环境搭建：总线发送端发送数据，监控系统前端负责接收，与此同时前端通过TCP/IP协议转发给上位机，上位机负责统计误码情况；

(2)在信源指定位置进行漏码和错码，并在上位机软件的检测下查看测试结果。

(3)在信源相同指定位置进行漏码和错码，并在示波器上查看被捕捉的畸变波形。

所述嵌入式监控端与485总线或CAN总线之间的数据通信，在这里即为从总线接收数据是通过中断来实现的，这样提升了系统运行的效率和处理数据的及时性。CAN总线利用总线接收中断来提示 CAN 总线上传来数据，同时中断服务函数中则用来接收数据帧，将其存放在提前开辟好的缓冲区中，当CAN接收中断中判断到来了有效数据，则向以太网总线数据发送任务发出CAN总线数据到来信号，置相应标志位为有效值，当UCOSII操作系统执行到以太网发送任务时就会根据CAN总线数据发送标志位是否有效来决定是否将缓冲区数据发送至上位机。同样，485总线利用连接到信号转换芯片SP3485（SP3485将485总线信号转换为串口信号）的嵌入式串口收发线的中断来提示并接收数据，串口接收中断接收数据帧并将其暂存在一个FIFO缓冲区中，同时当UCOSII操作系统执行到以太网发送任务会循环检测FIFO缓冲区中的下一个有效读取位置是否有有效的数据帧，若有有效数据帧，则将其取出至另一个新开辟的缓冲区，将此缓冲区中数据发送到上位机，否则若检测到FIFO缓冲区下一个有效位置无有效数据，则跳过此次485总线数据发送，执行程序中其他的操作。

所述嵌入式监控端将采集到的图像数据通过以太网传输给上位机后，上位机需要进行数据的接收和解析工作。如图3的系统测试流程，信源添加自制的错误数据并发送相当于模拟现场总线原始数据出错或者由于发送干扰而导致的数据出错情况，上位机端即要完成错误的检测功能。由于现场总线特定信源发送的数据在正常情况下是稳定的，如地铁门控器的工作数据等，所以在上位机端人工设定的发送正确的文本是固定的，如果没有出错每次发送都应该是这组数据，这样发送错误时进行对比就能立刻发现数据发生错误的位置。

上位机端判断错误的统计方法为：错码、漏码、多码统视为误码，统计数字精确到字节数，且上一帧的误码不会对下一帧误码的判断造成影响，上一字节的误码不会对接下来误码的判断造成影响，即本系统尽可能地避免由于字节间错位而产生的一连串判错现象。上位机端平均误码率的计算方法如下：

上位机端接收到数据后首先按照嵌入式的IP地址和一帧数据为划分单位将数据显示在界面上，同时若有多个嵌入式客户端连接到上位机，可以由操作者自由选择所连接的嵌入式IP，并将这个特定的节点的数据显示在特定的位置，用于独立观察。上位机端显示完数据后将其与正确发送数据比对，统计数据帧发送周期，当达到一周期时，计算此帧数据误码数和误码率，同时实时保存错误信息到以对应发送出错数据嵌入式端IP为名字命名的EXCEL表格中，保存的属性有帧周期、时间、误码数、误码率，以便于后续错误数据分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于嵌入式的总线通信检测系统，其特征在于：包括嵌入式监测端，上位机数据分析端；通信模块在测试前由总线数据发送端通过CAN和485两路不同的总线向嵌入式接收端发送任意数据，总线通信检测系统模块将接受到的数据通过以太网线传输到PC端，再由PC端的上位机软件进行数据存储和处理。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式的总线通信检测系统，其特征在于：所述嵌入式监测端包括微处理器STM32F407ZGT6，CAN 收发器 TJA1050，485 收发器 SP3485，以太网芯片LAN8720A和以太网接口插座RJ45；所述微处理器STM32F407ZGT6通过GPIOA11和GPIOA12连接到CAN收发器TJ1050的数据接收和数据发送端口，所述CAN收发器TJ1050的CAN_H和CAN_L两个电平出口连接到CAN总线通信接口；所述微处理器STM32F407ZGT6通过GPIOB10和GPIOB11连接到485收发器SP3485接收数据和发送数据的接口，通过GPIOG8口控制SP3485数据的收发，所述485收发器SP3485的A、B两个电平输出口连接到485总线通信接口；所述以太网芯片LAN8720A与微处理器STM32F407ZGT6之间通过RMII接口传输数据，与所述以太网接口插座RJ45之间通过两对发送和接收差分线传输数据。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式的总线通信检测系统，其特征在于：所述嵌入式监测端与PC机通过各自的RJ45接口使用网线连接起来，两者使用以太网进行数据传输通信，所述PC上位机基于Qt编写，上位机软件能够接收不同下位机客户端传输的数据并显示，而且能实现比对原始发送数据与所接收的数据之间误差，计算误码数和误码率的功能，同时能将计算结果显示在界面上，并将错误数据保存到特定的EXCEL文件中。

4.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的总线通信检测系统的可靠性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：总线数据发送端进行初始化，检测数据发送端485总线接口和CAN总线接口是否有数据传出以及传出数据是否正确；若数据开始传输且传输正确，则进入步骤2；否则，返回步骤1；

步骤2：嵌入式监测端上电后，开始初始化CAN通信总线，使能CAN时钟，需要设置CAN的模式以及位时序，CAN通信的邮箱和新数据是否覆盖以及滤波器，然后启用CAN总线数据接收中断提示数据到来并接收，接着STM32F767IGT6微处理器芯片检测CAN总线是否初始化成功：若初始化成功，则进入步骤3；否则，打印错误，返回步骤2；

步骤3：嵌入式监测端检测到CAN总线初始化成功，开始初始化485通信总线，配置为接收模式并开启串口接收中断和485接收数据函数，STM32F767IGT6微处理器芯片检测485总线是否初始化成功：若初始化成功，则进入步骤4；否则，打印错误，返回步骤3；

步骤4：嵌入式监测端检测到485总线初始化成功，接着初始化UCOSII操作系统，STM32F407ZGT6微处理器芯片检测操作系统内核初始化返回代码：若为成功代码，则进入步骤5；否则，结束嵌入式监控端程序运行，抛出异常；

步骤5：微处理器接收到UCOSII初始化成功代码，接着判断LAN8720A的RMII接口是否配置成功：若配置成功，则进入步骤6；否则，返回步骤5；

步骤6：RMII接口配置成功，表示嵌入式监控端以太网初始化成功，然后打开上位机，配置上位机端口号，开始侦听对应端口，检查上位机服务器端是否侦听成功：若侦听成功，则进入步骤7；否则，返回步骤6，上位机服务器端不断尝试侦听，直到侦听成功；

步骤7：上位机服务器端侦听成功，表示可以允许嵌入式下位机进行连接，这时需要配置嵌入式监控端即TCP客户端的IP地址、子网掩码、网关信息，选择对应于服务器的端口号，进行TCP连接，然后检查TCP客户端是否连接成功：若连接成功，则进入步骤8；否则，不断重复尝试连接至上位机服务器，返回步骤7；

步骤8：TCP客户端初始化成功，STM32F767IGT6微处理器等待485数据接收中断或者CAN总线接收中断，如果接收到了485数据接收中断，则进入步骤9；如果接收到了CAN总线接收中断，则进入步骤10；否则，返回步骤8，等待任一数据接收中断到来；

步骤9：微处理器接收到485数据接收中断，说明有数据帧通过485总线传输过来，MCU将接收到的数据帧显示在LCD上，同时通过以太网发送接口将此数据帧数据发送至上位机，进入步骤11；否则，返回步骤8等待485数据接收中断；

步骤10：微处理器接收到CAN总线接收中断，说明有数据帧通过CAN总线传输过来，MCU将接收到的数据帧显示在LCD上，同时通过以太网发送接口将此数据帧数据发送至上位机，进入步骤11；否则，返回步骤8等待CAN总线接收中断；

步骤11：嵌入式监控端有采集的数据通过网线传输到PC，则需要查看上位机端客户端的连接情况，当嵌入式客户端连接成功后，开始有不同IP地址的客户端采集到的CAN总线数据帧或485总线数据帧等被传到上位机，这时上位机端就会根据不同客户端IP地址将接收到的数据包分类并显示在界面相应区域，同时与预先设定好的发送正确的文本比对，计从而算误码数、误码率、帧周期数据，若数据有错误则将接收的数据保存进每个客户端IP特定的EXCEL文件中，保存的属性有帧周期、时间、误码数、误码率。