CN1830180A - 在多通道can应用中进行诊断的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一个CAN网络包括若干个CAN系统，每个CAN系统包括一个CAN总线和一个CAN接口，它们通过所述CAN总线连接到主CPU。至少一个CAN接口是一个选择器接口，它允许有选择地访问其它CAN系统的CAN总线。因此，可以通过在一种所谓“镜像模式”中操作选择器接口来监控一个总线上的数据交换，在所述镜像模式中被监控总线的数据被自动传输到选择器接口的总线上。到诊断单元的连接允许诊断被监控总线上的数据交换。

Description

在多通道CAN应用中进行诊断的设备和方法
CAN(依照ISO 11898的控制器局域网络)是工业应用和汽车领域中频繁使用的网络，用于在独立的节点之间交换数据。随着汽车领域的最新发展，一个车辆内的节点不再连接到单个网络。相反地，系统设计把属于某一应用类型或要求某一总线速度的节点组分配给分离的CAN总线系统。但是，这一多通道结构阻碍了无障碍的信息从一个网络到另一个网络的流动，而这恰恰是诊断所需要的。
目前，装备有多个CAN接口的节点的主处理器需要通过一种软件算法执行这一任务。这要求主处理器中断其常规操作。随后，它必须处理来自一个CAN接口的信息接收、将该信息复制到目标CAN接口，并提交这些数据的传输请求。这一过程非常低效，因为主处理器通常不使用或修正这些数据。由主处理器的处理造成的延迟通常不可预测，因为高优先级的任务能够延迟对数据传输的处理。此外，仅仅被传递到另一个CAN接口的数据流会严重影响主处理器的实时性能。因此，没有实现诊断所要求的以一种无障碍的方式监控来自一个CAN网络的数据的主要目的。
存在多个使主处理器免去这一任务的实施方式。这些设备(被称为电桥)把来自源CAN接口的数据独立地复制到目的CAN接口。而这一结构的主处理器不需要被中断，还存在其他的一些缺陷。首先，仍旧存在一种复制算法，它要求一定的时间来完成。这一时间段附加到将被传输的数据的传播延迟中。第二个缺陷是该结构要求一个节点的所有CAN接口的一个公用存储器，用以存储CAN消息。当每个节点的CAN接口数目增大时，这成为一个主要问题。工作在一个公用存储器上的CAN接口越多就要求选择越高的操作频率，以便在任何给定的时间点都满足每个CAN接口的计时要求。
在DE-19758032A中公开了一种依照权利要求1的序言的设备。这一文献提及CAN接口之间电桥模块的使用，并进一步建议为一个节点的所有CAN系统使用一个公用消息存储缓冲器，例如以一个内容可寻址存储器的形式，以便促进CAN系统间的数据传输。在上面已经介绍了电桥和一个公用存储器的问题，此外，内容可寻址存储器专用于特定的应用，并且当该应用改变时必须被相应地重新构造。这是由这样一个事实迫使的：内容可寻址存储器只是专门为特定的处理技术设计的。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一个数据网络和一种操作该数据网络的方法，该数据网络中消息能够以一种简单的方式从一个CAN总线系统传输到另一个CAN总线系统，并且允许CAN系统的简单监控。
这一目的通过权利要求1中定义的数据网络和权利要求6中定义的方法实现；附属的权利要求涉及本发明的进一步改进。
依照本发明，建议把CAN系统之一的CAN接口修改为一个‘选择器接口’。这一选择器接口可被有选择地连接到另一个CAN系统的一个CAN总线上，用以监控这一总线上的数据交换。因此，选择器接口装配有一个选择器和一个用于被监控总线的协议处理器以及另一个用于其自身总线的协议处理器。这一选择器接口能够在所谓的‘镜像模式’下运行，所述模式中在该选择器接口的总线上自动传输(和镜像)被监控总线的数据。这一总线可以被有益地连接到诊断单元，以便对被监控总线上交换的数据做出诊断。
当现代CAN网关需要把来自一个被监控CAN总线系统的数据流提供到另一个CAN总线系统时，在此阐述的方法避免了现代CAN网关的缺点。该方法不要求连接到被监控CAN总线的那些CAN接口的特殊设备。
此外，数据传输被组织为不利用消息的复制过程，这样降低了镜像消息的传播延迟并且由此增强系统性能。
在本发明的一个改进中，可为选择器接口提供一个滤波功能，因此数据传输被限制到一个或多个滤波器中定义的消息的子集中，所述滤波器可包括用于定义被滤波范围的掩码。使用这一正的滤波功能，所有未定义的消息将不被从监控CAN接口向CAN总线传输。
此外，当单个消息或消息范围被排除在从监控CAN接口到CAN总线的数据传输之外时，可使用一个负的滤波功能。这一负滤波功能定义一个或多个滤波器，它们可包括用于定义被滤波消息范围的特征码。满足滤波器标准的消息不从监控CAN接口复制到CAN总线，而所有其它非必须明确已知的消息可在CAN总线上得到。
附图说明
将结合附图对本发明的一个实施例进行阐述。
图1示出具有三个通道的CAN网关的基本结构框图。
图2示出解释镜像模式基本原理的信号图；以及
图3示出解释一种交错活动的信号图。
具体实施方式
图1结构中示出了第一和第二CAN接口10，20。这些CAN接口具有相同的结构，有一个专用的CAN总线11、21，一个CAN协议处理器12、22，数据存储和控制引擎13、23，以及一个到构成一个节点的主CPU(未示出)的接口14、24。
目前所阐述的结构已众所周知，并且通常包括若干个带有专用总线的前述CAN接口。为了将一个数据流从CAN总线11或21提供到另一个CAN总线或CAN接口，需要由连接到相应接口的主处理器执行一种数据传输。即主CPU必须从一个CAN接口的数据存储器读取数据，将它复制到例如一个公用消息缓冲存储器中，并且进一步将它存储到另一个CAN接口的数据存储器中。
另一方面，下面阐述的结构允许独立于主处理器执行这一任务。这一结构甚至不要求每个CAN接口(CAN-I/F)具有一个特殊设备。只需要由一个专用特殊硬件代替一个CAN接口。
本发明的基本概念是通过第三CAN接口30实现的，它是已阐述的CAN接口10、20的修改版本。此外，提供了被监控CAN接口总线之间的附加连接36、37、第三CAN接口30处的一个附加输入终端。
为了访问CAN总线10或20的数据流，CAN接口30装配有第二CAN协议处理器35。这一协议处理器被配置为只能接收消息。取消到被监控CAN总线系统的错误信令的消息传输。主处理器经由一个可编程选择器38选择一个应该被监控的源通道。在主处理器初始化了用于向CAN总线30传输数据所必需的所有参数之后，可以启动一种用于诊断支持、被称为‘镜像模式’的运行模式。
当镜像模式被使用时，在被监控总线上交换的所有有效CAN帧被CAN接口30中的CAN协议处理器35接收。这些帧被存储在通常由常规CAN协议处理器32使用的消息缓冲存储器33中。
镜像模式期间，CAN协议处理器35仅仅使用数据存储器的一部分。因此，主处理器仍能通过CAN协议处理器32同时接收和传输常规应用消息。
一旦从被监控CAN总线接收到一个帧，一个专用状态机将在CAN协议处理器32上为这一帧发射一个传输请求。这一帧参与用于CAN接口30的消息传输的内部优先级方案。如果它在具有待决传输请求的所有消息中的优先级最高，则将它发送在CAN总线31上。
当主处理器不发送另外的应用消息时，经由CAN协议处理器35接收的消息的顺序同CAN协议处理器32上的发送顺序相同。如果该应用选择发送由该节点的主处理器所准备的附加消息，那么这些消息根据CAN协议(ISO 11898)定义的优先级规则交错到CAN总线31上的数据流中。
从被监控CAN总线到CAN总线系统31的消息顺序的限制被消息接收处的某一存储算法实现。数据存储和控制引擎33以固定(即升序)顺序把从CAN协议处理器35接收的任何消息存储到消息缓冲存储器中。因此，对CAN总线系统31上的传输进行处理的进程先验已知接下来需要传输哪个消息。
当没有其他先前从被监控CAN总线系统接收的消息被镜像模式处理时，则准备传输新近接收的消息。这可以是一个具有待决传输请求的消息，它在CAN总线系统31上被当前传输或等待赢得内部判优过程。此外，它可以是一个或多个已经被CAN协议处理器35接收但还没有建立它们的传输请求的消息。
一旦数据存储和控制引擎33确认在CAN总线系统31上完成了一个传输，它检查这一事件属于CPU调用的消息还是镜像模式调用的消息。后一种情况下，准备传输遵循CAN总线处理器35的接收过程的存储顺序的消息。镜像模式的过程示于图2。
本发明对一个特定CAN总线的数据流提供监控，所述数据流来自连接到相同节点的另一个CAN总线。这一诊断功能的执行对主处理器的实时性能没有任何影响。当该诊断功能将被用来识别系统的故障时，这一特征变得更加重要。只有镜像模式的非插入式操作才能保证潜在故障没有被数据传输功能自身的行为消除。
CAN总线3上传输的消息直接从存储位置提取，在所述位置中存储有先前从被监控CAN总线系统(CAN总线1，2)接收的消息。这降低了存储量，并且作为更重要的一项，从被监控CAN总线系统到CAN总线3的传输过程被更快速地组织，相当于必须执行从一个接收缓冲器到一个专用传输缓冲器的内部复制过程。在镜像模式操作期间，消息缓冲器被如此准备：执行从被监控CAN总线系统的接收，尽管该消息缓冲器载有传输缓冲器的所有特征。因此，镜像模式中CAN总线3上接下去的传输操作可以从一单个指令开始。因此，一个‘镜像’消息的延迟被降至由消息长度(CAN总线上消息的出现)自身给定的最小值。这是诊断系统的一个重要特征。
装配有镜像模式的CAN接口可附加到任何CAN节点的设计中，而不会改变已经存在的CAN接口。这一模块性使得在已有产品中使用镜像模式成为可能。
与装配CAN电桥从一个CAN总线向另一个CAN总线传输数据的已有方案相比，镜像模式提供使用一种更简单的数据存储设计。目前，CAN电桥需要一个公用数据存储器用于想要参与不同CAN总线系统间数据传输的所有CAN接口。镜像模式不要求这一结构。设计变得更加复杂，并且具有公用数据存储器的结构的计时要求比图1所示的结构严格得多。镜像模式放松了设计的这个部分，结果是CAN接口能够在更低的频率下运行，并且每个CAN接口可被设计为一个单独电路。
术语‘镜像模式’表示通过一个专用CAN接口将一个CAN总线上的数据镜像到另一个CAN总线上。在不必复制消息的前提下执行从一个CAN总线系统到另一个CAN总线系统的消息传输。把从被监控CAN总线接收的数据存储到相同区域(消息缓冲器)中，将它从所述区域发送到另一个CAN总线(即诊断CAN总线)。
镜像模式提供一种非插入式方法来测量或观察一个CAN总线系统的数据流，该CAN总线系统没有直接连接到在其上可获得数据的CAN总线系统。
镜像模式在诊断CAN总线上提供有效消息的顺序与被监控CAN总线系统上看到的顺序完全相同。
镜像模式处理所有的有效帧类型：数据帧和远程帧。用于标识符、标准和扩展标识符的两种格式都被镜像模式处理。
镜像模式使用在一个公用数据存储和控制区域(消息缓冲区域)上工作的两个CAN协议处理器。连接到被监控CAN总线系统的CAN协议处理器共享该消息缓冲区域的一个部分。因此，当镜像模式独立运行时，另一个CAN协议处理器能够同时处理来自主处理器的消息。当镜像模式没有被主处理器激活时，整个消息缓冲区域都被分配给用于诊断CAN总线的CAN协议处理器。
在不改变已有CAN接口设计的前提下，可将装配有镜像模式的CAN接口结合到已有的多通道CAN节点中。镜像模式与一个节点中使用的CAN接口数目无关。
图2的顶行展示了从被监控CAN总线系统接收的若干消息(RX(32)、RX(33)、RX(34))的时间线。当DNi(用于消息缓冲器i的数据新标志)调到3时，发生这些消息的有效接收。
作为数据存储和控制引擎33的一部分的镜像模式引擎(MME)处理每个接收，并且递增一个反映仍等待在CAN总线系统31上传输的已接收消息的数目。按照接收消息被存储的顺序，为各个消息缓冲器设置传输请求(TRQi)。在MMP等于0的任何时候或在识别到CAN总线系统31上传输完成的任何时候，便发布传输请求。
稍低的水平行示出了CAN总线系统31的总线活动(行DIAG)以及被命名为THL(传输历史列表)的传输完成状态。
图3示出当CPU交错其它消息时镜像模式的运行。
示例中，CPU提交消息目标15(TX15)的传输请求。这一消息目标没有处在用于镜像模式的存储区域中，但它仍属于数据存储和控制引擎33。假定消息目标15具有比TX(33)和TX(34)更高的优先级。
现在，在TX(32)之后服务CPU请求的传输。TX(32)传输完成以后，MME仍然准备要传输的RX(33)。TX(15)被传输之后，MME识别到消息TX(15)结尾处的这一传输完成不属于一个镜像消息目标。因此，没有发送新的传输请求，并且MME等待TX(33)在请求传输消息目标RX(34)之前完成传输。
这一示例说明了如何能够同主CPU请求的通信并行地发布对被监控总线的诊断。
所述的结构仅仅是一个示例。镜像模式可被应用到包含任何CAN通道数的任何节点中。
需要指出主处理器上的CAN通道数目(n)绝对独立于镜像模式。
对一个非常特殊的情况而言，n甚至可以等于1。这种情况中仅存在CAN-I/F3，并且到被监控CAN总线系统的连接没有被做成“片上”而是将其路由到该应用的CAN总线系统的另一个节点。
此外，需要指出一旦被初始化主处理器不再必须支持镜像模式的运行，并且主处理器不受镜像模式运行的影响。
此外，正的或负的滤波功能结合镜像模式能够为客户提供一种增强型操作。一方面，客户可以从被监控总线11、21选择重现消息子集。这一特征(一个正的标识或正的滤波功能)可在选择器接口30中实现，也可由客户设定或激活。另一方面，存在实现负滤波功能的可能。负的滤波器以这样的方式工作，即用户指定标识符(＝这一内容中的消息)或将不参与镜像模式的标识符的范围。客户能够利用这一功能消除诊断总线系统中较大的数据。由于诊断总线例如为存放区和修正提供一个常规访问点，如果在镜像模式中没有阻止则未授权的访问有机会获得信息。

Claims (12)

1.包括多个CAN系统的数据网络，每个CAN系统包括一个CAN总线(11，21，31)以及一个连接到所述CAN总线用以同主CPU交换数据的CAN接口(10，20，30)，其特征在于至少一个CAN系统的CAN接口(30)是一个选择器接口(30)，用以有选择地访问其它CAN系统的CAN总线(11，21)。
2.权利要求1中的数据网络，其中每个CAN接口包括一个同其自身CAN总线(11，21，31)交换数据的CAN协议处理器(12，22，32)、一个数据存储和控制装置(13，23，33)以及一个到所述主CPU的接口(14，24，34)，并且其中选择器接口(30)附加地包括一个用以选择另一个CAN系统的CAN总线的选择器(38)，以及一个用以同所述被选择的CAN总线(11，12)交换数据的第二CAN协议处理器(35)。
3.权利要求2中的数据网络，其中所述选择器接口(30)包括监控装置，用以监控所选CAN总线上的数据交换并在其自身CAN总线(31)上传输来自所选CAN总线的已识别的有效消息。
4.权利要求3中的数据网络，其中所述已识别的有效消息被存储在所述选择器接口(30)的所述存储设备(33)的一个位置上，并从所述位置发送到所述CAN总线(31)。
5.权利要求4总的数据网络，其中所述选择器接口(30)的所述CAN总线(31)被连接到诊断单元。
6.对包括多个CAN系统的数据网络进行操作的方法，每个CAN系统包括一个CAN总线(11，21，31)和一个同主CPU交换数据的CAN接口(10，20，30)，所述方法包括步骤：有选择地将所述CAN接口(30)之一和不同CAN系统的一个CAN总线(11，21)相连接，以及通过所述一个CAN接口(30)监控所述CAN总线(11，21)上的数据交换。
7.权利要求6中的方法，其中所述一个CAN接口(30)被设置为一种镜像模式，所述镜像模式中在被监控CAN总线(11，21)上交换的有效消息被自动发送到与该监控CAN接口(30)相关的CAN总线(31)上。
8.权利要求6中的方法，其中所述数据传输被组织为不利用消息复制的过程。
9.权利要求6中的方法，其中数据传输限于在一个或多个滤波器中所定义的一个消息子集，所述滤波器可包括用于定义被滤波消息范围的掩码。
10.权利要求6中的方法，其中通过使用负滤波功能将单个消息或消息范围排除在从监控CAN接口(30)到CAN总线(31)的数据传输之外。
11.权利要求1到5中的数据网络，其中所述选择器接口(30)包括滤波装置，只用于传输匹配一定标准的消息或消息范围。
12.权利要求1到5中的数据网络，其中所述选择器接口(30)包括滤波装置，用以禁止与一定标准匹配的消息的传输。
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