CAN总线网络层协议栈开发测试.docx

1、CAN总线网络层协议栈开发测试CAN 总线网络层协议栈开发测试韩 鑫1,2,鲍可进1(1. 江苏大学计算机科学与通信工程学院,江苏 镇江 212013;2. 上海华普汽车有限公司,上海 201501摘 要:对ISO15765协议进行分析,依据协议在基于MC9S12DP512芯片的整车控制器上完成CAN 网络层协议栈的开发,给出开发过程。在VC 环境下开发测试程序,对协议栈进行测试。结果表明,实现的CAN 网络层协议栈符合ISO15765协议的规定,可满足车辆故障诊断系统等具体应用中系统对CAN 网络层通信的需求。 关键词:控制局域网;网络层;协议栈;整车控制器Development and T

2、est of CAN Bus Network Layer Protocol StackHAN Xin 1,2, BAO Ke-jin 1(1. School of Computer Science and Telecommunication Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Shanghai Maple Automobile Co., Ltd., Shanghai 201501, China【Abstract 】The ISO15765 protocol is analyzed, the developmen

3、t of CAN network layer protocol stack is achieved by the platform of vehicle control unit which is based on MC9S12DP512, meanwhile, the development process is given in detail. Under the VC environment, test procedures are developed for the test of the protocol stack. The results show that the protoc

4、ol stack is in accord with ISO15765, and meets CAN network layer communications needs in variety applications, such as vehicle fault diagnosis system.【Key words 】Control Area Network(CAN; network layer; protocol stack; Vehicle Control Unit (VCU DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.15.075计 算 机 工 程Compu

5、ter Engineering 第37卷 第15期V ol.37 No.15 2011年8月August 2011工程应用技术与实现文章编号:10003428(201115023203文献标识码:A中图分类号:TP3111 概述CAN 总线具有结构简单、成本低、可靠性高、抗干扰能力强等优点,已广泛应用于车辆通信与控制系统中,在其他工业领域也得到广泛应用1。ISO15765是一种基于CAN 总线的车辆故障诊断协议,在其网络层协议中规定了CAN 总线上不同节点间进行数据交换的网络层通信需求,为保证数据在CAN 总线上的可靠传输提供了完善的网络层管理机制。除车辆故障诊断系统外,ISO15765的网络

6、层协议可应用到其他采用CAN 总线进行通信的工业系统中,满足系统对CAN 网络层协议的需求2。 本文介绍ISO15765协议体系结构,对协议中的CAN 网络层通信机制进行深入分析。在基于MC9S12DP512芯片的整车控制器上开发符合ISO15765协议的CAN 网络层协议栈。在PC 机的VC 环境下开发协议栈测试程序与控制器进行通信,通过分析测试程序记录的数据对协议栈功能进行验证。所实现的网络层协议栈已应用到新型电容混合动力轿车故障诊断系统中,可用于实现诊断系统上位机与控制器之间的诊断通信。2 ISO15765协议分析CAN2.0规范在开放系统互连模型OSI 上定义了CAN 的物理层和数据链

7、路层标准,国际标准化组织ISO 通过对CAN2.0规范的进一步标准化制订了ISO11898协议。在实际应用中,CAN 通信的实现通常需要更高层协议的支持3。比如ASAM 组织制定的CAN 标定协议CCP ,SAE 组织制定的J1939协议等。ISO15765协议是ISO 针对车辆故障诊断系统制定的CAN 高层协议。ISO15765协议的目标是为基于CAN 总线实现的车辆故障诊断系统定义一组统一的需求。如图1所示,ISO15765依据OSI 模型的分层结构在ISO11898协议规定的CAN 物理层与数据链路层基础之上,定义了故障诊断系统网络层通信和应用层服务相关的内容。ISO15765-3诊断服

8、务层映射到OSI 模型的应用层,规定了应用层定时参数、网络层接口、诊断服务格式等信息;ISO15765-2网络层服务映射到OSI 模型的网络层和传输层4,规定了网络层协议数据单元N_PDU 与底层CAN 数据帧、应用层协议数据单元A_PDU 之间的映射关系,通过网络层可对长报文进行分段传输,网络层为分段传输过程提供了时间管理、流控制和错误处理机制。图1 ISO15765体系结构在OSI 模型中的映射关系IS015765采用分层结构,各层之间通过约定的服务接口进行数据交换,各层对其内部的操作机制进行完全的封装。这使得在进行协议栈开发时只需要按协议规定为相邻层设计服务接口,各层内部操作的实现完全不

9、受其他层的制约,可基金项目:国家“863”计划基金资助项目“新型电容混合动力轿车整车产品研发”(2006AA11A128作者简介:韩 鑫(1984-,男,硕士,主研方向:嵌入式系统; 鲍可进,教授收稿日期:2011-03-17 E-mail :crazyxiaoxin第37卷 第15期 233韩 鑫,鲍可进:CAN 总线网络层协议栈开发测试 单独进行各层协议栈的开发和测试。3 ISO15765网络层协议分析3.1 网络层服务接口网络层向下层传输的是网络层协议数据单元N_PDU ,向应用层提供应用层协议数据单元A_PDU ,一个A_PDU 可映射为一个或多个N_PDU 5。N_PDU 对应于CA

10、N 帧,两者之间的对应关系由寻址方式确定。网络层负责完成N_PDU 与A_PDU 之间转换的组织和管理,应用层不必关心分段信息重组和分段的过程,只需访问网络层提供的接口即可请求网络层服务、获取请求服务的执行情况。如表1所示,网络层为应用层提供4类服务接口。表1 网络层提供的服务接口及功能 服务名称功能N_USData.request 应用层请求网络层传输数据 N_USData.confirm 网络层通知应用层所请求的服务已执行完成/失败N_USData_FF.indication 网络层通知应用层开始接收分段信息N_USData.indication 网络层通知应用层单帧(分段信息接收完成/失

11、败3.2 网络层数据传输方式由于CAN 数据帧最多只能传送8个字节的数据,为适应不同长度数据的传输需求,ISO15765网络层协议提供了非确信不分段传输(UUDT和非确信分段传输(USDT 2种数据传输机制。为实现这两种传输方式,协议中通过网络层协议控制信息N_PCI 定义了4种类型的网络层协议数据单元N_ PDU 。3.2.1 网络层协议数据单元N_PDUN_PDU 包含网络层地址信息N_AI 、N_PCI 和网络层数据N_Data 三部分。N_AI 存放于CAN 标识符中(不需要扩展地址时,N_PCI 和N_Data 存放于CAN 帧的数据域中。如 图2所示,不同类型N_PDU 通过N_P

12、CI 第1个字节中的前4位进行区分,表中单帧数据长度SF_DL 记录单帧传输数据的长度;首帧数据长度FF_DL 在多帧传输中记录分段数据的总长度;连续帧序号SN 保存数据分段的顺序;流控制状态FS ,在分段传输中用来控制发送方数据发送的过程;N_Data 存放于CAN 帧数据域除N_PCI 之外的其他字节中。协议控制信息N_PCI 中的字节字节#1N_PDU 名称Bits 7-4Bits 3-0#2 #3单帧(SF N_PCItype =0 SF_DL N/A N/A 首帧(FF N_PCItype =1 FF_DL N/A 连续帧(CF N_PCItype =2 SN N/A N/A 流控制

13、帧(FCN_PCItype =3 FS BS STmin图2 N_PCI 在不同类型N_PDU 中的描述3.2.2 非确信不分段数据传输非确信不分段数据传输即单帧传输,该方式下网络层使用单帧N_PDU 传送数据。由于单帧N_PCI 占用CAN 帧数据域中的一个字节,单帧传送方式可传输的最大数据长度为 7个字节,如果采用远程诊断方式,由于扩展地址AE 需要占用数据域中的一个字节,可传输的最大数据长度变为6个 字节。3.2.3 非确信分段数据传输非确信分段传输是指多帧传输,当网络层传送数据中的字节个数超出单帧传输方式的传送能力时,网络层将数据分段为多个N_PDU 进行发送;接收时,网络层将接收到的

14、多个N_PDU 进行重组。分段数据包括一个首帧N_PDU 、一个或多个连续帧N_PDU 。为解决通信双方的数据同步问题,分段传输过程应当按照协议规定流控制管理机制执行。分段传输的过程如图3所示,发送方网络层检查发送数据的长度,如果数据不能通过单帧传输方式发送,发送方向接收方发送首帧N_PDU 。接收方网络层在接收到首帧 N_PDU 后,将其包含的FF_DL 与自身网络层缓冲区大小进行比较,如果FF_DL 大于接收方网络层缓冲区的容量,接收方中止接收过程并向发送方发送FS=OVFLW 的流控制帧。图3 分段传输示意图1如果接收方暂时无法接收数据,接收方暂停数据接收向发送方发送FS=WAIT 的流

15、控制帧。若接收方可接收数据,向发送方发送FS=CTS 的流控制帧,其中包含发送方可连续发送CF N_PDU 的最大个数BS(Block Size和发送间隔时间STmin 。发送方接收到FC N_PDU 后,根据N_PCI 中的BS 和STmin 向接收方发送分段数据,并记录当前已发送CF N_PDU 的个数。当发送方发送连续帧个数等于BS 后暂停数据发送,等待接收方发送新的流控制信息,重复以上的操作,直到所有数据传输完成或者传输过程出错进行错误处理。接收方的数据接收能力受到网络层缓冲区容量和数据帧处理速度的限制,可通过BS 与STmin 进行衡量。3.3 网络层时间管理及错误处理机制网络层时间

16、管理机制是为防止CAN 网络上的通信节点因持续等待而被永久挂起,从而造成整个CAN 网络通信能力的瘫痪。CAN 网络上不同节点间进行通信时,需要根据网络层协议设置超时参数,在超时时间内未完成规定的操作时触发网络层超时错误。除超时错误外与网络层相关的错误还包括N_PCI 错误、非预期N_PDU 、流控制等待错误。错误处理机制在网络层发生错误时进行错误处理,保证CAN 网络的正常通信。4 ISO15765网络层协议的实现下面介绍在CodeWarrior 4.7下使用C 语言进行协议栈开发的详细过程。以新型电容混合动力轿车整车控制器为开发平台,控制器采用Freescale 公司的16位控制芯片MC9

17、S12DP512,拥有五路MSCAN 控制器,14 KB 的RAM 和512 KB 的Flash 等硬件资源。外接晶振频率为16 MHz ,控制器中的主程序采用前后台系统6。通过以上对ISO15765网络层协议的分析,网络层协议234 计算机工程2011年8月5日 栈的功能可通过网络层接口、数据分段与重组、时间管理、错误处理4个模块实现,协议栈实现的原理如图4所示。其中网络层接口的实现比较简单,首先根据协议定义四类网络层服务接口的结构体类型,然后定义相应服务接口的结构体变量即可,重点讲述其他3个模块的实现过程。图4 网络层协议栈实现原理4.1 数据分段与重组在多帧传输时,网络层负责将传输的数据

18、进行分段和重组,分段和重组的过程中需要设置网络层缓冲区来暂时存放数据。缓冲区的设置可以考虑2种方案,一种是设置双缓冲区,分别用作接收缓冲区和发送缓冲区。该方案优点是数据的传输过程可实现全双工通信,通信速率、总线负载率较高,不需要单独的缓冲区管理程序;缺点是占用RAM空间大。另一种方案是设置单缓冲区,接收和发送过程中网络层互斥使用该缓冲区。该方案只能进行半双工通信,通信速率较低,实现过程中需要专门的程序对缓冲区进行管理;优点是系统RAM的占用率低。考虑到开发环境中硬件条件的限制,本研究采用单缓冲区方案。如图5所示,为充分利用缓冲区空间,克服“假溢出”现象,将缓冲区设计为单向循环队列。在多帧传输过

19、程中接收到首帧时,将首帧中的FF_DL与缓冲区大小进行比较,如果缓冲区的容量大于FF_DL,允许向缓冲区中写入数据。在数据重组完成后只需要将数据在循环队列中的开始位置和数据的总长度提供给应用层,应用层便可从缓冲区中读取重组后的数据。在分段发送数据时,先比较发送数据的长度与缓冲区容量,如果数据的长度小于缓冲区容量将发送数据拷入缓冲区中,同时保存数据的开始位置与长度。启动数据分段,将数据依次从缓冲区中取出填入相应的N_PDU中,数据链路层根据接收到的N_PDU填充CAN帧,调用发送函数发送数据。图5 分段传输示意图2分段和重组的过程中互斥使用缓冲区,只有循环队列为空时才允许新的缓冲区使用请求。为适

20、应不同应用中的数据对网络层缓冲区容量的要求,缓冲区长度采用宏定义,最大可达4 095 Byte。4.2 时间管理时间管理包括延时发送和超时处理两部分功能。同一块中的连续帧发送或流控制等待帧连续发送时,连续发送的两帧之间需要一定的间隔时间,来保证接收方有足够的时间处理接收到的数据,即发送方前一帧发送结束后需要延时固定时间后再调用发送函数发送新的帧。此外,在通信过程中通信双方每发送完一帧或接收到一帧后,都需要记录时间进行超时判断。网络层通信过程中使用系统时钟进行计时。通过配置寄存器,利用系统时钟产生一个长度为1 ms的实时中断基准时间(RTICTL = 0x1f。在实时时钟中断函数中定义一个16位

21、的无符号计数器进行加一操作,当需要进行延时操作时采集计数器的当前值作为计时开始时间,当计时器达到设定的时间条件后进行下一步操作。需要进行超时判断时将计时器值、超时参数与需要触发的事件是否发生一起作为发生超时错误的判断条件。4.3 错误处理如图3所示,在网络层通信过程中,发生任何类型错误时通信过程都会被中断,并转入错误处理模块进行错误处理。错误处理模块将接收到的错误指示信息与自身case语句中的错误类型进行匹配,匹配成功后执行相应的错误处理操作,并将错误告知应用层。错误处理完成后应当及时清空网络层缓冲区,已备网络层接收新的数据。5 协议栈测试为验证协议栈功能的可靠性与正确性,在PC机的VC6.0

22、环境下开发测试程序对实现的协议栈进行测试。测试程序通过周立功公司的USBCANI接口卡与控制器进行CAN通信。测试程序的运行界面如图6所示,通信的整个过程可在测试程序中实时显示,通过读取显示数据分析协议栈运行的正确性与可靠性。设定上位机地址为0x00,控制器地址为0x10,CAN总线的通信速率为500 Kb/s。图6 测试程序界面测试过程分为2个部分:正常通信功能测试和错误处理功能测试。正常通信功能测试通过单帧发送(测试程序单帧响应(控制器、单帧发送分段响应、分段发送分段响应、分段发送单帧响应4类测试实例来测试协议栈在正常通信情况下的数据分段与重组等功能是否正常。错误处理功能测试根据故障类型编

23、写错误实例,验证网络层协议栈是否能够对错误进行识别,并通过错误处理模块对出现的错误进行容错处理,保证通信正常。(下转第237页第37卷第15期 237 原菊梅,潘宏侠:基于递推参数辨识的齿轮箱故障在线检测有发生变化,而当该统计量超过一定范围时则认为齿轮箱发生故障。对3.2节中所得的正常工况、正常运行一段时间后出现齿轮磨损2种情况的递推模型参数进行参数变化量的2-范数统计,得到图3。0500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 0003 500 4 000 4 5000.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50采样点参数变化量的2-范数

24、(a正常工况时参数变化量的2-范数(b齿面磨损时参数变化量的2-范数图3 2种情况下参数变化量的2-范数从图3可以看出,齿轮箱保持正常工作状态时,其参数变化量的2-范数波动不大,基本保持在小于0.43的范围内,而当突然出现齿面磨损时,参数变化量的2-范数将超过正常时的范围,出现大于0.5的变化量。同样可以得到正常运行一段时间后突然出现轴承外圈剥落时的参数变化量2-范数图如图4所示,其参数变化量的2-范数突变性表现得更突出。若取递推参数变化量的阈值为0.5,则2种情况下均能快速检测出齿轮箱发生故障。说明用此方法可以进行齿轮箱故障的在线检测。图4 正常运行后轴承外圈剥落参数变化量范数5 结束语本文

25、在对齿轮箱振动信号进行时序模型建立的基础上,研究了递推AR模型参数辨识技术,然后基于Kalman滤波技术进行齿轮箱振动信号递推参数模型辨识。同时,对递推参数变化量的2-范数进行了统计分析,说明其可以作为齿轮箱故障在线检测的判定依据。通过实例分析,证明了所提方法的可行性和有效性。进一步的研究工作是对所构造的统计量用于齿轮箱在线故障检测时的阈值的确定。阈值的大小可以根据先验知识和故障的检测率要求来确定,其值越大,则虚警的可能性越小,而漏警的可能性越大;反之,其值越小,则虚警的可能性越大,而漏警的可能性越小。参考文献1 姚竹亭, 潘宏侠. 装甲车辆齿轮主传动系统的建模与辨识J.振动、测试与诊断, 2

26、005, 25(3: 196-199.2 黄国龙. 基于阶比跟踪和AR模型的旋转机械故障诊断与状态预测技术研究D. 天津: 天津大学, 2008.3 何书元. 应用时间序列分析M. 北京: 北京大学出版社, 2003.4 黄强盛, 程久军, 康钦马. 基于高阶AR模型的网络异常检测J.计算机工程, 2010, 36(3: 174-176.5 李言俊, 张科. 系统辨识理论及应用M. 北京: 国防工业出版社, 2003.6 刘豹, 唐万生. 现代控制理论M. 北京: 机械工业出版社,2006.编辑任吉慧 (上接第234页6 结束语测试结果表明,本文所实现的CAN网络层协议栈满足ISO15765网

27、络层协议的规定,具有较强的可靠性和容错能力。除车辆故障诊断系统外,协议栈可被应用到其他需要网络层协议的CAN总线系统中,具有一定实用性及推广价值。参考文献1 罗峰, 孙泽昌. 汽车CAN总线系统原理、设计与应用M.北京: 电子工业出版社, 2010.2 Swedish Standards Institute. ISO 15765-2 Road Vehicles Diagno-stics on CAN-Part 2: Network Layer ServicesS. 2004.3 许行, 白瑞林, 严惠. CAN总线上层协议的设计J. 计算机工程, 2007, 33(24: 258-260.4

28、Christoph M. Road Vehicles Diagnostic Communication Techno-logy and ApplicationsM. Heidelberg, Germany: s. n., 2008.5 Swedish Standards Institute. ISO 15765-3 Road Vehicles Diagno-stics on CAN-Part 3: Implementation of Unified DiagnosticServicesS. 2004.6 孙同景, 陈桂友. Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术M. 北京: 机械工业出版社, 2008.编辑陈文