CN114257467B - 一种基于动态管理的低功耗can总线通信网络及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络，包含主控CAN节点、CAN总线线路、控制信号译码模块、若干受控CAN节点；主控CAN节点在对通信任务需求进行分析的基础上，根据控制信号译码策略对各受控CAN节点的工作模式进行动态管理，使各受控CAN节点仅在有通信任务时处于高速工作模式，否则处于低功耗模式，降低总线网络整体功耗。本发明应用在现场通信总线领域，通过对CAN节点设计基于任务需求分析的、一对多/点对点的主从工作模式动态控制策略，来实现对总线整体功耗的有效降低，提高总线应用环境的低功耗性能。

Description

一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络及其控制方法
技术领域
本发明涉及CAN总线通信网络，属于网络通信、现场总线领域。具体涉及一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络及其控制方法。
背景技术
CAN总线通信网络是控制器局域网络的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准(ISO 11898)，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线通信网络由于其高性能和可靠性已被广泛应用于工业自动化、船舶、航空、医疗设备、工业设备等方面。CAN控制器工作于多种方式，网络中各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，CAN总线通信网络中的各分布式节点同时处于待命的高速工作模式，虽然增加了总线网络的可靠性，但在节点数量巨大的情况下，总线网络整体功耗较大，不利于控制总线所处产品或系统的整体功耗。
目前，随着用电系统复杂度增高，用电体量不断增大，更多的CAN总线应用环境、系统或设备开始对低功耗性能提出要求，需要一种更节能的CAN总线通信网络架构和节点控制策略来满足低功耗需求，降低系统和设备的功耗。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述技术问题，提供一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络及其控制方法，来实现对CAN总线功耗的有效管理和降低。
本发明技术方案：
一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络，应用于分布式CAN总线通信网络环境，所述CAN总线通信网络包含主控CAN节点、CAN总线线路、控制信号译码模块、若干受控CAN节点；
其特征在于，主控CAN节点在对通信任务需求进行分析的基础上，根据控制信号译码策略对各受控CAN节点的工作模式进行动态管理，使各受控CAN节点仅在有通信任务时处于高速工作模式，否则处于低功耗模式，降低总线网络整体功耗；
CAN总线线路用于在主控CAN节点与受控CAN节点间传输通信数据；
控制信号译码模块，用于接收主控CAN节点控制信号隔离模块发来的若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号，将若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号转换为若干工作模式切换译码控制指令并分别发送至各受控CAN节点，以实现对需控制的受控CAN节点的控制。
其特征在于，主控CAN节点包括主控处理器模块、控制信号隔离模块、主控CAN协议模块；主控处理器模块基于通信任务需求对控制信号隔离模块发出若干译码使能信号、4位节点控制信号，控制信号隔离模块负责将主控处理器模块发来的若干译码使能信号和4位节点控制信号分别隔离转换为若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号并发送至后级控制信号译码模块；主控CAN协议模块负责为主控处理器模块接收和发送总线数据。
其特征在于，每个受控CAN节点均包括受控CAN协议模块和受控处理器模块，受控CAN协议模块负责为受控处理器模块接收和发送通信数据，每个受控CAN节点的工作模式受主控CAN节点控制，当受控CAN节点具有通信任务需求时，主控CAN节点控制该受控CAN节点进入工作模式，当其不具备通信任务需求时，主控CAN节点控制该受控CAN节点进入低功耗模式；受控处理器模块从受控CAN协议模块获取通信数据，与主控CAN节点进行信息交互。
其特征在于，CAN总线通信网络由一主多从的若干CAN节点组成，主控CAN节点根据通信任务需求，负责控制受控CAN节点的工作模式，使网络中受控CAN节点仅在开展通信任务的段时间内处于工作模式，其余时间处于低功耗模式。
一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络的控制方法，其特征在于，若干受控CAN节点分别被赋予从1开始按序增加的整数编号，主控CAN节点从1号受控CAN节点开始，对若干受控CAN节点依序进行控制需求的判断及如下的控制方法：
1)主控处理器模块根据通信任务需求，识别需控制的受控CAN节点，发出相应的若干译码使能信号和4位节点控制信号，若干译码使能信号和4位节点控制信号经控制信号隔离模块隔离后成为若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号，被发送至后级控制信号译码模块；
2)控制信号译码模块包括若干4输入16输出高速译码器，若干4输入16输出高速译码器的各使能引脚EN分别接收若干译码使能隔离信号中的1个，控制信号译码模块的若干4输入16输出高速译码器的各4输入引脚IN1～IN4，接收4位节点控制隔离信号；若干译码使能隔离信号控制若干4输入16输出高速译码器是否输出工作模式切换译码控制指令，4位节点控制隔离信号控制若干4输入16输出高速译码器对哪个受控CAN节点的受控CAN协议模块发出工作模式切换译码控制指令；
3)受控CAN节点的CAN协议模块接收工作模式切换译码控制指令，受控CAN节点的CAN协议模块从低功耗模式切换为高速模式；
4)主控处理器模块通过CAN总线向需控制的受控CAN节点发出总线数据，受控CAN节点的受控处理器模块从CAN总线上接收主控处理器模块发出的总线数据；
5)受控处理器模块接收总线数据后，向主控处理器模块回复总线答复数据，主控处理器模块接收到受控CAN节点回复的总线答复数据后，判断总线任务结束，向受控CAN节点再次发出总线工作模式切换指令，控制受控CAN节点的CAN协议芯片切换为低功耗工作模式。
其特征在于，受控CAN节点的CAN协议模块受控制信号译码模块输出控制，并使受控CAN节点在上电状态下默认处于低功耗模式。
其特征在于，主控CAN节点的主控处理器发出的总线工作模式切换指令分为译码使能信号和通道控制信号两部分，译码使能信号经寻址信号隔离模块隔离后输出译码使能隔离信号给后级控制信号译码模块，通道控制信号经控制信号隔离模块隔离后输出通道控制隔离信号给后级控制信号译码模块。
其特征在于，控制信号译码模块接收译码使能隔离信号，分配给各4输入16输出高速译码器的使能引脚，使需受控的受控CAN节点所连接的4输入16输出高速译码器输出有效电平，使需受控的受控CAN节点能够接收工作模式切换译码控制指令；控制信号译码模块接收通道控制隔离信号，分配给各4输入16输出高速译码器的4输入引脚，用于产生对相应受控CAN节点的工作模式切换译码控制指令。
其特征在于，任意4输入16输出高速译码器能实现对最多16个受控CAN节点的CAN协议芯片的工作模式控制，对于拥有不同数量受控CAN节点的CAN总线通信网络，应根据需求设置不同数量或不同类型的译码器组实现对受控CAN节点工作模式的一对多、主从控制策略，选用不同类型的译码器决定了CAN总线通信网络中节点控制信号、节点控制隔离信号的位数；控制信号译码模块的若干4输入16输出高速译码器接收若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号后，对各受控CAN节点输出工作模式切换译码控制指令，实现对受控CAN节点的受控CAN协议模块工作模式的切换控制。
发明的有益效果：
本发明的基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络及其控制方法，应用在现场通信总线领域，通过对CAN节点设计基于任务需求分析的、一对多/点对点的主从工作模式动态控制策略，来实现对总线整体功耗的有效降低，提高总线应用环境的低功耗性能。
附图说明
图1是基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络架构图
图2是基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络CAN节点控制/通信逻辑图
具体实施方式
本发明设置一个主控CAN节点，若干受控CAN节点；通过控制信号译码模块对主控CAN节点发出的受控CAN节点工作模式控制指令进行变量译码，以实现一对多的主从控制方案；主控CAN节点基于与受控CAN节点的通信任务需求，对受控CAN节点发布工作模式切换指令；受控CAN节点的CAN协议模块接收主控CAN节点工作模式切换指令控制，在需要开展通信任务时，处于高功耗的高速工作模式，保证通信性能，在无需开展通信任务时，处于低功耗模式。本方案通过网络架构设计和控制策略设计实现对CAN总线通信网络节点的动态管理，有效降低CAN总线通信网络的整体功耗。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1所示为基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络架构图，图2所示为基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络主控CAN节点控制/通信工作逻辑图。
基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络，应用于分布式CAN总线通信网络环境，所述CAN总线通信网络包含主控CAN节点、CAN总线线路、控制信号译码模块、若干受控CAN节点；主控CAN节点在对通信任务需求进行分析的基础上，根据控制信号译码策略对各受控CAN节点的工作模式进行动态管理，使各受控CAN节点仅在有通信任务时处于高速工作模式，否则处于低功耗模式，降低总线网络整体功耗；CAN总线线路用于在主控CAN节点与受控CAN节点间传输通信数据；控制信号译码模块，用于接收主控CAN节点控制信号隔离模块发来的若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号，将若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号转换为若干工作模式切换译码控制指令并分别发送至各受控CAN节点，以实现对需控制的受控CAN节点的控制。主控CAN节点包括主控处理器模块、控制信号隔离模块、主控CAN协议模块；主控处理器模块基于通信任务需求对控制信号隔离模块发出若干译码使能信号、4位节点控制信号，控制信号隔离模块负责将主控处理器模块发来的若干译码使能信号和4位节点控制信号分别隔离转换为若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号并发送至后级控制信号译码模块；主控CAN协议模块负责为主控处理器模块接收和发送总线数据；每个受控CAN节点均包括受控CAN协议模块和受控处理器模块，受控CAN协议模块负责为受控处理器模块接收和发送通信数据，每个受控CAN节点的工作模式受主控CAN节点控制，当受控CAN节点具有通信任务需求时，主控CAN节点控制该受控CAN节点进入工作模式，当其不具备通信任务需求时，主控CAN节点控制该受控CAN节点进入低功耗模式；受控处理器模块从受控CAN协议模块获取通信数据，与主控CAN节点进行信息交互。
主控CAN节点作为总线网络通信任务的发起者，基于既定的控制与通信工作逻辑，对总线中的全部受控CAN节点进行工作模式控制，保证各受控CAN节点在无通信任务时处于低功耗模式。上电后，主控CAN节点主控处理器周期性分析是否需要与受控CAN节点进行通信，若需要开展通信任务，则对需通信的受控CAN节点进行排序，然后按顺序控制各需通信受控CAN节点分别完成如下工作：由低功耗模式切换为高速模式、从CAN总线上接收主控CAN节点发来的总线数据、由高速模式切换为低功耗模式。待全部需通信完成后，主控CAN节点进入下个控制任务周期。为保证总线工作模式切换指令传输的有效性，主控CAN节点设有控制信号隔离模块，将主控CAN节点主控处理器发出的若干译码使能信号和4位节点控制信号进行隔离后输出给后级控制信号译码模块。
控制信号译码模块接收主控CAN节点发来的若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号，采用变量译码的方式，识别指令传递目标，使对需控制的受控CAN节点输出工作模式切换译码控制指令，使受控CAN节点根据任务需要改变工作模式。为保证所有受控CAN节点在无通信任务情况下处于低功耗状态，控制信号译码模块未接受到主控CAN节点指令输入情况下，控制信号译码模块的默认输出使全部受控CAN节点处于低功耗模式。
受控CAN节点作为总线网络通信任务的执行者和工作模式被控对象，工作模式转换受主控CAN节点控制，被控制方式为总线协议模块受控，当其总线协议模块被控制为高速模式时，其从总线上接受数据后向主控CAN节点回复数据，该数据也作为主控CAN节点控制受控CAN节点切换为低功耗模式的判据。在无通信任务时，受控CAN节点被控制为低功耗模式。

Claims (9)

1.一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络，应用于分布式CAN总线通信网络环境，所述CAN总线通信网络包含主控CAN节点、CAN总线线路、控制信号译码模块、若干受控CAN节点；
其特征在于，主控CAN节点在对通信任务需求进行分析的基础上，根据控制信号译码策略对各受控CAN节点的工作模式进行动态管理，使各受控CAN节点仅在有通信任务时处于高速工作模式，否则处于低功耗模式，降低总线网络整体功耗；
CAN总线线路用于在主控CAN节点与受控CAN节点间传输通信数据；
控制信号译码模块，用于接收主控CAN节点控制信号隔离模块发来的若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号，将若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号转换为若干工作模式切换译码控制指令并分别发送至各受控CAN节点，以实现对需控制的受控CAN节点的控制；
控制信号译码模块包括若干4输入16输出高速译码器，若干译码使能隔离信号控制若干4输入16输出高速译码器是否输出工作模式切换译码控制指令，4位节点控制隔离信号控制若干4输入16输出高速译码器对哪个受控CAN节点的受控CAN协议模块发出工作模式切换译码控制指令。
2.如权利要求1所述的一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络，其特征在于，主控CAN节点包括主控处理器模块、控制信号隔离模块、主控CAN协议模块；主控处理器模块基于通信任务需求对控制信号隔离模块发出若干译码使能信号、4位节点控制信号，控制信号隔离模块负责将主控处理器模块发来的若干译码使能信号和4位节点控制信号分别隔离转换为若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号并发送至后级控制信号译码模块；主控CAN协议模块负责为主控处理器模块接收和发送总线数据。
3.如权利要求2所述的一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络，其特征在于，每个受控CAN节点均包括受控CAN协议模块和受控处理器模块，受控CAN协议模块负责为受控处理器模块接收和发送通信数据，每个受控CAN节点的工作模式受主控CAN节点控制，当受控CAN节点具有通信任务需求时，主控CAN节点控制该受控CAN节点进入工作模式，当其不具备通信任务需求时，主控CAN节点控制该受控CAN节点进入低功耗模式；受控处理器模块从受控CAN协议模块获取通信数据，与主控CAN节点进行信息交互。
4.如权利要求1所述的一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络，其特征在于，CAN总线通信网络由一主多从的若干CAN节点组成。
5.如权利要求1-4中任一项所述的一种基于动态管理的低功耗CAN总线通信网络的控制方法，其特征在于，若干受控CAN节点分别被赋予从1开始按序增加的整数编号，主控CAN节点从1号受控CAN节点开始，对若干受控CAN节点依序进行控制需求的判断及如下的控制方法：
1)主控处理器模块根据通信任务需求，识别需控制的受控CAN节点，发出相应的若干译码使能信号和4位节点控制信号，若干译码使能信号和4位节点控制信号经控制信号隔离模块隔离后成为若干译码使能隔离信号和4位节点控制隔离信号，被发送至后级控制信号译码模块；
2)控制信号译码模块包括若干4输入16输出高速译码器，若干4输入16输出高速译码器的各使能引脚EN分别接收若干译码使能隔离信号中的1个，控制信号译码模块的若干4输入16输出高速译码器的各4输入引脚IN1～IN4，接收4位节点控制隔离信号；
3)受控CAN节点的CAN协议模块接收工作模式切换译码控制指令，受控CAN节点的CAN协议模块从低功耗模式切换为高速模式；
4)主控处理器模块通过CAN总线向需控制的受控CAN节点发出总线数据，受控CAN节点的受控处理器模块从CAN总线上接收主控处理器模块发出的总线数据；
5)受控处理器模块接收总线数据后，向主控处理器模块回复总线答复数据，主控处理器模块接收到受控CAN节点回复的总线答复数据后，判断总线任务结束，向受控CAN节点再次发出总线工作模式切换指令，控制受控CAN节点的CAN协议芯片切换为低功耗工作模式。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，受控CAN节点的CAN协议模块受控制信号译码模块输出控制，并使受控CAN节点在上电状态下默认处于低功耗模式。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，主控CAN节点的主控处理器发出的总线工作模式切换指令分为译码使能信号和通道控制信号两部分，译码使能信号经寻址信号隔离模块隔离后输出译码使能隔离信号给后级控制信号译码模块，通道控制信号经控制信号隔离模块隔离后输出通道控制隔离信号给后级控制信号译码模块。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，控制信号译码模块接收译码使能隔离信号，分配给各4输入16输出高速译码器的使能引脚，使需受控的受控CAN节点所连接的4输入16输出高速译码器输出有效电平，使需受控的受控CAN节点能够接收工作模式切换译码控制指令；控制信号译码模块接收通道控制隔离信号，分配给各4输入16输出高速译码器的4输入引脚，用于产生对相应受控CAN节点的工作模式切换译码控制指令。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，任意4输入16输出高速译码器能实现对最多16个受控CAN节点的CAN协议芯片的工作模式控制。
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