張向文，張帆，李向陽

　　(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

　　摘要：基于控制系統(tǒng)智能化水平日益增長的背景，快速自動識別出CAN總線網(wǎng)絡拓撲關(guān)系的需求日益突出 ，采用在CAN總線傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)中增加中間層的措施，結(jié)合CAN總線網(wǎng)絡鏈路動態(tài)分離的機制，設(shè)計了詳細的切換電路，介紹了電路的工作原理及整個系統(tǒng)的工作原理，明確了總線數(shù)據(jù)的處理流程、方法，實現(xiàn)了CAN總線網(wǎng)絡拓撲關(guān)系的快速自動識別，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)的應用奠定了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：CAN總線；網(wǎng)絡拓撲；編組；邏輯序列；動態(tài)分離

　　中圖分類號：TN710文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.021

　　引用格式：張向文，張帆，李向陽.一種自動獲取CAN網(wǎng)絡拓撲關(guān)系方法的研究［J］.微型機與應用，2017,36（10）：74-76，80.

0引言

　　控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Net,CAN)是Robert Bosch公司在20世紀80年代初為汽車業(yè)開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線,其通信速率可達到1 Mb/s，并且通信距離在1 Mb/s下可達到40 m。CAN已有國際標準,即用于高速場合的ISO 11898和用于低速場合的ISO 115193［12］。由于其具備可靠性和良好的性能價格比,在軍民領(lǐng)域均已得到廣泛應用。近些年隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展,智能化的應用如雨后春筍般不斷涌現(xiàn),同樣基于CAN總線網(wǎng)絡的智能化應用也在不斷地發(fā)展與進步，對CAN總線網(wǎng)絡的相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)提出的新的要求。在新的軌道交通的環(huán)節(jié)中，由于存在列車的編組需要，導致整個CAN總線網(wǎng)絡并不是固定的、穩(wěn)定的，它是根據(jù)不同的任務需求進行臨時、快速組合的［34］。因此產(chǎn)生了對CAN總線網(wǎng)絡拓撲關(guān)系自動進行快速識別的需求，以便用戶、設(shè)計人員能夠快速掌握當前控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲關(guān)系，為后續(xù)網(wǎng)絡管理以及相關(guān)智能化應用奠定基礎(chǔ)。本文基于此需求，設(shè)計了一種快速CAN總線網(wǎng)絡拓撲關(guān)系自動獲取的方法。

1傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡的組成介紹

　　傳統(tǒng)的CAN總線網(wǎng)絡如圖1所示，主要包括單機、CAN總線電纜、終端電阻。單機內(nèi)部主要包括處理器、CAN總線協(xié)議芯片、隔離器件、CAN總線驅(qū)動芯片等［57］。各個單機的驅(qū)動芯片的CANH、CANL與總線電纜的CANH、CANL直接連接。各個CAN總線單機通過CAN總線電纜實現(xiàn)單機的互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)一個設(shè)備發(fā)送全部設(shè)備均可接收的效果。CAN總線終端電阻掛于CAN總線電纜的兩端。

　　在傳統(tǒng)架構(gòu)下，單機2發(fā)送的CAN總線信號可以同時傳輸給單機1、單機3、單機n，各設(shè)備均可以進行應答，從而在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)中任何單機均可以無差別地實現(xiàn)與網(wǎng)絡中所有單機的通信，滿足了一對多的高效通信,有效提高了系統(tǒng)的通信效率［89］。但是在這種網(wǎng)絡架構(gòu)下，網(wǎng)絡中的單機無法實現(xiàn)對其他單機設(shè)備處于本設(shè)備的那個方向的識別，從而無法構(gòu)建出各單機的網(wǎng)絡邏輯關(guān)系，不能支持軌道交通編組條件下的快速網(wǎng)絡拓撲關(guān)系的自動識別。

　　因此在傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)中，要識別動態(tài)編組網(wǎng)絡中的邏輯拓撲關(guān)系，為用戶、應用設(shè)計人員提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡架構(gòu)信息是無法完成的。

　　2自動網(wǎng)絡拓撲關(guān)系識別網(wǎng)絡架構(gòu)設(shè)計

　　為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡的不足，本文提出了一種新型的CAN總線網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)，以滿足CAN總線網(wǎng)絡拓撲關(guān)系自動識別的目的。

　　2.1總體設(shè)計

　　如圖2所示，在新的網(wǎng)絡架構(gòu)中與傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)的區(qū)別主要有三點：（1）在單機的CAN驅(qū)動芯片與CAN總線電纜之間串入切換電路，切換電路用于完成總線網(wǎng)絡的前后向通信切換以及CAN總線電氣網(wǎng)路的補償；（2）每個單機的總線CANH、CANL均有兩對接口，與切換電路對應的接口相連，系統(tǒng)中終端電阻仍在CAN總線電纜的兩頭掛接；（3）系統(tǒng)中設(shè)置網(wǎng)絡管理單機，用于實現(xiàn)整個網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)的識別與輸出，其可以使用任意單機設(shè)備來執(zhí)行相應的功能。另外為了方便后續(xù)描述，本文規(guī)定了前向、后向網(wǎng)絡的方向，由圖2可以看出，單機左側(cè)為單機的后向網(wǎng)絡，單機右側(cè)為單機的前向網(wǎng)絡。

　　2.2切換電路設(shè)計

　　切換電路的接口示意圖如圖3所示，其中CANH1、CANL2用于與CAN總線驅(qū)動芯片的CANH、CANL相連，IO接口用于實現(xiàn)單機設(shè)備對切換電路內(nèi)部繼電器的控制。CANH2、CANL2用于連接前向通信CAN總線設(shè)備，CANH3、CANL3用于連接后向通信CAN總線設(shè)備。單機根據(jù)CAN總線指令控制IO端口實現(xiàn)各個CAN端口的連接與斷開，從而實現(xiàn)前向、后向通信的偵測。

　　切換電路內(nèi)部原理如圖4所示，由圖4可以看出，整個電路主要包括K1、K2、K3、K4、K5 五個繼電器，R1A、R2A兩個CAN總線終端匹配電阻。電路工作原理為：在單元初始上電狀態(tài)下，K1繼電器閉合，K2、K3繼電器斷開，K4、K5 繼電器通電分別與各自的1端進行閉合。在此種狀態(tài)下，構(gòu)成的CAN總線網(wǎng)絡架構(gòu)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)完成相同，整個系統(tǒng)可按照傳統(tǒng)模式進行工作。當需要進行網(wǎng)絡拓撲關(guān)系識別時，單機通過CAN總線接收到了網(wǎng)絡主機發(fā)送的要求本機進行自動識別的指令時，單機通過IO控制，斷開K1繼電器，并同時接通K2、K3繼電器，從而使原來完整的一條CAN總線網(wǎng)絡形成了兩條獨立的CAN總線網(wǎng)絡，其中R1A、R2A分別用于補充前向網(wǎng)絡、后向網(wǎng)絡中的終端匹配電阻，以便兩個獨立的CAN總線網(wǎng)絡均可以進行獨立工作。然后控制K4、K5繼電器通電使CANH1、CANL1先與對應繼電器的1端聯(lián)通，使本單機與后向網(wǎng)絡相連，單機向后向CAN總線網(wǎng)絡發(fā)送網(wǎng)絡架構(gòu)幀測幀，獲取后向各個單機的網(wǎng)絡編號，然后單機控制K4、K5繼電器通電使CANH1、CANL1與對應繼電器的2端聯(lián)通，使單機與前向網(wǎng)絡相聯(lián)通，單機向前向CAN總線網(wǎng)絡發(fā)送網(wǎng)絡架構(gòu)幀測幀，獲取后向各個單機的網(wǎng)絡編號，最后單機恢復K2、K3斷電，K4、K5繼電器與1端閉合，K1通電導通恢復整個網(wǎng)絡的傳統(tǒng)架構(gòu)，本單機發(fā)送所獲取的單機前后向設(shè)備編號數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡管理單機。

　　2.3系統(tǒng)工作過程設(shè)計

　　整個網(wǎng)絡連接后關(guān)系如圖5所示，系統(tǒng)設(shè)定單機4為管理單機。整個系統(tǒng)的工作原理如下。

　　首先上電后，各個單機均為上電初始狀態(tài)，即整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)相同，各個單機之間可按照傳統(tǒng)的模式進行通信。然后系統(tǒng)根據(jù)用戶指令或預定的計劃由網(wǎng)絡管理單機（單機4）獲取單機前向、后向單機的ID號（參見切換電路工作原理）并記錄，再依據(jù)所獲取的設(shè)備ID號，依次給所有的單機發(fā)送獲取其前、后向網(wǎng)絡單機的指令，獲取相關(guān)的獲取單機前向、后向單機的ID號并記錄。當網(wǎng)絡中所有的設(shè)備信息獲取完成后，網(wǎng)絡管理單機對數(shù)據(jù)進行處理，獲得系統(tǒng)各單機的連接關(guān)系，輸出給設(shè)計人員或用戶平臺。

　　2.4數(shù)據(jù)處理方法設(shè)計

　　如圖5所示，在管理單機完成數(shù)據(jù)提取工作后，其所獲數(shù)據(jù)如表１所示。

　　通過對數(shù)據(jù)的分析可以看出，每個設(shè)備的后向設(shè)備ID號的信息對于設(shè)備在網(wǎng)絡中的關(guān)系有一定的反映關(guān)系。通過初步分析總結(jié)歸納如下：首先通過查表獲取后向（或前向）為空的設(shè)備ID，將其作為整個網(wǎng)絡端首設(shè)備，如表1所示，單機1為網(wǎng)絡端首設(shè)備，然后查表獲取其他后向設(shè)備ID號只含有單機1的設(shè)備ID號，如表所示為單機2 ，之后通過查表方式查找其他后向設(shè)備ID只包含單機1、單機2的設(shè)備ID，依次查找，即可確定整個網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲關(guān)系。

　　為驗證方法的正確性，模擬各單機設(shè)備進行重新編組，編組后的關(guān)系如圖6所示。

　　假設(shè)單機4為管理節(jié)點，其自動獲取到的各單機的前后向網(wǎng)絡ID號如表2所示。

　　按照上述方法，首先查表獲取后向設(shè)備ID為空的設(shè)備為單機2，然后查表獲取后向設(shè)備ID僅含單機2的設(shè)備為單機1，然后查表獲取后向設(shè)別ID僅包含單機1、2的設(shè)備為單機5，然后獲取單機設(shè)備中僅含有單機1、2、5的設(shè)備為單機4，依次類推便可以自動獲取后向的關(guān)系，設(shè)備的順序依次為單機2、單機1、單機5、單機4、單機3、…、單機n。通過以上對數(shù)據(jù)的分析，證明是可以獲取系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡邏輯關(guān)系的。

　　為了提高效率，對數(shù)據(jù)進行進一步分析，通過表1、表2內(nèi)的數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)備節(jié)點所處的位置與后向設(shè)備的ID數(shù)量有關(guān)，即其所處的位置為后向設(shè)備ID數(shù)量+1的位置。另外前向設(shè)備ID中的數(shù)據(jù)規(guī)律與后向設(shè)備ID中的數(shù)據(jù)相同，可僅處理后向數(shù)據(jù)或前向數(shù)據(jù)即可。

　　在現(xiàn)實CAN總線系統(tǒng)中，設(shè)備的ID號不一定是連續(xù)的，并且可能分成多個區(qū)段，為了解決這一問題，縮短系統(tǒng)比對時間，提高效率，對數(shù)據(jù)表進行規(guī)定，要求所有的設(shè)備ID排列順序為從小到大順序排列，并且依次放入對應的數(shù)組中，單機ID作為數(shù)據(jù)表中的一個屬性項。系統(tǒng)設(shè)定數(shù)組來進行數(shù)據(jù)表管理，包含數(shù)組X［n］［n］與設(shè)備ID號數(shù)組DVEID［n］，X［n］［n］用來存儲對應單機ID設(shè)備的后向設(shè)備ID，

　　DVE-ID［i］用于存儲對應的單機設(shè)備ID號，n為系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)。設(shè)定Y［n］為設(shè)備最終序列存儲數(shù)組，設(shè)備邏輯序列的具體流程圖如圖7所示。即通過判斷對應設(shè)備ID的后向設(shè)備數(shù)量直接將對應的本設(shè)備的ID號賦予最終數(shù)組的位置。通過一次處理即可獲取到設(shè)備邏輯序列，并輸出到Y(jié)［n］數(shù)組中。

3結(jié)論

　　隨著控制系統(tǒng)中對信息化、智能化水平的要求越來越高，對于更多地、更智能地掌握整個控制系統(tǒng)中信息的要求越來越突出，控制系統(tǒng)中的總線網(wǎng)絡邏輯拓撲關(guān)系則是其中關(guān)鍵的一環(huán)，順利掌握其信息，可以為全網(wǎng)絡提供更加智能的解決方案，同時為用戶提供更加直觀的系統(tǒng)架構(gòu)信息。本文針對CAN總線網(wǎng)絡架構(gòu)邏輯拓撲關(guān)系的自動識別，提出了通過增加切換電路的方法，改變了傳統(tǒng)的CAN總線網(wǎng)絡架構(gòu)，根據(jù)網(wǎng)絡反饋數(shù)據(jù)提出了數(shù)據(jù)處理方法，并給出了整個系統(tǒng)的工作原理，圓滿地實現(xiàn)了基于CAN總線網(wǎng)絡架構(gòu)下邏輯拓撲關(guān)系識別的問題，同時可以為其他網(wǎng)絡的識別提供借鑒。

　　參考文獻

　　［1］ 尚明玲. 基于SJA1000的CAN總線智能網(wǎng)橋設(shè)計［J］. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2015(4)：8687.