CN116319145A - 高可靠性高实时性的can网络***及通信方法 - Google Patents

高可靠性高实时性的can网络***及通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于CAN网络通信技术领域，具体涉及一种高可靠性高实时性CAN网络***及通信方法，***包括：第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点，第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点均包括CAN控制模块、微控制器，双路模拟开关和两个CAN收发器，微控制器与CAN控制器连接，CAN控制器通过多个模拟开关与两个CAN收发器连接，各个节点中的一个CAN收发器连接第一总线通路，另一个CAN收发器连接第二总线通路，所述第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点通过两条总线通路组成网络。本发明对***中的主节点、总线通路进行了双重备份设计，保证了***在恶劣环境下能最大程度地正常工作，明显提高了***的可靠性。

Description

高可靠性高实时性的CAN网络***及通信方法
技术领域
本发明属于CAN网络通信技术领域，具体涉及一种高可靠性高实时性CAN网络***及通信方法，其采用双主节点冗余与双总线通路冗余结合，具有很高的可靠性与很强的实时性。
背景技术
CAN总线技术凭借其多主通信、非破坏性总线仲裁机制等特点已经在工业控制、汽车、航天航空领域发挥着越来越重要的作用，但是电子设备在生产、运输和使用过程中常常经受着各种恶劣环境的考验，对CAN总线网络造成了极大地威胁，而在航天领域中要求CAN总线设备必须能够安全可靠地工作，如何解决这一问题是CAN在航天领域中应用的一个重要课题。
根据总线***可能会造成的故障原因，如电缆的断线、CAN总线驱动器的故障甚至控制器的故障等，解决CAN可靠性通讯的一个有效办法就是对总线进行不同程度的冗余。虽然CAN总线的冗余是解决这个问题的普遍办法，但是，现有的冗余结构可能会导致CAN通信的可靠性和实时性降低。
发明内容
为了解决现有CAN网络中容易受到恶劣环境影响导致可靠性较低以及为了提高网络实时性，本发明克服现有技术存在的不足，提供一种具有高可靠性与高实时性的CAN网络***及通信方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高可靠性高实时性的CAN网络***，包括：第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点，第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点均包括CAN控制模块、微控制器，双路模拟开关和两个CAN收发器，微控制器与CAN控制器连接，CAN控制器通过多个模拟开关与两个CAN收发器连接，各个节点中的一个CAN收发器连接第一总线通路，另一个CAN收发器连接第二总线通路，所述第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点通过两条总线通路组成网络；
所述第一主节点用于向第二主节点发送状态请求帧，还用于向数据采集节点发送数据请求帧，还用于在第一总线通路故障时，通过第二总线通路与数据采集节点通信，所述第二主节点用于在未收到第一主节点的状态请求帧时，启动主节点功能，向数据采集节点发送数据请求帧。
所述的一种高可靠性高实时性的CAN网络***，采用的应用层协议采用11位标准帧格式，高3位为数据功能码区，支持8种数据类型，包括了***内节点之间通信的所有数据类型，中间4位为发送节点功能码区，低4位为接收节点功能码区，支持***内16个节点的地址编号。
所述第一主节点、第二主节点还包括报警模块，所述第一主节点和第二主节点用于在数据采集节点未返回自检应答帧时，发送报警信号至对应的报警模块。
此外，本发明还提供了一种高可靠性高实时性的CAN网络***的通信方法，包括以下步骤：
S101、上电后，第一主节点通过其中一个总线通路向第二主节点以及所有数据采集节点发送总线自检帧；
S102、各节点收到点名帧后立即向第一主节点发送自检应答帧；
S103、第一主节点收到所有节点的自检应答帧后，向各个节点发送广播帧，广播各个节点的状态信息；
S104、第一主节点发送广播帧后，以周期T0周期性地向第二主节点发送状态请求帧，向各个数据采集节点发送数据请求帧；第二主节点根据状态请求帧向第一主节点回应状态帧，各个数据采集节点根据数据请求帧向第一主节点回应数据帧；
所述步骤S104中，当第一主节点在设定时间内未收到任何节点发回的状态帧或数据帧，则跳转到另一个总线通路上，重复步骤S103～S104；
所述步骤S104中，当第二主节点在设定时间内未收到第一主节点发送的状态请求帧时，则其跳转到另一个总线通路上，通过另一个总线通路接收第一主节点发送的状态请求帧并进行回复，若跳转到另一个总线通路上后仍未在设定时间内未收到第一主节点发送的状态请求帧，则其启动主节点功能，向所有数据采集节点发送数据请求帧。
所述设定时间等于两倍周期T0。
所述周期T0的取值为25ms。
所述步骤S103中，若第一主节点未收到所有节点的自检应答帧，则其向报警装置发送信息，指示出未发送自检应答帧的数据采集节点为故障节点。
所述步骤S104中，当其中一个数据采集节点在设定时间内未收到第一主节点或第二主节点发送的数据请求帧时，其自动跳转到另一个总线通路上。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种具有高可靠性与高实时性的CAN网络***及通信方法，***中设置了主节点冗余与双通路冗余，可以实现两个主节点的自主切换以及两个通路的自动切换，使得网络在故障期间无需人为操作，保证了***在恶劣环境下能最大程度地正常工作，提高了CAN网络的通信实时性和可靠性。
2、本发明通过对***的硬件改进以及通信方法的改进，实现了网络中所有节点的实时数据交换，具有很强的灵活性。
3、本发明CAN网络***的设备成本低、功能强、可靠性高、实时性强，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高可靠性高实时性的CAN网络***的结构示意图；
图2为本发明实施例中CAN网络报文标识符格式分配图；
图3为第一主节点的工作流程框图；
图4为第二主节点工作流程框图；
图5为数据采集节点的工作流程框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供了一种高可靠性高实时性的CAN网络***，包括：第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点，第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点均包括微控制器、CAN控制模块，双路模拟开关和两个CAN收发器，微控制器中的CAN控制器通过多个模拟开关与两个CAN收发器连接，各个节点中的一个CAN收发器连接第一总线通路，另一个CAN收发器连接第二总线通路，所述第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点通过两条总线通路组成网络；
所述第一主节点用于向第二主节点发送状态请求帧，向数据采集节点发送数据请求帧，以及用于接收第二主节点发送的状态帧和数据采集节点发送的数据帧；还用于在第一总线通路故障时，通过第二总线通路与数据采集节点通信，所述第二主节点用于在未收到第一主节点的状态请求帧时，启动主节点功能，向数据采集节点发送数据请求帧。
本实施例的一种高可靠性高实时性的CAN网络***中，每个节点的微控制器都是集成CAN控制模块的微控制器，它通过I/O口与双路模拟开关相连，也与CAN收发模块相连。每个节点的微控制器通过双路模拟开关控制两个CAN收发器，每个CAN收发器都连接一条总线通路，所有节点均采用用两条总线组成网络。
本实施例中，采用双主节点冷冗余结构设计，正常通信状态下只有第一主节点和其它数据采集节点进行数据交换，当第一主节点发生故障时，第二主节点取代第一主节点与其它数据采集节点进行数据交换。此外，本发明实施例采用双总线通路冷冗余结构设计，在通信时，第一CAN收发器以及第一CAN总线组成的第一总线通路和第二CAN收发器以及第二CAN总线组成的第二总线通路中，同一时刻只有一条总线通路工作。
此外，本实施例的通信***中，CAN通信通过制定CAN总线应用层协议来具体实现。实现CAN通信的应用层协议符合CAN2.0A规范，使用11位的标准帧格式，高3位为数据功能码区，支持8种数据类型，包括了***内节点之间通信的所有数据类型，中间4位为发送节点功能码区，低4位为接收节点功能码区，支持***内16个节点的地址编号。将所有节点按照优先级的高低设置一定顺序的编号，将所有通信的数据类型设置一定的编号，每个节点、每种数据类型在网络中都是唯一的，这样就能通过ID号指出此任何一帧数据的数据类型、发送节点以及接收节点。CAN网络报文标识符格式分配图如图2所示。
进一步地，本实施例中，所述第一主节点、第二主节点还包括报警模块，所述第一主节点和第二主节点用于在数据采集节点未返回自检应答帧时，发送报警信号至对应的报警模块。
具体地，本实施例中，微控制器和CAN控制模块可以集成在一个芯片中，也可以为两个分立元件替代。
实施例二
本发明实施例二提供了一种高可靠性高实时性的CAN网络***的通信方法，包括以下步骤：
S101、上电后，第一主节点通过其中一个总线通路向第二主节点以及所有数据采集节点发送总线自检帧；
S102、各节点收到点名帧后立即向第一主节点发送自检应答帧；
S103、第一主节点收到所有节点的自检应答帧后，向各个节点发送广播帧，广播各个节点的状态信息；
S104、第一主节点发送广播帧后，以周期T0周期性地向第二主节点发送状态请求帧，向各个数据采集节点发送数据请求帧；第二主节点根据状态请求帧向第一主节点回应状态帧，各个数据采集节点根据数据请求帧向第一主节点回应数据帧；
所述步骤S104中，当第一主节点在设定时间内未收到任何节点发回的状态帧或数据帧，则跳转到另一个总线通路上，重复步骤S103～S104；
所述步骤S104中，当第二主节点在设定时间内未收到第一主节点发送的状态请求帧时，则其跳转到另一个总线通路上，通过另一个总线通路接收第一主节点发送的状态请求帧并进行回复，若跳转到另一个总线通路上后仍未在设定时间内未收到第一主节点发送的状态请求帧，则其启动主节点功能，向所有数据采集节点发送数据请求帧。
具体地，本实施例中，所述设定时间等于两倍周期T0。所述周期T0的取值为25ms。
进一步地，所述步骤S103中，若第一主节点未收到所有节点的自检应答帧，则其向报警装置发送信息，指示出未发送自检应答帧的数据采集节点为故障节点。
进一步地，所述步骤S104中，当其中一个数据采集节点在设定时间内未收到第一主节点或第二主节点发送的数据请求帧时，其自动跳转到另一个总线通路上。通过数据采集节点的这种总线跳转方式，可以实现主节点跳转总线通路时，数据采集节点自动跳转，无需其它通讯传导，提高了***的故障自动修复能力。
如图3所示，为第一主节点的工作流程框图。***上电后第一主节点向第二主节点以及所有数据采集节点发送总线自检帧，各节点收到点名帧后立即向第一主节点发送自检应答帧，第一主节点收到各节点回应的自检应答帧后，将回应的信息编帧后，向其余所有节点发送广播帧，广播各节点的状态信息，如果有节点出现故障没有返回自检应答帧，就在主节点模块上用闪烁的LED灯报警，显示故障节点位置，提醒工作人员前来维修。第一主节点在发送完广播帧后每25ms向第二主节点发送状态请求帧，第二主节点收到状态请求帧后立即回应状态帧；第一主节点每25ms向所有数据采集节点发送一次数据请求帧，所有数据采集节点收到后立即向第一主节点回应数据帧。***上电后默认在第一总线通路上通信，第一主节点若在50ms内未收到所有从节点回发的状态帧或者数据帧，就自动跳转到第二总线通路上，继续每25ms向第二主节点发送状态请求帧，每25ms向所有数据采集节点发送数据请求帧。若在通路2上正常工作时50ms内没有收到任何从其它节点回发的状态帧或者数据帧，就自动跳转到通路1上，简言之，第一主节点能在两条通路上实现智能切换。图3中，常数k＝1时，表示收到状态帧或数据帧，常数v表征定时器中断次数，若v≥2，表示两个定时器中断周期内都没有收到自检应答帧，此时进行总线通路的切换，常数i表征收到的自检应答帧的数量，通过i可以查看是否所有的节点都以发送自检应答帧。常数v表征未收到状态帧和的周期数。
如图4所示，为第二主节点的工作流程框图；第二主节点上电后在收到第一主节点的自检帧后立即回应自检应答帧，在收到第一主节点以25ms为周期发送的状态请求帧后立即回应状态帧。若在50ms内没有收到第一主节点发送的状态请求帧，就认为是第一总线通路出现故障，立即自动跳转到第二总线通路上，若在第二总线通路上50ms内仍然没有收到第一主节点发送的状态请求帧，就认为第一主节点出现故障，第二主节点自行启动发挥主节点功能，向所有数据节点每25ms发送数据请求帧。同时在第二主节点模块上用闪烁的LED灯报警，提醒工作人员前来维修。若在第二总线通路上正常工作时50ms内没有收到所有从节点回发的状态帧或者数据帧，就自动跳转到第二总线通路上，简言之，第二主节点能在两条总线通路上实现智能切换。图4中，常数k＝1时，表示收到状态请求帧，常数v表征定时器中断次数，若v＝2，表示2个定时器中断周期内都没有收到状态请求帧，此时进行总线通路的切换，常数m表征切换总线通路后没有收到状态请求帧的周期数量，当m＝2时，第二主节点自行启动发挥主节点功能。
此外，第二主节点在任何时刻若收到第一主节点发送的状态请求帧时，立刻向对常数m和v归零，同时将常数k置1，进而立即停止向各个数据节点发送数据请求帧，将主控权交还给第一主节点，重新回到备份状态。
如图5所示，为数据采集节点的工作流程框图。所有数据采集节点在收到第一主节点的自检应答帧时能回发自检应答帧，在收到第一主节点或者第二主节点发送的以25ms为周期的数据请求帧时，均能回发与之对应的ID号的数据帧。若在50ms内没有收到第一主节点或者第二主节点发送的数据请求帧时，认为第一CAN总线通路出现故障，自动跳转到第二总线通路工作，同理，若在第二CAN总线通路上50ms内没有收到第一主节点或者第二主节点发送的数据请求帧时，认为总线出现故障，自动跳转到第一总线通路上，简言之，数据采集节点能在两条通路上实现智能切换。数据采集节点的工作流程框图如图5所示。其中，常数k＝1时，表示收到数据请求帧，常数v表征定时器中断次数(未收到数据请求帧的周期数)，若v＝2，表示2个定时器中断周期内都没有收到状态请求帧，此时进行总线通路的切换。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高可靠性高实时性的CAN网络***，其特征在于，包括：第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点，第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点均包括CAN控制模块、微控制器，双路模拟开关和两个CAN收发器，微控制器与CAN控制器连接，CAN控制器通过多个模拟开关与两个CAN收发器连接，各个节点中的一个CAN收发器连接第一总线通路，另一个CAN收发器连接第二总线通路，所述第一主节点、第二主节点和多个数据采集节点通过两条总线通路组成网络；
所述第一主节点用于向第二主节点发送状态请求帧，还用于向数据采集节点发送数据请求帧，还用于在第一总线通路故障时，通过第二总线通路与数据采集节点通信，所述第二主节点用于在未收到第一主节点的状态请求帧时，启动主节点功能，向数据采集节点发送数据请求帧。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性高实时性的CAN网络***，其特征在于，采用的应用层协议采用11位标准帧格式，高3位为数据功能码区，支持8种数据类型，包括了***内节点之间通信的所有数据类型，中间4位为发送节点功能码区，低4位为接收节点功能码区，支持***内16个节点的地址编号。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠性高实时性的CAN网络***，其特征在于，所述第一主节点、第二主节点还包括报警模块，所述第一主节点和第二主节点用于在数据采集节点未返回自检应答帧时，发送报警信号至对应的报警模块。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠性高实时性的CAN网络***的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、上电后，第一主节点通过其中一个总线通路向第二主节点以及所有数据采集节点发送总线自检帧；
S102、各节点收到点名帧后立即向第一主节点发送自检应答帧；
S103、第一主节点收到所有节点的自检应答帧后，向各个节点发送广播帧，广播各个节点的状态信息；
S104、第一主节点发送广播帧后，以周期T0周期性地向第二主节点发送状态请求帧，向各个数据采集节点发送数据请求帧；第二主节点根据状态请求帧向第一主节点回应状态帧，各个数据采集节点根据数据请求帧向第一主节点回应数据帧；
所述步骤S104中，当第一主节点在设定时间内未收到任何节点发回的状态帧或数据帧，则跳转到另一个总线通路上，重复步骤S103～S104；
所述步骤S104中，当第二主节点在设定时间内未收到第一主节点发送的状态请求帧时，则其跳转到另一个总线通路上，通过另一个总线通路接收第一主节点发送的状态请求帧并进行回复，若跳转到另一个总线通路上后仍未在设定时间内未收到第一主节点发送的状态请求帧，则其启动主节点功能，向所有数据采集节点发送数据请求帧。
5.根据权利要求4所述的一种高可靠性高实时性的CAN网络***的通信方法，其特征在于，所述设定时间等于两倍周期T0。
6.根据权利要求4所述的一种高可靠性高实时性的CAN网络***的通信方法，其特征在于，所述周期T0的取值为25ms。
7.根据权利要求4所述的一种高可靠性高实时性的CAN网络***的通信方法，其特征在于，所述步骤S103中，若第一主节点未收到所有节点的自检应答帧，则其向报警装置发送信息，指示出未发送自检应答帧的数据采集节点为故障节点。
8.根据权利要求4所述的一种高可靠性高实时性的CAN网络***的通信方法，其特征在于，所述步骤S104中，当其中一个数据采集节点在设定时间内未收到第一主节点或第二主节点发送的数据请求帧时，其自动跳转到另一个总线通路上。
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