CAN总线分布式采集模块的优化设计_皇迎港.pdf

敬请登录网站在线投稿（）年第期 总线分布式采集模块的优化设计皇迎港，杨洋，任勇峰，张凯华（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 ；中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所）摘要：为了满足智能汽车对多路车载传感器的数据采集和数据可靠传输的需求，在 通信的标准帧中添加应用层协议，以“点名应答”机制实现了一主多从的数据传输，并利用 内部的定时器实时监测总线上主节点下发点名指令和从节点应答的时间间隔，解决了传输链路在受到外部干扰后导致的数据包长短帧、节点延迟响应和故障节点异常离线等传输错误。采集模块采用单片机控制 选的模拟开关 和模数转换器 ，实现对 路传感器数据的采集。最后经过多次测试验证和监测总线上的数据，总线上传输速率达 ，可挂载 个从节点，并且每个节点可单独采集 路传感器数据，满足智能汽车对缓变信号的采集需求。关键词：总线；接口中图分类号：文献标识码：，（，；）：，：；引言在工业生产和智能汽车领域，将频率低于 的信号称为缓变信号，缓变信号的准确采集对于智能汽车具有非常重要的意义。要实现具有应用价值的采集，往往需要在三维空间中按照实际需求放置采集设备，而分布式总线解决的就是这类多点实时采集、单次传输数据量小、成本可控、鲁棒性好的工业场景。综合考虑后，选择 接口作为分布式采集模块的数据传输通道。除此之外，在原有 标准帧基础上，添加了自定制的“点名 应答”机制，并且解决了 节点的数据在传输过程中因外部干扰而导致的数据包长短帧、节点延迟返回数据、故障节点异常离线等传输问题。分布式采集模块的系统框图分布式采集模块的总体设计如图所示，包括台主测量装置和（）台从测量装置，共计（）台，其中 接口负责测控台和主测量装置的数据传输，而 接口可以实现个测量装置的组网，采集模块可以单独采集 路传感器信号，模块用来存储每个测量装置的 号。分布式采集模块在多台组网应用时，所涉及的测量装置数目比较多，为了满足后续大批量的快速生产，主测量装置和从测量装置在硬件电路上采用相同的设计，通过烧录不同类型的软件使其具备不同的功能。年第期 图系统框图 硬件电路设计 接口的硬件设计 接口的电路设计如图所示，选取 作为测量装置的主控芯片，其内部集成了 控制器，在工业控制中普遍使用。而要实现完整的 通信，还 需 要 设 计 驱 动 芯 片 ；在 总 线 控 制 器 和 之间采用光耦 进行电气隔离，既实 现 前后级电路的互不干扰，又有利于系统达到最高的通信速率和最远的传输距离；采用电源芯片 确保前后级电路的电源也要完全隔离。的外围电路设计采用分裂终端电阻法，在 引脚、和 总线间串联两个 的电阻 和 ，不仅满足了 总线长线传输时所要求的总线间必须串联 的匹配电阻，而且借助 引脚可以将挂接在 和 上的各个测量装置的共模电压维持在同一个标准；电容 和电容 可以有效滤除 和 间的干扰信号。除此之外，还设计了对 芯片的保护电路，利用 和 两个二极管确保在总线电压异常时，将总线的电压钳制在安全电压范围之内；双绞线缓冲电阻 和电阻 可以在总线发生短路时对驱动芯片进行限流保护。图 接口电路 采集模块硬件设计采集模块主要由 和 两款芯片构成，对于 缓 变 信 号 而 言，模 拟 开 关 的 切 换 时 间 为 ，模数转换器 的分辨率为 位且转换一次仅需要，即采样率为 ，根据奈奎斯特采样定律，满足缓变信号的采集需求；主控芯片上电后先使能 的 引脚和拉低 的 和 引脚，在接收到启动采集指令后，通过控制 选通 路传感器 链 路 中 的 一 路，而 后 将 信 号 输 入 到 后 级 的 。软件设计优化 定制应用层协议 总线的标准帧包括字节的首部信息和字节的数据域，而应用层的协议定义在数据域。主测量装置的点名指令 为从测量装置的节点号，占用一个字节，而 是点名指令的帧计数，占用字节，是点名指令的帧尾标识，是无效数。敬请登录网站在线投稿（）年第期 从测量装置在解析到正确的点名指令后，会通过帧将 字节的数据发送到主测量装置，其中前帧是采集的 路传感器的有效数据，最后帧的前两字节是传感器数据的 校验结果，后字节 是数据包的帧计数，为数据包的帧尾标识。主测量装置软件设计主测量装置系统上电后，首先会初始化 总线控制器、外部中断和定时器等寄存器，配置完成后，总线的传输速率设定为 ，接口的传输速率为，总线上可以挂接的节点数目最多可达。初始化后等待 接口下发启动采集指令，该信号会以下降沿的形式触发外部中断，在中断函数中使能主节点的采集模块，处理完成后，返回到主函数，对所有的从测量装置逐一下发点名指令，为了使总线上当前节点不受上一个节点异常离线不返回数据的影响，在发出指令后，启用定时器计时，这个时间是从测量装置接收指令后的最大响应时间，也就是下一次点名的最长等待时间。从测量装置返回数据后，会触发主测量装置的 控制器的接收中断，提取标准帧中的节点，与点名指令中的 号进行对比，若一致，则缓存数据域，与此同时，对数据域的内容进行 校验，按照之前制定的应用层协议，若校验结果和接收到的 校验结果一致，则可以确定所接收到的数据传输正确。最后再判断一次帧尾是否为 ，从而确定帧长度有无异常，避免长短帧的问题，若一致，则此测量装置的数据成功接收。从测量装置软件设计从测量装置上电后，首先完成 控制器、定时器等寄存器的初始化，并通过 总线读取提前固化在 内的设备 号，随后进入等待指令的状态。主测量装置会以广播的形式下发点名指令，挂接在总线上所有的从测量装置都会触发 接收中断，在中断函数内部会提取点名指令中的 号和帧尾标识 ，若提取出的 号和固化的 号一致并且帧尾标识一致，则使能从测量装置的采集模块。采集得到的数据会进入 校验函数，得到校验结果，在 路传感器的数据均采集完毕后，按照之前约定的应用层协议对已经缓存的数据进行打包编帧，完成二次缓存。根据 控制器对节点 优先级的仲裁规则，数值越大，节点的优先级越低，当多个节点同时向总线发送信息时，低优先级的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可以不受影响地继续传输数据。为了避免在接收到点名指令后，高优先级的测量装置响应不及、数据存在延迟返回的问题，而导致低优先级的设备不能完整地返回数据包，致使随后的测量装置发生“雪崩”式的传输错误，造成整个 总线处于瘫痪状态，需要在发送之前，启动定时器计时，这个时间是从测量装置发送完个标准帧所需要的最长时间。在正常情况下，个标准帧发送完成后自动复位缓存，等待下一次点名的到来；若出现发送异常，则会跳过本次传送，在复位缓存后等待下一次点名指令的到来。测试验证 应用层协议测试系统实物图如图所示，系统中共接入个测量装置，其中包括个主节点和个从节点，分配的 分别是，另外为了方便监测 总线上的数据，将 智能接口卡也作为一个节点接入网络。在程序正常运转时，利用 智能接口卡配合上位机工具 抓取的数据见图，从图中可以知道，数据帧采用的是标准帧格式，为 的标准帧是主测量装置下发的点名指令，为的标准帧是从测量装置返回的应答数据。主测量装置每发送一次点名指令，从测量装置会返回帧数据，并且数据包的帧格式符合应用层的协议。图系统实物图图软件测试数据 离线从节点测试通过将图中的个从测量装置全部下电来模拟从测量装置受到外界干扰或者损坏而处于离线状态时，主测 年第期 量装置是否仍能完成其余点名指令的下达，测试结果如图所示，网络中的任一测量装置的离线并不会影响主测量装置对后续点名指令的下发。图离线节点测试 高优先级节点延时返数测试通过向图中 为的从测量装置的发送数据程序添加 的延迟，模拟高优先级节点因为外部干扰而出现延迟返数的问题，测试 为的从测量装置是否仍能将个标准帧的数据包成功返回。实验结果如图所示，即使高优先级的测量装置存在返数延迟问题，处于低优先级的测量装置仍能正常返数。图高优先级节点延迟返数 结语根据缓变信号的特征，选用了在工业控制领域和汽车行业广泛应用的 接口，在软硬件上做了设计优化，解决了测量装置在返回数据的过程中因为外部干扰而导致数据包出现长短帧、从节点延迟返数和故障节点异常离线等传输过程中存在的问题。经过多次测试，该设计可在工业控制和汽车领域广泛使用，随着传感器接入数量的增多，可以考虑将以太网作为上下游模块通信的桥梁。参考文献杨婷婷基于 总线网络的车辆电子故障在线监测系统设计齐齐哈尔大学学报（自然科学版），（）：柳灏 面向智能驾驶的 广播式时间同步机制 信息与电脑（理论版），（）：杨志民 基于 总线的电子设备运行数据采集软件设计 电子技术与软件工程，（）：霍明瑞，文丰，焦新泉，等基于 的温度采编转发系统设计电子器件，（）：钱小东，宣浩，曾巧，等 软核的 总线接口设计及星载应用单片机与嵌入式系统应用，（）：布朋生 基于 总线错误帧机制的矿用设备网络安全问题研究 煤矿机械，（）：代普，李永锋，韩建刚，等 基于 总线和大容量数据存储的舰炮远程监控系统设计 兵工学报：，（）：王鹏 一种抗辐射加固 总线收发器的设计与实现成都：电子科技大学，陈凡汽车高速 总线的故障机理分析汽车维修，（）：刘畅，张清，彭晴晴，等 多路传感器信号采集无线传输模块设计现代电子技术，（）：李文祥，周小军，亢超，等 基于增强型海明码的 总线实时性研究 仪表技术与传感器，（）：，叶青艳 总线的车用仪表系统设计与实现微型电脑应用，（）：林建宇 基于 总线的智能小车通信系统设计 上海电力大学学报，（）：皇迎港（硕士研究生），主要研究方向为电路与系统；杨洋（研究员）、张凯华（工程师），主要研究方向为测试计量技术及仪器；任勇峰（教授），主要研究方向为测试计量技术及仪器、电路与系统。通信作者：杨洋，。（责任编辑：薛士然收修改稿日期：）幅度与速度仍是最高，测试组 相对稳定，反馈资源开销与申请资源开销保持一致。综上所述，节点认证资源开销测试中，测试组 表现最好，对比组次之，对比组 表现一般，对比组 资源开销最大，表现最差。结语从用户节点认证的分簇节点优化入手，利用 算法对其分簇认证过程进行策略优化。算法优化在加解密过程中，密钥池需要创建共享才能完成与下一节点信息的融合，由此所产生的缓存开销会影响认证速率，因此优化密钥池共享机制可以作为今后研究方向，通过引入新算法使方法更加完善。参考文献王镇道，李妮 一种优化的 算法与硬件实现 湖南大学学报（自然科学版），（）：张文飞，李昊，张美分级分簇无线传感器网络协议的优化中阿科技论坛（中英文），（）：樊爱京，孙泽军，潘中强，等 基于区块链的无线传感网络安全认证模型 平顶山学院学报，（）：徐荣无线传感器网络分布式分簇算法韶关学院学报，（）：李洪兵，刘子路，陈强，等基于分级邻近节点的无线传感器网络分簇路由算法 计算机工程，（）：一种基于 算法的安全认证方法 电脑知识与技术（学术版），（）：余北缘，刘建伟，周子钰自组织网络环境下的节点认证机制研究 信息网络安全，（）：卓蔚（工程师），主要研究方向为信息安全、密码安全等。通信作者：卓蔚，。（责任编辑：薛士然收修改稿日期：）