CN111628920B - 多个串行接口设备间的相互通信方法 - Google Patents

多个串行接口设备间的相互通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多个串行接口设备间的相互通信方法，包括步骤：多个串行接口的机电设备(1)通过对应节点设备(3)挂载到CAN总线(2)上；第一机电设备(101)向第一节点设备(301)发串行接口数据，经第一节点设备的设备收发器(34)发至微控制单元(31)；串行接口数据转换为CAN总线报文并发到CAN总线；CAN总线将CAN总线报文发送至第二节点设备(302)，第二节点设备的CAN收发器接收并发至微控制单元；微控制单元将CAN总线报文转换为串行接口数据并发至第二机电设备(102)。本发明通过CAN总线报文与串行接口数据间的相互转换实现CAN总线上多个设备通过各自的串行接口通信，降低系统复杂度。

Description

多个串行接口设备间的相互通信方法
技术领域
本发明涉及一种工业设备的通信控制方法，尤其涉及一种多个串行接口设备间的相互通信方法。
背景技术
目前，设备间点对点串行通信方式包括UART、SPI、RS232等，由于上述通信方式具有简单、可靠、成本低等优势，所以大量的机电设备均支持上述的通信方式，且被广泛应用于工业控制领域。但是上述通信方式存在明显的缺陷：1、上述方式只能在两个机电设备之间实现点对点通信；2、不同的机电设备支持的通信方式可能不同，从而导致无法通信。
一方面，如果整个系统中存在多个机电设备时，每两个机电设备之间利用点对点串行协议通信会使整个通信系统变得非常繁琐。当系统中有多个机电设备需要相互通信时，这需要将所有相互通信的机电设备之间通过通信线缆两两相互连接，而且所有机电设备必须有多个通信接口。如果通信系统的通信方式为通过主控设备与其他所有从属设备通信，则需要将主控设备与所有从属设备通过通信线缆两两相互连接，且主控设备必须有足够的通信接口。上述情况下，随着整个通信系统中设备的增多，整个系统的复杂性将急剧增加。
另一方面，不同的机电设备往往只支持某一种点对点串行通信方式，即不同的机电设备支持不同的通信方式，如果系统的通信方式为主控设备与其他所有从属设备通信，这使得主控设备必须同时支持多种通信方式才能与所有机电设备实现通信。
上述问题在汽车工业领域更加突出，随着汽车中电子设备的增多，设备间通信变得十分复杂。如果继续使用点对点的串行通信协议，线缆的数目将急剧增多，布线将变得非常困难，整个系统将变得十分臃肿、成本高昂且难以维护。因此，CAN(Controller AreaNetwork)总线通信系统应运而生。CAN总线通信系统中，所有设备节点只需要通过High和Low两根线连接起来，就可以实现互相通信；且CAN总线具有可靠、抗干扰、灵活等优势，在工业控制领域中使用CAN总线通信可以大大减低整个系统的复杂性，提升可靠性，增加灵活性。但现有技术中只支持点对点串行协议的机电设备无法接入CAN总线并实现通信。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多个串行接口设备间的相互通信方法，通过CAN总线报文与串行接口数据之间的相互转换实现CAN总线上多个任意类型的串行接口设备之间的通信，降低控制系统和通信系统的复杂度。
本发明是这样实现的：
一种多个串行接口设备间的相互通信方法，包括以下步骤：
步骤1：将若干个串行接口的机电设备分别通过对应的节点设备挂载到CAN总线上；
所述的节点设备包括微控制单元、CAN收发器、控制器和设备收发器，微控制单元通过CAN收发器与CAN总线连接，设备收发器的串行接口与机电设备的串行接口一致，使机电设备通过设备收发器与微控制单元连接
步骤2：第一机电设备向与第一机电设备连接的第一节点设备发送串行接口数据，第一节点设备的设备收发器接收串行接口数据并将串行接口数据发送至微控制单元；
步骤3：第一节点设备的微控制单元将串行接口数据转换为CAN总线报文，并将CAN总线报文通过第一节点设备的控制器经CAN收发器发送到CAN总线；
步骤4：CAN总线将CAN总线报文发送至第二节点设备，第二节点设备的CAN收发器接收CAN总线报文，并通过控制器将CAN总线报文发送至微控制单元；
步骤5：第二节点设备的微控制单元将CAN总线报文转换为串行接口数据，并通过设备收发器将串行接口数据发送至第二机电设备，实现两个机电设备之间的通信。
所述的CAN总线报文的ID包括信息标识、目标对象地址、源对象地址和指令。
所述的信息标识、目标对象地址、源对象地址和指令的长度均固定，且目标对象地址的长度与源对象地址的长度一致并在通信过程中保持不变。
所述的串行接口数据包括控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段，且控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段之间通过特殊标识符标识。
所述的控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段之间的特殊标识符依次为开始标识符、正文开始标识符、正文结束标识符和结束标识符。
所述的串行接口数据还包括非特殊标识符，即转义标识符，非特殊标识符插入在串行接口数据中该相同字节之前。
非特殊标识符的长度为1字节。
所述的控制字段的长度为2字节；CAN控制字段的长度为1字节；CAN ID字段的长度为：标准ID为2字节、扩展ID为4字节；特殊标识符的长度为1字节。
所述的校验字段的校验方式为：奇偶校验、异或校验或CRC。
所述的校验字段的长度为1字节。
综上所述，本发明可以将串行接口数据与CAN总线报文相互转换，实现支持任意数量和类型串行接口机电设备接入CAN总线，并将CAN总线报文ID划分出目标对象和来源对象地址，实现了任意两个接入CAN总线的机电设备之间的双向通信，从而可以有效降低控制系统和通信系统的复杂度，降低控制成本，尤其适合应用于工业控制设备中。
附图说明
图1是本发明多个串行接口设备间的相互通信方法的原理图；
图2是本发明多个串行接口设备间的相互通信方法中实施例1的原理图。
图中，1机电设备，101第一机电设备，102第二机电设备，103第三机电设备，2CAN总线，3节点设备，31微控制单元，32CAN收发器，33控制器，34设备收发器，301第一节点设备，302第二节点设备，303第三节点设备。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1，一种多个串行接口设备间的相互通信方法，包括以下步骤：
步骤1：将若干个串行接口的机电设备1分别通过对应的节点设备3挂载到CAN总线2上。若干个机电设备1可采用相同或不同的串行接口，包括第一机电设备101、第二机电设备102、第三机电设备103…第n机电设备10n(n为自然数)，其对应的节点设备3可包括第一节点设备301、第二节点设备302、第三节点设备303…第n节点设备30n(n为自然数)，n的数量可根据实际设备需求扩展。
每个所述的节点设备3包括微控制单元(MCU)31、CAN收发器32、控制器33和设备收发器34，微控制单元31通过CAN收发器32与CAN总线2连接，设备收发器34的串行接口与机电设备1的串行接口一致，使机电设备1通过设备收发器34与微控制单元31连接。微控制单元31可采用现有技术的单片机，通过单片机的计算单元实现数据的编码和解码，即可实现CAN总线报文与串行接口数据之间的转换。
步骤2：第一机电设备101向与第一机电设备101连接的第一节点设备301发送串行接口数据，第一节点设备301的设备收发器34接收串行接口数据并将串行接口数据发送至微控制单元31。
步骤3：第一节点设备301的微控制单元31将串行接口数据转换为CAN总线报文，并将CAN总线报文通过第一节点设备301的控制器33经CAN收发器32发送到CAN总线2。
步骤4：CAN总线2将CAN总线报文发送至第二节点设备302，第二节点设备302的CAN收发器32接收CAN总线报文，并通过控制器33将CAN总线报文发送至微控制单元31。
步骤5：第二节点设备302的微控制单元31将CAN总线报文转换为串行接口数据，并通过设备收发器34将串行接口数据发送至第二机电设备102，实现两个机电设备1之间的通信。
所述的串行接口数据包括控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段，且控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段之间通过特殊标识符标识，CAN ID字段为CAN总线报文ID，从而可使CAN总线报文与串行接口数据之间能够通过编解码实现转换。
所述的CAN总线报文的ID包括信息标识、目标对象地址、源对象地址和指令。信息标识、目标对象地址、源对象地址和指令的长度均固定，且目标对象地址的长度与源对象地址的长度一致，用于标识出该发送报文的目标对象地址和源对象地址，目标对象即接收数据的对象，源对象即发送数据的对象。信息标识用于标识信息的类型，指令用于标识此报文对于目标对象的具体含义。在CAN总线2上可也挂载非串行接口的其他机电设备，通过CAN总线报文实现其他机电设备的通信。
所述的CAN总线2上的所有节点设备3的地址均预先确定，并在通信过程中保持不变。
所述的控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段之间的特殊标识符依次为开始标识符、正文开始标识符、正文结束标识符和结束标识符。
所述的控制字段的长度为2字节，控制字段为预留控制节点设备3的字段，其中包含控制节点设备3的状态，与节点设备3通过点对点串行接口通信的指令。
所述的CAN控制字段的长度为1字节，负责标注CAN总线报文的属性，在这个字节的8位中，1位标注CAN总线报文是数据帧或者远程帧，1位标注CAN总线报文是扩展ID还是标准ID，4位标注CAN总线报文的数据长度。
CAN ID字段的长度为：标准ID为2字节、扩展ID为4字节，表示CAN总线报文的ID，可以为标准ID(11位)，也可以为扩展ID(29位)。
若CAN总线报文为标准帧，该标准帧的ID有11位，即[10-0]。优选的，11位标准ID可以做如下划分：将ID最高位1位，即[10]，作为信息标识；将3位，即[9-7]，作为目标对象地址；将3位，即[6-4]，作为源对象地址；将4位，即[3-0]，作为指令。
若CAN总线报文为扩展帧，该扩展帧ID有11+18位，即[10-0]+[17-0]。优选的，29位扩展ID可以做如下划分：将标准ID最高位3位，即[10-8]，作为信息标识；将8位，即[7-0]，作为目标对象地址；将扩展ID中8位，即[17-10]，作为源对象地址；将10位，即[9-0]，作为指令。
CAN数据字段表示CAN总线数据帧的数据内容，其长度由数据长度而定，由于CAN数据帧最长为8个字节，CAN数据字段最长也是8个字节。
所述的校验字段可采用奇偶校验、异或校验或CRC(Cyclic Redundancy Check，即循环冗余校验)，校验字段的长度为1字节，用于对校验字段之前的数据进行校验处理，保证整个传输过程没有被干扰，数据传输正常。
所述的特殊标识符的长度为1字节。
所述的串行接口数据还包括非特殊标识符，即转义标识符，当特殊标识符与正常数据相同时，为防止特殊标识符与正常数据中某个字节相同而发生混淆，将该非特殊标识符插入在正常的串行接口数据中该相同字节之前，达到转义的目的。
所述的非特殊标识符的长度为1字节。
通过上述方法，可对接入CAN总线2的机电设备1进行扩展，并实现任意机电设备x(对象地址对应为X)和y(对象地址对应为Y)之间的通信。
实施例1：
请参见附图2，利用以微控制单元31(Microcontroller Unit，简称MCU)为核心，带有CAN收发器32、控制器33和基于RS232的设备收发器34的第一节点设备301将仅支持RS232的第一机电设备101挂载到CAN总线2上。第一节点设备301的CAN收发器32、控制器33、微控制单元31和设备收发器34依次连接，且CAN收发器32连接至CAN总线2，设备收发器34连接至第一机电设备101。第一节点设备301的地址设定为001，第一机电设备101的某一指令为1001。
同样的，利用以微控制单元31为核心，带有CAN收发器32、控制器33和基于SPI的设备收发器34的第二节点设备302将仅支持SPI的第二机电设备102挂载到CAN总线2上。第二节点设备302的CAN收发器32、控制器33、微控制单元31和设备收发器34依次连接，且CAN收发器32连接至CAN总线2，设备收发器34连接至第二机电设备102。第二节点设备302的地址设定为010，第二机电设备102的某一指令为0101。
利用以微控制单元31为核心，带有CAN收发器32、控制器33和基于UART的设备收发器34的第三节点设备303将仅支持UART的第三机电设备103挂载到CAN总线2上。第三节点设备303的CAN收发器32、控制器33、微控制单元31和设备收发器34依次连接，且CAN收发器32连接至CAN总线2，设备收发器34连接至第三机电设备103。第三节点设备303的地址设定为011。
当第一节点设备301向第二节点设备302发送通信数据时，第一节点设备301通过基于RS232的设备收发器34将串行接口数据传递给微控制单元31，微控制单元31通过编码，将串行接口数据转换为CAN总线报文，再通过控制器33和CAN收发器32将CAN总线报文发送到CAN总线2上；CAN总线2将CAN总线报文转发至第二节点设备302的控制器33和CAN收发器32，第二节点设备302的微控制单元31通过解码将CAN总线报文转换为串行接口数据，并通过基于SPI的设备收发器34将串行接口数据传递给第二节点设备302。
由于CAN总线报文以“帧”为单位发送，而串行接口数据以字节为单位发送。因此，需要将CAN总线报文与串行接口数据之间相互转换。
串行接口数据以一个开始标识符和结束标识符之间的数据表示一个CAN的帧。其中开始标识符(优选为01)、正文开始标识符(优选为02)、正文结束标识符(优选为03)、结束标识符(优选为04)为4个长度为1字节的标识符，将串行接口数据划分为控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段5个字段。但是由于其他字段的数据都是可变的，可能会出现与上述四个特殊标识符相同的字符出现在其他字段的情况。为避免混淆，采用非特殊标识符即转义标识符(优选为05)来表示后续字符为非特殊的字符。例如，在CAN数据字段中包含字符03，与正文结束标识符03相同，为避免编码混淆，需要在CAN数据字段的字符03之前插入转义标识符05，标识转义标识符05后面的字符为CAN数据字段，并不是正文结束标识符。
第一机电设备101向第二机电设备102发送0101指令时，第一机电设备101通过RS232接口向第一节点设备301的设备收发器34发送的串行接口数据为：01(开始标识符)0000(控制字段)02(正文开始标识符)00(CAN控制字段)01 21(CAN标准ID字段)03(正文结束标识符)20(异或校验字段)04(结束标识符)，即01 00 00 02 00 01 21 03 20 04；第一节点设备301的微控制单元31将该串行接口数据转换成CAN总线报文。
CAN总线报文采用标准帧发送至CAN总线2，并由CAN总线2转发至第二节点设备302。该串行接口数据中CAN ID字段[10]位为0，表示重要信息，[9-7]位为010，表示此报文是发送给第二机电设备102的，[6-4]位为001，表示此报文是由第一机电设备101发送出去的，[3-0]位为0101，表示发送给第二机电设备102的指令为0101，因此该CAN ID字段为00100010101。
第二节点设备302的微控制单元31将CAN总线报文转换成相应的串行接口数据，并通过第二节点设备302的基于SPI接口的设备收发器34发送至第二机电设备102，第二机电设备102接收到的串行接口数据为：01(开始标识符)00 00(控制字段)02(正文开始标识符)00(CAN控制字段)01 21(CAN标准ID字段)03(正文结束标识符)20(异或校验字段)04(结束标识符)，即01 00 00 02 00 01 21 03 20 04，完成第一机电设备101向第二机电设备102发送指令和数据的过程，从而实现两个机电设备1之间的单向通信。
同理，当第二机电设备102需要向第一机电设备101发送1001指令时，第二机电设备102发送到第二节点设备302的串行接口数据为：01(开始标识符)00 00(控制字段)02(正文开始标识符)00(CAN控制字段)00 169(CAN标准ID字段)03(正文结束标识符)169(异或校验字段)04(结束标识符)，即01 00 00 02 00 00 16903 169 04，第二节点设备302对该串行接口数据进行解码，转换为CAN总线报文，该串行接口数据中CAN ID字段为00010101001。CAN总线报文由CAN总线2转发至第一节点设备301，并由第一节点设备301的微控制单元31编码成相应的串行接口数据为：01(开始标识符)00 00(控制字段)02(正文开始标识符)00(CAN控制字段)00 169(CAN标准ID字段)03(正文结束标识符)169(异或校验字段)04(结束标识符)，即01 00 00 02 00 00 169 03 169 04，再通过基于RS232接口的设备收发器34发送至第一机电设备101，完成第二机电设备102向第一机电设备101发送指令和数据的过程，从而实现两个机电设备1之间的单向通信。
基于上述原理，挂载在CAN总线2上的3个机电设备1中的任意两个均可采用上述方式进行指令和数据的发送，进而实现任意机电设备1之间的通信。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多个串行接口设备间的相互通信方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：将若干个串行接口的机电设备(1)分别通过对应的节点设备(3)挂载到CAN总线(2)上；
所述的节点设备(3)包括微控制单元(31)、CAN收发器(32)、控制器(33)和设备收发器(34)，微控制单元(31)通过CAN收发器(32)与CAN总线(2)连接，设备收发器(34)的串行接口与机电设备(1)的串行接口一致，使机电设备(1)通过设备收发器(34)与微控制单元(31)连接；
步骤2：第一机电设备(101)向与第一机电设备(101)连接的第一节点设备(301)发送串行接口数据，第一节点设备(301)的设备收发器(34)接收串行接口数据并将串行接口数据发送至微控制单元(31)；
步骤3：第一节点设备(301)的微控制单元(31)将串行接口数据转换为CAN总线报文，并将CAN总线报文通过第一节点设备(301)的控制器(33)经CAN收发器(32)发送到CAN总线(2)；
步骤4：CAN总线(2)将CAN总线报文发送至第二节点设备(302)，第二节点设备(302)的CAN收发器(32)接收CAN总线报文，并通过控制器(33)将CAN总线报文发送至微控制单元(31)；
步骤5：第二节点设备(302)的微控制单元(31)将CAN总线报文转换为串行接口数据，并通过设备收发器(34)将串行接口数据发送至第二机电设备(102)，实现两个机电设备(1)之间的通信；
所述的CAN总线报文的ID包括信息标识、目标对象地址、源对象地址和指令；
所述的串行接口数据包括控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段，且控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段之间通过特殊标识符标识；
所述的控制字段、CAN控制字段、CAN ID字段、CAN数据字段和校验字段之间的特殊标识符依次为开始标识符、正文开始标识符、正文结束标识符和结束标识符；
所述的串行接口数据还包括非特殊标识符，即转义标识符，非特殊标识符插入在串行接口数据中该相同字节之前。
2.根据权利要求1所述的多个串行接口设备间的相互通信方法，其特征是：所述的信息标识、目标对象地址、源对象地址和指令的长度均固定，且目标对象地址的长度与源对象地址的长度一致并在通信过程中保持不变。
3.根据权利要求1所述的多个串行接口设备间的相互通信方法，其特征是：所述的非特殊标识符的长度为1字节。
4.根据权利要求1所述的多个串行接口设备间的相互通信方法，其特征是：所述的控制字段的长度为2字节；CAN控制字段的长度为1字节；CAN ID字段的长度为：标准ID为2字节、扩展ID为4字节；特殊标识符的长度为1字节。
5.根据权利要求1所述的多个串行接口设备间的相互通信方法，其特征是：所述的校验字段的校验方式为：奇偶校验、异或校验或CRC。
6.根据权利要求1或5所述的多个串行接口设备间的相互通信方法，其特征是：所述的校验字段的长度为1字节。
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