CN113765938B - 一种基于can2.0b协议的应用层协议实现方法 - Google Patents

一种基于can2.0b协议的应用层协议实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，包括以下步骤：步骤一：设计CAN总线帧ID域；步骤二：定义CAN消息管理结构体CAN_MANI；步骤三：设计导航计算机和飞控计算机进行数据通信。本发明通过对CAN总线29位ID值进行设计，将总线数据优先级信息、源节点ID信息、目的节点ID信息、以及帧类型信息、帧的消息功能信息全部存储于29位ID值不同的位域；对所接受的数据可以根据所填的源节点ID值以及目的节点ID值进行筛选，总线上数据按照优先级域所填值的大小进行排序；同时携带了表示该帧数据的帧类型以及消息功能类型。

Description

一种基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法
技术领域
本发明属于计算机控制技术领域，涉及一种基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法。
背景技术
CAN总线、即控制器局域网总线，是现代工业控制领域一种多主机局域网，属于实时应用的串行通讯总线，总线上没有主从节点之分，具有实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，在传统工业领域以及航空航天领域均有广泛应用。
CAN总线标准只包含OSI模型的物理层和数据链路层，协议分为CAN2.0A协议和CAN2.0B协议，两种协议的主要区别为是否包含扩展消息格式(29位帧ID格式)，CAN2.0A协议只支持标准消息格式(11位帧ID格式)，CAN2.0B协议同时支持标准消息格式(11位帧ID格式)和扩展消息格式(29位帧ID格式)，是CAN2.0A协议的超集。
CAN2.0B协议只支持到数据链路层，对于应用层协议则需要使用者自行进行定义。传统CAN总线将29位帧ID值作为CAN节点的ID值，将数据包每次最多填充8个字节进行分发。总线上的数据优先级完全由ID值的大小决定，且不能精确进行数据的屏蔽。因此在总线系统设计时，需要设计者精确设计每一个节点的ID值，在一个多节点的CAN总线网络中，这种传统设计方法效率低下。同时CAN总线的数据区每一帧最多包含8个字节的数据。总线传递信息过程中通常需要在数据区携带帧信息内容，需要占用数据区的资源，导致总线有效数据传输效率低下。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，基于CAN2.0B协议的应用层协议，将29位ID值划分为5个功能位域，并对这5个位域进行赋值，这种方式将CAN总线数据进行4级优先级的划分，并且可以根据目的节点ID域和源节点ID域进行数据筛选与屏蔽，并且在29位ID值中携带帧类型以及帧的消息功能类型，从而提高总线有效数据传输的效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，包括以下步骤：
步骤一：设计CAN总线帧ID域
CAN总线帧ID域分为5个域：优先级域、目的节点ID域、源节点ID域、帧类型域、信息类型域。
步骤二：定义CAN消息管理结构体CAN_MANI
CAN消息管理结构体CAN_MANI包括帧优先级ManiPri、目的节点ID值ManiDstID、源节点ID值ManiSrcID、帧类型值ManiFrmType以及信息类型值ManiMsgType。
步骤三：设计导航计算机和飞控计算机进行数据通信
S1：定义CAN总线数据结构体CAN_FRAME并对CAN总线进行初始化，启动CAN总线数据接收线程，并转到S3；
S2：在CAN总线数据接收线程CANRecvTask中阻塞等待CAN总线数据并进行解析；
判断CAN总线数据的变量CanMani中信息类型值ManiMsgType的值；
如果信息类型值ManiMsgType的值为010B，表示此帧为数据信息帧回复帧，收到数据信息回复帧后转到S4；
如果信息类型值ManiMsgType的值为011B，表示超时重发帧，记录丢失帧序号LostNum并转到S5进行重发。
如果信息类型值ManiMsgType值为100B，表示消息传输完成帧；收到该帧后表示传输导航数据传输完成。
S3：导航计算机向飞控计算机发送导航数据，首先发送导航数据的数据信息帧。根据步骤一中定义的CAN总线帧ID域计算帧ID，分别填入报文优先级FrmPri，填入目的节点ID和源节点ID，填入帧类。帧ID值的最低三位填001B，表示数据信息帧。填入三个字节的CAN总线数据，第一字节表示导航数据的包数N。第二三字节表示导航数据帧的字节数。调用CAN底层发送函数CAN_WriteData()，将数据发送到总线上，转到S2。
S4：发送完整数据帧。
填入和数据信息帧相同的报文优先级FrmPri；填入目的节点ID和源节点ID；填入帧类型，循环填充CAN数据；第一个字节为数据帧的帧序号，帧序号依次增加，其他字节为数据内容；调用CAN底层发送函数CAN_WriteData()，将数据发送到总线上，转到S2。
S5：发送丢失数据帧。
填入和数据信息帧相同的报文优先级FrmPri；填入目的节点ID和源节点ID；填入帧类型，最低三位填入000B表示数据帧；填充数据帧的数据内容，第一个字节为帧序号，其他字节为丢失的CAN总线数据；调用CAN底层发送函数CAN_WriteData()，将数据发送到总线上，转到S2。
(三)有益效果
上述技术方案所提供基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，通过对CAN总线29位ID值进行设计，将总线数据优先级信息、源节点ID信息、目的节点ID信息、以及帧类型信息、帧的消息功能信息全部存储于29位ID值不同的位域；对所接受的数据可以根据所填的源节点ID值以及目的节点ID值进行筛选，总线上数据按照优先级域所填值的大小进行排序；同时携带了表示该帧数据的帧类型以及消息功能类型。
附图说明
图1为本发明实施例基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1所示，本实施例基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法包括以下步骤：
步骤一：设计CAN总线的帧ID域
CAN报文使用扩展帧，将扩展帧29位ID分为5个功能位域，分别为优先级域，目的节点ID域，源节点ID域，帧类型域，信息类型域。
a.第29位到28位为优先级域，CAN总线帧报文ID值越小优先级越高，因此将最高两位设置为优先级域，且将优先级设置为四种，00B为表示一级优先级，01B表示二级优先级，10B表示三级优先级，11B表示四级优先级。(其中一级优先级为最高优先级，四级优先级为最低优先级)。
b.第27位到20位为目的节点域，表示目的节点ID值，占用一个字节。
c.第19位到第12位为源节点域，表示源节点ID值，占用一个字节。
d.第11位到第4位为帧类型域，表示帧类型值，在本实例中帧类型包括：导航数据帧0x01、飞行状态帧0x02、任务数据帧0x03。
e.最低3位为信息类型域，表示帧信息类型。在本实例中000B表示数据帧、001B表示数据信息帧、010B表示数据信息帧回复帧、011B表示超时重发帧、100B表示消息传输完成帧。
步骤二：定义CAN消息管理结构体CAN_MANI，此结构体所管理的内容为第一步所设计的CAN总线的帧ID域，结构体中包括5个成员变量：
a帧优先级ManiPri，对应帧ID域中的优先级域，类型为枚举类型，此变量赋值为0表示一级优先级，赋值为1表示二级优先级，赋值为2表示三级优先级，赋值为3表示四级优先级。
b目的节点ID值ManiDstID，对应帧ID域中的目的节点域，类型为无符号字符型。
c源节点ID值ManiSrcID，对应帧ID域中的源节点域，类型为无符号字符型。
d帧类型值ManiFrmType，对应帧ID域中的帧类型域，变量类型为无符号字符型。
e信息类型值ManiMsgType，对应帧ID域中的信息类型域，变量类型为无符号字符型。
步骤三：本发明以导航计算机为例，向飞控计算机中发送导航数据，并接收飞控计算机的报文，导航数据帧字节数共7(N-1)+M。导航计算机的帧ID值设置NAVID(占用一个字节，本实例中此值设置为0xC8)，飞控计算机的ID设置为FCID(占用一个字节，本实例中此值设置为0xC9)。
S1：定义CAN总线数据结构体CAN_FRAME并对CAN总线进行初始化，启动CAN总线数据接收线程，操作完成后转到S3。
(1)定义CAN总线数据结构体CAN_FRAME，结构体中包括三个成员变量：①帧ID值can_id，类型设置为整型；②帧数据长度can_dlc，数据类型为整型；③总线上一次收到的数据can_data[8](最多8个字节)。
(2)对CAN总线进行初始化操作，将波特率设置为1M，接收掩码设置为0007F800(根据1中c将第12位到19位的值位1，其他位的值为0)。接收屏蔽码设置为FCID的值左移11位的值，帧类型设置为扩展帧。使用Vxworks操作系统底层任务创建函数taskSpawn()创建并启动CAN总线数据接收线程CANRecvTask。
(3)定义丢失帧序号LostNum，类型为无符号字符型数据。
(4)启动CAN总线数据接收线程，此线程属于监控处理线程，启动后跳转到S3，此线程则一直在后台运行。
S2:在CAN总线数据接收线程CANRecvTask中阻塞等待CAN总线数据并进行解析。
(1)使用系统中CAN数据接收函数CAN_ReadData()阻塞接收CAN数据，获取数据的ID值GetID，数据的长度GetDLC，数据的内容GetData[8](每次最多8个字节的CAN数据)。对收到的数据进行解析判断。定义CAN总线数据结构体CAN_FRAME变量CanFrm，将获取到数据帧ID值GetID赋值到变量CanFrm中的can_id成员。数据的长度GetDLC赋值到变量CanFrm中的can_dlc成员，循环GetDLC次将数据内容GetData赋值到变量CanFrm中的can_data成员(最多8个字节)。
(2)定义CAN消息管理结构体CAN_MANI类型变量CanMani。对获取到的ID值进行解析。①将can_id值右移28位，并且按位与上0x03，将计算后的值赋值给变量CanMani中的帧优先级ManiPri成员。②将can_id值右移20位，并且按位与上0xff，将计算的值赋值给变量CanMani中目的节点ID值ManiDstID。③将can_id值右移12位，并且按位与上0xff，将计算的值赋值给变量CanMani中源节点ID值ManiSrcID。④将can_id值右移4位，并且按位与上0xff，将计算的值赋值给变量CanMani中帧类型值ManiFrmType。⑤将can_id值按位与上0x07，将计算后的值赋值给变量CanMani中信息类型值ManiMsgType。
(3)判断变量CanMani中帧类型值ManiFrmType是否为0x01(表示导航数据帧)，如果判断为假则直接返回。等待接收下一帧数据。如果判断为真，则判断变量CanMani中信息类型值ManiMsgType的值：
如果信息类型值ManiMsgType值为010B，表示此帧为数据信息帧回复帧，收到数据信息回复帧后转到S4
如果值为011B表示超时重发帧：
判断变量CanFrm中数据内容成员can_data的第一个元素can_data[0]的值，该值表示帧的序号。将该值赋值给LostNum。转到S5。
如果值为100B表示消息传输完成帧：
收到该帧后表示传输导航数据传输完成。
S3：导航计算机向飞控计算机发送导航数据，首先发送导航数据的数据信息帧：
定义S1中设计的CAN总线结构体CAN_FRAME变量SendData。
根据PRE1定义的帧ID域计算帧ID，分别填入报文优先级FrmPri(占用29位帧ID的29位到28位)，填入目的节点ID值FCID(占用29位帧ID的27位到20位)和源节点ID值NAVID(占用29位帧ID的19位到12位)，填入帧类型值为FrameType(导航数据帧0x01，占用29位帧ID的11位到4位)。帧ID值的最低三位填001B，表示数据信息帧。将计算后的帧ID赋值给CAN总线结构体变量SendData中的can_id成员。
此报文长度信息DLC设置为3，将长度3赋值给结构体变量SendData中的can_dlc。3个有效字节分别为：第一字节表示导航数据的包数N。第二三字节表示导航数据帧的字节数7(N-1)+M(M>＝1且M<7)(其中第二字节为高字节，第三字节为低字节)。将三个字节分别拷贝到CAN总线结构体变量SendData中can_data[8]的前三个字节。
调用CAN底层发送函数CAN_WriteData()。以CAN总线结构体CAN_FRAME变量SendData为参数，将导航数据信息帧发送到CAN总线上，此时跳转到S2。
S4：发送完整数据帧，本实例中以发送导航数据帧为例，填入和数据信息帧相同的报文优先级FrmPri(占用29位帧ID的29位到28位)，填入目的节点ID(占用29位帧ID的27位到20位)和源节点ID(占用29位帧ID的19位到12位)，填入帧类型，值为FrameType(本实例中导航数据帧0x01，占用29位帧ID的11位到4位)，最低三位填入000B表示数据帧。
循环填充数据帧的数据内容(最多8个字节)。第一个字节为数据帧的帧序号，帧序号依次增加，第一帧从1开始，最后一帧为N，总的字节数为7(N-1)+M(M>＝1且M<7)。帧号为1到N-1时，将7个字节的数据复制到数据帧的后7个字节。帧号为N时，将M个字节的数据复制到数据帧的数据内容，此时跳转到S2。
S5：发送丢失的数据帧，填入和数据信息帧相同的报文优先级FrmPri(占用29位帧ID的29位到28位)。填入目的节点ID(占用29位帧ID的27位到20位)和源节点ID(占用29位帧ID的19位到12位)。填入帧类型，值为FrameType(本实例中导航数据帧0x01，占用29位帧ID的11位到4位)。最低三位填入000B表示数据帧。
填充数据帧的数据内容，第一个字节为帧序号，帧序号为LostNum
将DataBuffer中偏移7*(LostNum-1)位置的7个字节数据拷贝到CAN总线帧的数据段，此时跳转到S2。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设计CAN总线帧ID域；
步骤二：定义CAN消息管理结构体CAN_MANI；
步骤三：设计导航计算机和飞控计算机进行数据通信；
所述步骤一中，CAN总线帧ID域分为5个域：优先级域、目的节点ID域、源节点ID域、帧类型域、信息类型域；
所述步骤二中，CAN消息管理结构体CAN_MANI包括帧优先级ManiPri、目的节点ID值ManiDstID、源节点ID值ManiSrcID、帧类型值ManiFrmType以及信息类型值ManiMsgType；
所述步骤三包括以下子步骤：
S1：定义CAN总线数据结构体CAN_FRAME并对CAN总线进行初始化，启动CAN总线数据接收线程，并转到S3；
S2：在CAN总线数据接收线程CANRecvTask中阻塞等待CAN总线数据并进行解析；
判断CAN总线数据的变量CanMani中信息类型值ManiMsgType的值；
如果信息类型值ManiMsgType的值为010B，表示此帧为数据信息帧回复帧，收到数据信息回复帧后转到S4；
如果信息类型值ManiMsgType的值为011B，表示超时重发帧，记录丢失帧序号LostNum并转到S5进行重发；
如果信息类型值ManiMsgType值为100B，表示消息传输完成帧；收到该帧后表示传输导航数据传输完成；
S3：导航计算机向飞控计算机发送导航数据，首先发送导航数据的数据信息帧；根据步骤一中定义的CAN总线帧ID域计算帧ID，分别填入报文优先级FrmPri，填入目的节点ID和源节点ID，填入帧类；帧ID值的最低三位填001B，表示数据信息帧；填入三个字节的CAN总线数据，第一字节表示导航数据的包数N；第二三字节表示导航数据帧的字节数；调用CAN底层发送函数CAN_WriteData()，将数据发送到总线上，转到S2；
S4：发送完整数据帧
填入和数据信息帧相同的报文优先级FrmPri；填入目的节点ID和源节点ID；填入帧类型，循环填充CAN数据；第一个字节为数据帧的帧序号，帧序号依次增加，其他字节为数据内容；调用CAN底层发送函数CAN_WriteData()，将数据发送到总线上，转到S2；
S5：发送丢失数据帧
填入和数据信息帧相同的报文优先级FrmPri；填入目的节点ID和源节点ID；填入帧类型，最低三位填入000B表示数据帧；填充数据帧的数据内容，第一个字节为帧序号，其他字节为丢失的CAN总线数据；调用CAN底层发送函数CAN_WriteData()，将数据发送到总线上，转到S2。
2.如权利要求1所述的基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，其特征在于，所述步骤一中，CAN报文使用扩展帧，将扩展帧29位ID分为5个功能位域：
第29位到28位为优先级域，CAN总线帧报文ID值越小优先级越高，将优先级设置为四种，00B为表示一级优先级，01B表示二级优先级，10B表示三级优先级，11B表示四级优先级；
第27位到20位为目的节点域，表示目的节点ID值，占用一个字节；
第19位到第12位为源节点域，表示源节点ID值，占用一个字节；
第11位到第4位为帧类型域，表示帧类型值，帧类型包括：导航数据帧0x01、飞行状态帧0x02、任务数据帧0x03；
最低3位为信息类型域，表示帧信息类型；000B表示数据帧、001B表示数据信息帧、010B表示数据信息帧回复帧、011B表示超时重发帧、100B表示消息传输完成帧。
3.如权利要求2所述的基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，其特征在于，所述步骤二中，CAN消息管理结构体CAN_MANI中包括的5个成员变量分别为：
帧优先级ManiPri，对应帧ID域中的优先级域，类型为枚举类型，此变量赋值为0表示一级优先级，赋值为1表示二级优先级，赋值为2表示三级优先级，赋值为3表示四级优先级；
目的节点ID值ManiDstID，对应帧ID域中的目的节点域，类型为无符号字符型；
源节点ID值ManiSrcID，对应帧ID域中的源节点域，类型为无符号字符型；
帧类型值ManiFrmType，对应帧ID域中的帧类型域，变量类型为无符号字符型；
信息类型值ManiMsgType，对应帧ID域中的信息类型域，变量类型为无符号字符型。
4.如权利要求3所述的基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，其特征在于，所述步骤三中，导航数据帧字节数共7(N-1)+M，导航计算机的帧ID值设置NAVID，飞控计算机的ID值设置为FCID；
子步骤S1中，CAN总线数据结构体CAN_FRAME中包括三个成员变量：帧ID值can_id，类型设置为整型；帧数据长度can_dlc，数据类型为整型；总线上一次收到的数据can_data[8]；CAN总线进行初始化操作时，波特率设置为1M，接收掩码设置为0007F800，接收屏蔽码设置为FCID的值左移11位的值，帧类型设置为扩展帧，使用Vxworks操作系统底层任务创建函数taskSpawn()创建并启动CAN总线数据接收线程CANRecvTask；定义丢失帧序号LostNum，类型为无符号字符型数据；启动CAN总线数据接收线程，此线程属于监控处理线程，启动后跳转到S3，此线程则一直在后台运行。
5.如权利要求4所述的基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，其特征在于，所述子步骤S2的过程如下：
使用系统中CAN数据接收函数CAN_ReadData()阻塞接收CAN数据，获取数据的ID值GetID，数据的长度GetDLC，数据的内容GetData[8]，对收到的数据进行解析判断；定义CAN总线数据结构体CAN_FRAME变量CanFrm，将获取到数据帧ID值GetID赋值到变量CanFrm中的can_id成员；数据的长度GetDLC赋值到变量CanFrm中的can_dlc成员，循环GetDLC次将数据内容GetData赋值到变量CanFrm中的can_data成员；
定义CAN消息管理结构体CAN_MANI类型变量CanMani，对获取到的ID值进行解析：将can_id值右移28位，并且按位与上0x03，将计算后的值赋值给变量CanMani中的帧优先级ManiPri成员；将can_id值右移20位，并且按位与上0xff，将计算的值赋值给变量CanMani中目的节点ID值ManiDstID；将can_id值右移12位，并且按位与上0xff，将计算的值赋值给变量CanMani中源节点ID值ManiSrcID；将can_id值右移4位，并且按位与上0xff，将计算的值赋值给变量CanMani中帧类型值ManiFrmType；将can_id值按位与上0x07，将计算后的值赋值给变量CanMani中信息类型值ManiMsgType；
判断变量CanMani中帧类型值ManiFrmType是否为0x01，如果判断为假则直接返回，等待接收下一帧数据；如果判断为真，则判断变量CanMani中信息类型值ManiMsgType的值：
如果信息类型值ManiMsgType值为010B，表示此帧为数据信息帧回复帧，收到数据信息回复帧后转到S4；
如果值为011B表示超时重发帧：
判断变量CanFrm中数据内容成员can_data的第一个元素can_data[0]的值，该值表示帧的序号，将该值赋值给LostNum，转到S5；
如果值为100B表示消息传输完成帧：
收到该帧后表示传输导航数据传输完成。
6.如权利要求5所述的基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，其特征在于，所述子步骤S3的过程如下：
定义S1中设计的CAN总线结构体CAN_FRAME变量SendData；
根据步骤一的帧ID域计算帧ID，分别填入报文优先级FrmPri，占用29位帧ID的29位到28位；填入目的节点ID值FCID，占用29位帧ID的27位到20位；填入源节点ID值NAVID，占用29位帧ID的19位到12位；填入帧类型值为FrameType，导航数据帧0x01，占用29位帧ID的11位到4位；帧ID值的最低三位填001B，表示数据信息帧；将计算后的帧ID赋值给CAN总线结构体变量SendData中的can_id成员；
此报文长度信息DLC设置为3，将长度3赋值给结构体变量SendData中的can_dlc；3个有效字节分别为：第一字节表示导航数据的包数N，第二三字节表示导航数据帧的字节数7(N-1)+M，M>＝1且M<7；将三个字节分别拷贝到CAN总线结构体变量SendData中can_data[8]的前三个字节；
调用CAN底层发送函数CAN_WriteData()，以CAN总线结构体CAN_FRAME变量SendData为参数，将导航数据信息帧发送到CAN总线上，此时跳转到S2。
7.如权利要求6所述的基于CAN2.0B协议的应用层协议实现方法，其特征在于，所述子步骤S4中，发送导航数据帧时，填入和数据信息帧相同的报文优先级FrmPri，占用29位帧ID的29位到28位；填入目的节点ID，占用29位帧ID的27位到20位；填入源节点ID，占用29位帧ID的19位到12位；填入帧类型，值为FrameType；最低三位填入000B表示数据帧；
循环填充数据帧的数据内容，第一个字节为数据帧的帧序号，帧序号依次增加，第一帧从1开始，最后一帧为N，总的字节数为7(N-1)+M，M>＝1且M<7；帧号为1到N-1时，将7个字节的数据复制到数据帧的后7个字节，帧号为N时，将M个字节的数据复制到数据帧的数据内容，此时跳转到S2；
子步骤S5中，发送丢失的数据帧，填入和数据信息帧相同的报文优先级FrmPri，占用29位帧ID的29位到28位；填入目的节点ID，占用29位帧ID的27位到20位；填入源节点ID，占用29位帧ID的19位到12位)；填入帧类型，值为FrameType，最低三位填入000B表示数据帧；
填充数据帧的数据内容，第一个字节为帧序号，帧序号为LostNum，将DataBuffer中偏移7*(LostNum-1)位置的7个字节数据拷贝到CAN总线帧的数据段，此时跳转到S2。
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