CN112817904B - 一种MilCAN总线动态数据时序对准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MilCAN总线动态数据时序对准方法，包括以下步骤：对MilCAN总线上所有节点进行主站规划，将每个节点的主站规划结果添加到各自的MilCAN同步帧数据中；根据在线节点的MilCAN同步帧数据中的主站规划结果，在总线上以冗余热备份方式设置多个备选主站节点；多个备选主站节点之间竞选出一个当前主站节点，其余备选主站节点为备用主站节点；所述当前主站节点向MilCAN总线上周期性的发送同步帧，接入总线的其余节点通过接收所述同步帧进行时序对准建立通信同步。本发明解决了CAN总线不能保证通信的实时性和确定性问题，使网络传输带来的不确定延时控制在0.4ms以内，并增强了网络传输可靠性和系统正常工作的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及总线通讯技术领域，尤其一种MilCAN总线动态数据时序对准方法。
背景技术
MilCAN总线协议是应用于标准CAN网络(ISO 11898)之上的一种上层协议。MilCAN总线协议具有多主发送、采用确定性的优先级仲裁机制等特点，保证了CAN总线数据通信的可靠性、实时性和灵活性。在数据通信过程中，如果出现碰撞，低优先级的节点会主动退出，而最高优先级的节点可以不受影响继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，保证了传输数据的实时性。但是这种静态优先级机制的一个缺点就是不能均等地为高优先级和低优先级站点分配带宽，在网络负载很大时，低优先级站点会在多次竞争总线使用权时失败，从而导致低优先级站点消息传输产生不确定的延时，甚至无法发送，从而严重影响通信的实时性和确定性。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种MilCAN总线动态数据时序对准方法，解决了CAN总线不能保证通信的实时性和确定性问题。
本发明提供的技术方案是：
一种MilCAN总线动态数据时序对准方法，包括以下步骤：
对MilCAN总线上所有节点进行主站规划，将每个节点的主站规划结果添加到各自的MilCAN同步帧数据中；
根据在线节点的MilCAN同步帧数据中的主站规划结果，在总线上以冗余热备份方式设置多个备选主站节点；
多个备选主站节点之间竞选出一个当前主站节点，其余备选主站节点为备用主站节点；
所述当前主站节点向MilCAN总线上周期性的发送同步帧，接入总线的其余节点通过接收所述同步帧进行时序对准建立通信同步。
进一步地，所述主站规划包括对MilCAN总线上各节点安全性等级划分、在线时长等级划分和同步帧优先级等级划分。
进一步地，所述安全性等级划分包括，基于每个节点在系统实际使用中的安全性评估结果，划分得到各节点的安全性等级；
所述在线时长等级划分包括，通过对每个节点的在线时长进行量化，划分得到各节点的在线时长等级；
所述同步帧优先级等级划分包括，结合每个节点的安全性等级和在线时长等级进行综合划分，以确定每个节点发送同步帧的优先级等级。
进一步地，根据各节点在系统运行中的受损率来确定节点的安全等级，受损率越低安全等级越高；节点在系统中安全性等级越高，安全性等级数值越小；
节点在系统中在线时长越长，在线时长等级数值越小；
节点的同步帧优先级等级为节点的安全性等级和在线时长等级的数值乘积；乘积越低同步帧优先级等级越高。
进一步地，将系统中MilCAN总线上，主站规划结果中同步帧优先级等级在前N位的节点设置为备选主站节点参与主站竞选，其余各节点设置为通信节点。
进一步地，所述备选主站节点之间竞选包括：
备选主站节点之间首先根据同步帧优先级等级的比较，将同步帧优先级等级数值最小的备选主站节点确定当前主站节点；
如果同步帧优先级等级数值最小的备选主站节点不唯一，则进一步比较同步帧数据段内的在线时长等级，将在线时长等级数值最小的备选主站节点确定当前主站节点；
如果还不能得到唯一的备选主站节点，则进一步比较同步帧数据段内的安全等级数值，直至确定出唯一的备选主站节点作为当前主站节点。
进一步地，所述备选主站节点之间竞选发生的时机包括以下几类条件：
第一类条件为系统复位；当系统复位时，重新进行主站节点的竞选，确定当前主站节点；
第二类条件为当前主站节点故障或退出；当当前主站节点故障或退出时，重新进行主站节点的竞选，确定当前主站节点；
第三类条件为有新节点接入；当有新节点接入时，进行主站节点的竞选，确定当前主站节点。
进一步地，当发生第一类条件时，竞选过程包括以下步骤：
1)复位后，系统判断收到的各节点发送的同步帧中，是否有比当前主站节点的同步帧优先级等级小的节点；
2)如果没有，则不改变当前主站节点的主站标志位；总线仍然接收当前主站节点的同步消息；
3)如果有，则将当前主站节点主站标志位置0，成为备用主站节点；将同步帧优先级等级数值最小的节点的主站标志位置1，成为新的当前主站节点，从第2个同步帧周期开始，总线只接收新的当前主站节点的同步消息。
进一步地，1)当新节点接入时，新节点均会先发送一个预设同步帧，所述预设同步帧的优先级最低；
2)待新节点接入总线成功后，从第2个同步帧周期开始，新节点发送包含其主站规划结果的同步帧；
3)系统判断新节点的同步帧与当前主站节点同步帧优先级等级的高低，确定当前主站节点。
进一步地，在通信同步建立以后，在每次同步帧周期内，各节点根据接收到的同步帧序号发送应发送的消息；在一个同步帧周期内，应发送的消息根据消息的优先级顺序次序发送。
本发明至少可实现以下有益效果之一：
解决了CAN总线不能保证通信的实时性和确定性问题，使网络传输带来的不确定延时控制在0.4ms以内，而且，独特的节点规划方法及主站节点“竞选”方法也大大增强了网络传输可靠性和系统正常工作的稳定性；保证了系统在受损后仍然能够正常通信的概率。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的动态数据时序对准方法流程图；
图2为本发明实施例的节点模式转换流程图；
图3为本发明实施例的考虑三种类型的主站竞选条件的综合主站竞选流程图；
图4为本发明实施例的MilCAN总线的消息发送矩阵示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本实施例公开了一种MilCAN总线动态数据时序对准方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、对MilCAN总线上所有节点进行主站规划，将每个节点的主站规划结果添加到各自的MilCAN同步帧数据中；
具体的，主站规划包括对MilCAN总线上各节点安全性等级划分、在线时长等级划分和同步帧优先级等级划分；
本实施例中的MilCAN总线上节点的类型包括控制类节点、供电类节点、定位类节点、信息获取类节点和其他类节点；
其中，安全性等级划分是对每个节点在系统实际使用中的安全性进行评估后，划分出的各节点安全性等级；
具体的，根据各节点在系统运行中的受损率来确定节点的安全等级，受损率越低安全等级越高；节点在系统中安全性等级越高，安全性等级数值越小；
例如，针对于车辆系统，MilCAN总线上源节点布置于车身不同位置，在布局规划时，对于安全性要求高的节点，布置于更安全的位置，在发生碰撞或事故中受损率低，则对该节点赋予更高的安全等级，对应的安全性等级数值越小。
具体的，在线时长等级划分是通过对各节点的在线时长进行量化后的等级划分；节点在系统中在线时长越长，在线时长等级数值越小；
同步帧优先级等级划分是根据各节点的安全性等级和在线时长等级进行规划的，以确定各节点发送同步帧优先级等级；
具体的，节点的同步帧优先级等级为节点的安全性等级和在线时长等级的数值乘积来决定；乘积越低优先级等级越高。
例如，节点1安全性等级为1，在线时长等级为1，节点2安全性等级为1，在线时长等级为3，则节点1同步帧优先级等级为1，节点2同步帧优先级等级为3；由此，节点1所发送的同步帧优先级高于节点2。
表1中为本实施例中源节点的安全性等级、在线时长等级和同步帧等级规划结果
表1
综合考虑节点的安全性等级和在线时长等级确定同步帧优先级等级可以使更安全的节点以及在线时长更长的节点，竞选成为当前主站节点的成功率更高，可以提高车辆系统发送碰撞或事故等意外事件时，MilCAN总线仍然能够正常通信的概率。
将规划好的安全性等级、在线时长等级和同步帧优先级等级添加到各节点的MilCAN同步帧数据中，随各节点的同步帧发送到MilCAN总线。
步骤S2、根据在线节点的MilCAN同步帧数据中的主站规划结果，在总线上以冗余热备份方式设置多个备选主站节点；
具体的，将系统中MilCAN总线上，主站规划结果中同步帧优先级等级在前N位的节点设置为备选主站节点参与主站竞选，其余各节点设置为通信节点。
N的设置可根据具体的系统中节点的数量以及竞选的次数要求设置，在本实施例中N选择为5，即选择同步帧优先级等级在前5位的节点设置为备选主站节点。
步骤S3、备选主站节点之间竞选出当前主站节点，其余备选主站节点则作为备用主站；
备选主站节点之间竞选当前主站节点，实现总线上的节点从预工作模式到工作模式之间的转换，如图2所示。在预工作模式下，完成当前主站节点的竞选，得到有效的同步帧，进入工作模式；工作模式下完成节点调度配置和数据消息的正常发送。
在预工作模式下，所述备选主站节点之间竞选包括：
备选主站节点之间首先根据同步帧优先级等级的比较，将同步帧优先级等级数值最小的备选主站节点确定当前主站节点；
如果同步帧优先级等级数值最小的备选主站节点不唯一，则进一步比较同步帧数据段内的在线时长等级，将在线时长等级数值最小的备选主站节点确定当前主站节点；
如果还不能得到唯一的备选主站节点，则进一步比较同步帧数据段内的安全等级数值，寻找安全等级数值最小的节点，直至确定出唯一的备选主站节点作为当前主站节点；将当前主站节点的主站标志位置1，其他备用主站节点的主站标志位置0；
如果最终无法竞选出当前主站节点，则主站竞选失败，通过指定节点进行告警提示，提示内容为“主站竞选失败”。所述指定节点一般为在线的控制节点，例如控制节点1。
更具体的方案中，备选主站节点竞选当前主站节点发生的时机包括以下几类条件：
第一类条件为系统复位；当系统复位时，需重新进行主站节点的竞选，确定当前主站节点；
第二类条件为当前主站节点故障或退出；当当前主站节点故障或退出时，系统需重新进行主站节点的竞选，确定当前主站节点；
第三类条件为有新节点接入；当有新节点接入时，系统需进行主站节点的竞选，确定当前主站节点。
具体的，当发生第一类条件时的竞选过程包括以下步骤：
1)当系统复位时，比较收到的各节点发送的同步帧中，判断是否有比当前主站节点的同步帧优先级等级小的节点；等级值越小，优先级越大；
2)如果没有，则不改变当前主站节点的主站标志位；总线仍然接收当前主站节点的同步消息；
3)如果有，则当前主站节点主站标志位置0，成为备用主站节点；同步帧优先级等级更小的节点的主站标志位置1，成为新的当前主站节点，从第2个同步帧周期(即，基本时间单元PTU)开始，总线只接收新的当前主站节点的同步消息；
具体的，当发生第二类条件时的竞选过程包括以下步骤：
1)若当前主站节点故障或退出，同步帧丢失时，系统将会在备用主站节点中重新选择主站节点；
2)通过如上方案的竞选，从备用主站节点中选择出当前主站节点，将选出的当前主站节点的主站标志位置1，从第2个同步帧周期(即，基本时间单元PTU)开始，总线只接收该的当前主站节点的同步消息。
具体的，当发生第三类条件时的竞选过程包括以下步骤：
1)当新节点接入时，为了不影响总线的正常通信，新节点均会先发送一个预设同步帧，所述预设同步帧的优先级最低；
2)待新节点接入总线成功后，从第2个同步帧周期开始，新节点发送包含节点的主站规划结果的同步帧，判断新节点的同步帧与当前主站节点同步帧优先级的高低，确定当前主站节点；
若主站接入失败，则系统通过指定节点进行告警提示，提示内容为“新节点接入失败”。
考虑三种类型的主站竞选条件的综合主站竞选流程图如图3所示。
步骤S4、所述当前主站节点向MilCAN总线上周期性的发送同步帧，接入总线的其余节点通过接收同步帧进行时序对准建立通信同步。
所述其余节点包括备用主站节点和通信节点。
步骤S5、通信同步建立以后，各个节点根据接收到的同步帧序号发送每次同步帧周期内应发送的消息。
具体的，在每个同步帧周期内，应发送的消息根据优先级的先后次序依次发送，从而保正各个消息的实时性要求。
更具体的，当通信节点和备用主站节点接收到同步帧之后，根据接收到的同步帧序号触发此同步帧周期内应该发送的消息，该序号存放在同步帧的数据段内，从0到最大值1023循环计数，应发送的消息分别存放在对应的邮箱中，邮箱号是由消息发送矩阵控制的，MilCAN总线的消息发送矩阵如图4所示，消息发送矩阵的横向代表消息的优先级，纵向代表消息的周期。在发送消息时，按照0～15#邮箱的顺序发送，安排不同优先级消息至相应的邮箱；控制不同消息的发送周期是通过邮箱内周期性写入不同标识完成的。
综上所述，解决了CAN总线不能保证通信的实时性和确定性问题，使网络传输带来的不确定延时控制在0.4ms以内，而且，独特的节点规划方法及主站节点“竞选”方法也大大增强了网络传输可靠性和系统正常工作的稳定性，保证了系统在受损后仍然能够正常通信的概率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种MilCAN总线动态数据时序对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
对MilCAN总线上所有节点进行主站规划，将每个节点的主站规划结果添加到各自的MilCAN同步帧数据中；
根据在线节点的MilCAN同步帧数据中的主站规划结果，在总线上以冗余热备份方式设置多个备选主站节点；
多个备选主站节点之间竞选出一个当前主站节点，其余备选主站节点为备用主站节点；
所述当前主站节点向MilCAN总线上周期性的发送同步帧，接入总线的其余节点通过接收所述同步帧进行时序对准建立通信同步；
所述主站规划包括对MilCAN总线上各节点安全性等级划分、在线时长等级划分和同步帧优先级等级划分；
所述安全性等级划分包括，基于每个节点在系统实际使用中的安全性评估结果，划分得到各节点的安全性等级；
所述在线时长等级划分包括，通过对每个节点的在线时长进行量化，划分得到各节点的在线时长等级；
所述同步帧优先级等级划分包括，结合每个节点的安全性等级和在线时长等级进行综合划分，以确定每个节点发送同步帧的优先级等级；
将系统中MilCAN总线上，主站规划结果中同步帧优先级等级在前N位的节点设置为备选主站节点参与主站竞选，其余各节点设置为通信节点。
2.根据权利要求1所述的动态数据时序对准方法，其特征在于，
根据各节点在系统运行中的受损率来确定节点的安全等级，受损率越低安全等级越高；节点在系统中安全性等级越高，安全性等级数值越小；
节点在系统中在线时长越长，在线时长等级数值越小；
节点的同步帧优先级等级为节点的安全性等级和在线时长等级的数值乘积；乘积越低同步帧优先级等级越高。
3.根据权利要求1所述的动态数据时序对准方法，其特征在于，
所述备选主站节点之间竞选包括：
备选主站节点之间首先根据同步帧优先级等级的比较，将同步帧优先级等级数值最小的备选主站节点确定当前主站节点；
如果同步帧优先级等级数值最小的备选主站节点不唯一，则进一步比较同步帧数据段内的在线时长等级，将在线时长等级数值最小的备选主站节点确定当前主站节点；
如果还不能得到唯一的备选主站节点，则进一步比较同步帧数据段内的安全等级数值，直至确定出唯一的备选主站节点作为当前主站节点。
4.根据权利要求1所述的动态数据时序对准方法，其特征在于，
所述备选主站节点之间竞选发生的时机包括以下几类条件：
第一类条件为系统复位；当系统复位时，重新进行主站节点的竞选，确定当前主站节点；
第二类条件为当前主站节点故障或退出；当当前主站节点故障或退出时，重新进行主站节点的竞选，确定当前主站节点；
第三类条件为有新节点接入；当有新节点接入时，进行主站节点的竞选，确定当前主站节点。
5.根据权利要求4所述的动态数据时序对准方法，其特征在于，
当发生第一类条件时，竞选过程包括以下步骤：
1)复位后，系统判断收到的各节点发送的同步帧中，是否有比当前主站节点的同步帧优先级等级小的节点；
2)如果没有，则不改变当前主站节点的主站标志位；总线仍然接收当前主站节点的同步消息；
3)如果有，则将当前主站节点主站标志位置0，成为备用主站节点；将同步帧优先级等级数值最小的节点的主站标志位置1，成为新的当前主站节点，从第2个同步帧周期开始，总线只接收新的当前主站节点的同步消息。
6.根据权利要求4所述的动态数据时序对准方法，其特征在于，
1)当新节点接入时，新节点均会先发送一个预设同步帧，所述预设同步帧的优先级最低；
2)待新节点接入总线成功后，从第2个同步帧周期开始，新节点发送包含其主站规划结果的同步帧；
3)系统判断新节点的同步帧与当前主站节点同步帧优先级等级的高低，确定当前主站节点。
7.根据权利要求1-6任一项所述的动态数据时序对准方法，其特征在于，在通信同步建立以后，在每次同步帧周期内，各节点根据接收到的同步帧序号发送应发送的消息；在一个同步帧周期内，应发送的消息根据消息的优先级顺序次序发送。
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| 《ＭｉｌＣＡＮ总线同步及调度配置方法》;穆 阳;《Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ 》;20151231;第23卷(第4期);1390-1392 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112817904A (zh) | 2021-05-18 |
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