CN103716217A - 一种基于can总线技术的智能数据转发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，该转发器包括CPU，RAM、ROM、时钟模块、人机接口、串口、以太网口、CAN接口模块以及CAN总线；RAM、ROM、时钟模块、人机接口、串口、以太网口、CAN接口模块与CPU通信连接，CAN接口模块与CAN总线相接。本发明采用了通信速度自适应技术，可以对挂接在网关上的输入通信端口自动实现速度适配。通过端口映射，可将不同范围类别的CAN网络连接起来，或者将CAN总线和以太网连接起来，实现不同网络的网关功能。并可以对输入的CAN总线数据进行开包解析，提取其中的数据，并且，按照事先的配置转发到另外一个CAN总线。当需要使用PC机实现CAN总线智能数据转发时，可以提供web访问方式，实现友好的人机交互，使操作更加方便。

Description

一种基于CAN总线技术的智能数据转发器

技术领域

本发明涉及一种数据转发器，具体地说是基于CAN总线技术的智能数据转发器。

背景技术

CAN（Controller Area Network，CAN）总线是现场总线中的一种，是一种高性能、高可靠性、易开发、低成本的串行通信总线。目前广泛应用于工业自动化、交通、医疗等领域。由于CAN总线的广泛应用，相应的产品层出不穷。在不同***中，其通信速率往往不同，而不同通信速率之间不能之间进行直接数据传输。同时，由于一个CAN网络中的地址空间有限，当两个不同网络之间需要通信时，那么就有可能出现地址冲突，从而不能实现所需的点对点数据透明通信。这就造成传统的CAN网关等技术无法突破数据传输速率统一的瓶颈，亦无法实现CAN总线协议中通信数据的正确解析和对CAN总线的数据进行合适的打包转发，以达到透明数据传输的目的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可以实现通信速度自适应的数据转发器，即可以对挂接在网关上的通信端口自动实现速度适配的基于CAN总线技术的智能数据转发器。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，包括CPU，RAM、ROM、时钟模块、人机接口、串口、以太网口、CAN接口模块以及CAN总线。

所述CPU为整个***的控制核心，采用ARM处理器，对整个***的工作进行控制。

所述RAM为随机存储器，为CPU工作提供数据缓冲的存储空间。

所述ROM为只读存储器，用于存储操作***的程序以及用户应用程序，以保证***在断电后也不会丢失数据。

所述时钟模块向CPU的工作提供精准的时钟脉冲，保证***有一个稳定的同步时钟和通信速率。

所述人机接口是用户和***之间建立联系、交换数据信息的输入与输出接口，保证用户对***的正常通信。

所述串口、以太网口为通信接口，使设备与各种外部设备之间能进行数据交换。

所述CAN接口模块是可提供CAN数据帧与CPU之间的数据转换操作功能的硬件设备。

所述CAN总线为外部CAN总线数据传输的通道。

通过CAN接口模块对CAN总线传输的信号进行监听，并对CAN信号从最高速率至最低速率逐帧读取，并重新自动进行速率匹配，从而实现速率自适应功能。

通过以太网口，采用BOA服务器技术，利用CGI程序实现以太网用户访问***的功能。

有益效果：本发明采用了通信速度自适应技术，可以对挂接在网关上的输入通信端口自动实现速度适配。通过端口映射技术，可将不同范围类别的CAN网络连接起来，或者将CAN总线和以太网连接起来，实现不同网络的网关功能。并可以对输入的CAN总线数据进行开包解析，提取其中的数据，并且，按照事先的配置转发到另外一个CAN总线。当需要使用PC机实现CAN总线智能数据转发时，可以提供web访问方式，实现友好的人机交互，使操作更加方便。在多个不同通信方式的CAN设备连接后，本发明可将不同设备的协议通信内容进行解析和组合，转换成统一的通信格式，再转发。在数据量较大的传输环境下，可根据应用需求，对CAN数据进行筛选和滤波，只将选定的数据传输到另外一个通信端口。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为Web Server BOA的实现与配置图；

图3为串行帧转CAN报文图；

图4为CAN报文转串行帧图；

图5为CAN数据单元字段定义图；

图6为协议解析与协议集成流程图；

图7为速度自适应功能的实现的流程图；

图8为位速率检测算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，包括CPU、RAM、ROM、时钟模块、人机接口、串口、以太网口、CAN接口模块以及CAN总线。通过在数据帧中建立CAN报文ID与CAN数据域中字段的位置映射关系，可将接收到的CAN总线数据提取出来再重新组成格式统一的数据帧，并可通过串口或以太网转发。

CPU为整个***的控制核心，采用高性能的ARM处理器，对整个***的工作进行控制。RAM为随机存储器，为CPU工作提供数据存储空间。ROM为只读存储器，用于存储操作***的程序以及用户应用程序，以保证***在断电后也不会丢失数据。时钟模块向CPU的工作提供精准的时钟脉冲，保证***有一个稳定的同步时钟。人机接口是用户和***之间建立联系、交换数据信息的输入与输出接口，保证用户对***的可操控性。串口、以太网口为通信接口，使设备与各种外部设备之间能进行数据交换。CAN接口模块是可提供CAN数据帧与CPU之间的数据转换操作功能的硬件设备。CAN总线为外部CAN总线***。

通过CAN接口对CAN总线信号进行监听，并对CAN信号从最高速率至最低速率逐次采样，直至速率匹配，从而实现速率自适应。

通过以太网口，采用BOA服务器技术，利用CGI程序实现以太网用户访问***的功能。

一、Web访问

目前，嵌入式设备的管理与交互主要是基于WEB方式的应用实现，其网络结构模式是B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式），即在嵌入式设备上运行一个支持脚本或CGI功能的Web服务器，生成动态页面，而在用户端只需要通过Web浏览器就可以对嵌入式设备进行管理和监控。web server BOA是一个非常小巧的Web服务器，可执行代码只有约60KB。它是一个单任务Web服务器，只能依次完成用户的请求。由于web server BOA支持公共网关接口CGI（Common Gateway Interface），能够通过fork函数为CGI程序提供一个新进程来执行。web server BOA的设计目标是高速和安全，在其站点公布的性能测试中，web server BOA的性能要好于Apache服务器。

web server BOA的实现与配置，如图2所示：

第一步是BOA程序的移植。这一步的工作在电脑主机上完成。下载BOA的tar包，下载到RedHat宿主机上后，解压到任意目录，然后根据路径boa/src/Makefile修改里面的编译器，随后进行编译。

第二步是BOA的配置。这一步的工作也在电脑主机上完成。在电脑主机上的BOA程序源码boa-0.94.13目录下已有一个示例boa.conf，可以在其基础上进行修改。修改Group、ScriptAlias、ServerName等配置。

第三步是编写CGI脚本。CGI接口标准包括标准输入、环境变量、标准输出三部分。编写好CGI脚本拷贝到主板的指定路径下。

1.标准输入

CGI程序像其他可执行程序一样,可通过标准输入(stdin)从Web服务器得到输入信息,如Form中的数据,这就是所谓的向CGI程序传递数据的POST方法。这意味着在操作***命令行状态可执行CGI程序,对CGI程序进行调试。POST方法是常用的方法。

2.环境变量

操作***提供了许多环境变量,环境变量定义了程序的执行环境,应用程序可以存取环境变量参数。Web服务器和CGI接口又另外设置了自己的一些环境变量,用来向CGI程序传递一些重要的参数。CGI的GET方法还通过环境变量QUERY-STRING向CGI程序传递Form中的数据。

3.标准输出

CGI程序通过标准输出(stdout)将输出信息传送给Web服务器。传送给Web服务器的信息可以用各种格式,通常是以纯文本或者HTML文本的形式,这样我们就可以在命令行状态调试CGI程序,并且得到它们的输出。

第四步是BOA的执行。这一步的工作在电脑主机上完成。首先，将根文件***ramdisk在电脑主机上mount-o loop ramdisk目标目录进行展开ramdisk的根文件夹,然后进行如下操作：创建日志文件目录和HTML文档的主目录，拷贝boa.conf文件和boa可执行文件到指定路径。重启设备，便可以通过远程访问到该设备。

利用BOA程序能够通过以太网访问到本设备的配置信息，并且对相关参数进行配置和修改。具体操作过程是：首先，通过以太网口连接网关设备，输入192.168.1.1（默认IP），进行访问；其次，修改配置参数，并保存；最后，重新启动（复位）网关设备，重新加载参数，设备即可正常运行。

二、协议转换与数据打包

1、串行帧转CAN报文

串行帧的全部数据依次填充到CAN报文的数据域里。一旦当芯片检测到串行总线上有数据后就立即接收并转换，根据用户的事先配置将接收的数据转换成CAN报文“帧信息”和CAN报文“帧ID”，并且在转换过程中“帧信息”和“帧ID”一直保持不变（用户配置），数据转换的对应格式如图3所示。

如果接收到串行帧长度小于或等于8个字节，芯片转换时依次将数据0到n（n为串行帧长度）填充到CAN报文的数据域的数据0到n的位置。

如果串行帧的字节数大于8，那么处理器从串行帧首个字节开始，第一次取8个字节依次填充到CAN报文的数据域。将数据发送至CAN总线后，再转换余下的串行帧数据填充到CAN报文的数据域，直到其数据被转换完。此时的CAN报文中的帧信息及帧ID由用户事先配置。

2、CAN报文转串行帧

对于CAN总线的报文也是收到一帧就立即转发一帧。数据格式对应如图4所示，转换时将CAN报文数据域中的数据依序全部转换到串行帧中。如果在配置的时候，“帧信息转换使能”项勾选了“转换”功能，那么芯片在转换时会将CAN报文的“帧信息”直接填充至串行帧中的首个字节。如果“帧ID转换使能”项勾选了“转换”功能，那么也将CAN报文的“帧ID”字节全部填充至串行帧。

3、CAN转以太网

CAN转以太网模块工作原理很简单，接收到TCP或者UDP数据包后，首先安装TCP/UDP转换协议并解析接收到的数据，再将解析后的数据数据转换为CAN数据帧，最后将CAN数据帧从CAN接口发送到CAN网络。TCP/UDP转换协议规定TCP/UDP数据流为连续的CAN数据包流，每个CAN数据单元长度为13字节，一个TCP包可以承载多个CAN数据单元，详细字段定义如图5所示。

字段P2表示CAN数据单元信息，长度为1字节。Bit6为1，表示CAN数据单元为远程帧，为0表示CAN数据单元为数据帧。Bit7为1表示CAN数据单元为扩展帧，为0表示CAN数据单元为标准帧。Bit0～3表示CAN数据单元中数据的长度，单位为字节，长度最大为8字节。

字段P3表示CAN数据单元的ID信息。

字段P4表示CAN数据单元的数据部分，数据单元最大长度为8字节。

连续发送2个CAN标准帧，CAN ID为0，数据长度8个字节，数据内容为：0,1,2,3,4,5,6,7。

TCP/UDP发送数据如下:

08 00 00 00 00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 00 00 00 00 00 01 02 03 04 05 06 07

发送1个CAN标准帧，CAN ID为0，数据长度5个字节，数据内容为：0,1,2,3,4。TCP/UDP发送数据如下，黑色加粗部分是填充的无效数据。

05 00 00 00 00 00 01 02 03 04 05 06 07

接收到CAN数据帧帧后，首先保存在模块内部，然后按照TCP/UDP转换协议将CAN数据帧打包到TCP/UDP数据包中，然后自动发送到目标服务器。TCP/UDP转换协议规定TCP/UDP数据流为连续CAN数据单元的组合，每个CAN数据单元的长度为13字节，一个TCP包可以承载多个CAN数据单元，详细字段定义同上。

三、滤波功能

SJA1000独立控制器具有CAN滤波功能，验收寄存器及屏蔽寄存器，用来确定报文集成缓冲器中的报文是否应被载入接收缓冲器。

用来接收CAN“帧标识”的比较值和“过滤屏蔽码”应该按照位的关系相关与否来建立对应关系。当“过滤屏蔽码”设定为相关时，只有接收“帧标识（帧ID）”和“过滤验收码”相同，才会将该帧数据收到接收缓冲区中，否则不接收。

屏蔽码用来管理“过滤验收码”，按位相应管理。当“过滤屏蔽码”的位值为1时（意为相关），相应位的接收“帧标识”只有和相应位的“过滤验收码”相同，才会将该帧数据收到接收缓冲区中；当“过滤屏蔽码”的位值为0时（意为无关），相应位的接收“帧标识”为任何值都可以将该帧数据存储到接收缓冲区中。

表格1滤波、屏蔽寄存器真值表

屏蔽位	验收位	帧ID位	接收或拒绝位
				0	X	X	接收
1	0	0	接收
				1	0	1	拒绝
1	1	0	拒绝
				1	1	1	接收

四、路由功能

网关的基本任务是信息和数据的通讯，是一个多任务***，网关软件由底层通信软件和用户软件组成，本网关实现了一个实时多任务内核（RTOS），完成多个任务之间的调度、中断的管理、***资源的管理，其中，底层通信软件包括：CAN—CAN，CAN—串口，CAN—以太网。

基本设计思想是在中断服务程序中实现数据通讯的接收。通讯口中断服务程序只做简单和必要的接收和保存工作，负责把接收到的完整数据帧放在接收队列，并通知下一个通讯端口或者应用程序去做转发或者处理。

五、协议解析与协议集成

如图6所示，该网关设备有CAN报文组帧功能，通过在数据帧中建立CAN报文ID与CAN数据域中字段的位置映射关系，程序可以通过该配置将接收的CAN数据组成统一的数据帧格式，并可通过串口或以太网转发。从而实现将不同的CAN报文协议统一成一个数据帧协议。

六、速度自适应功能的实现

速度自适应功能的流程如图7所示。其具体功能实现如下：

1.***得到一个未知速率的CAN信号，启动监听，并且设置计数器count1数值为5（可以根据具体情况设置）；

2.初始化后，设置***的采样速率为1Mbps，对总线上的信号进行提取；

3.以最高的采样速率作为标准，判断采集到的数据是否符合CAN数据帧的标准；

4.如果不是，降低采样速率标准，对采集到的数据进行再次比较，直到得到正确的CAN数据帧，如果都得不到CAN数据帧，且计数器溢出，则返回错误；

5.得到CAN数据帧后，则设置***CAN数据速率为最后一次所设定的速率，与总线进行通信；

6.如果可以正常通信，则速率自适应成功；若不能通信，则重新返回采样比较，计数器count2数值为5（可以依据情况设定次数），若比较后仍不能适应速率，则返回错误。

位速率检测算法实现如图8所示。程序通过依次循环配置CAN总线波特率来适应所接总线上的速率。每次配置完CAN端口，循环接收时等待2秒钟，若在此期间软件接受到报文，则记录此端口的波特率；否则，使用下一个波特率配置此端口，并等待2秒，依次轮询CAN接口。

Claims (9)

1.一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：包括CPU，RAM、ROM、时钟模块、人机接口、串口、以太网口、CAN接口模块以及CAN总线；所述RAM、ROM、时钟模块、人机接口、串口、以太网口、CAN接口模块与CPU通信连接，所述CAN接口模块与CAN总线相接；其中CAN接口模块与CAN总线相配合实现速率自适应功能。

2.根据权利要求1所述一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：所述CPU为整个***的控制核心，采用ARM处理器，对整个***的工作进行控制。

3.根据权利要求1所述一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：所述RAM为随机存储器，为CPU工作提供数据缓冲的存储空间。

4.根据权利要求1所述一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：所述ROM为只读存储器，用于存储操作***的程序以及用户应用程序，以保证***在断电后也不会丢失数据。

5.根据权利要求1所述一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：所述时钟模块向CPU的工作提供精准的时钟脉冲，保证***有一个稳定的同步时钟和通信速率。

6.根据权利要求1所述一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：所述人机接口是用户和***之间建立联系、交换数据信息的输入与输出接口，保证用户对***的正常通信。

7.根据权利要求1所述一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：所述串口、以太网口为通信接口，使设备与各种外部设备之间能进行数据交换。

8.根据权利要求1所述一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：所述CAN接口模块是可提供CAN数据帧与CPU之间的数据转换操作功能的硬件设备。

9.根据权利要求8所述一种基于CAN总线技术的智能数据转发器，其特征在于：所述CAN总线为外部CAN总线数据传输的通道；通过CAN接口对CAN总线传输的信号进行监听，并对CAN信号从最高速率至最低速率逐帧读取，并重新自动进行速率匹配，从而实现速率自适应功能。

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