带总线错误解析功能的CAN总线分析系统

摘要

本发明公开了一种带总线错误解析功能的CAN总线分析系统。本发明通过检测总线信号，记录总线上的正常帧和发送时间戳，总线上存在错误有错误帧时，触发总线错误信号，记录总线上错误帧与时间戳，并对错误帧及被中断帧进行解析分析，确定错误帧类型和被中断节点地址，并将记录信息发送给后台进行后续处理。本发明与现有技术相比具有的有益效果：本系统不仅能够记录正常帧和错误帧信息，而且具有总线错误解析功能，能够结合总线模拟信号进行模式识别，获取被中断帧的源地址，为定位故障节点提供初步分析。

说明书

技术领域

本发明涉及自动化技术和故障诊断技术领域，尤其涉及一种带总线错误解 析功能的CAN总线分析系统。

背景技术

现场总线技术，是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸。控制器 局域网（Control Area Network，CAN）总线是国际上应用最广泛地现场总线之 一。它广泛地应用于车载电子微控制器通讯、工业网络自动化控制、重要电力 系统和安防监控等诸多领域。

随着分布式网络系统架构复杂性不断增加，实际的产业化网络通信过程中 出现的设备老化、关联点动作强度大以及作业环境的强电磁干扰等诸多因素， 更容易给正常总线通信和产品质量带来影响，严重地威胁着产业生产线的正常 运作和人身安全。

现有研究主要涉及总线网络可靠性参数的探索，和影响控制网、设备网、 以太网等网络的传输性能的因素的探索。然而，较少研究针对网络的故障作实 时监控和对故障进行实时错误解析。

如果总线存在网络故障，节点检测到错误时，会中断正在发送数据的节点， 往总线上发送错误帧。在轮询通信模式下，当错误节点处于数据发送状态时， 总线上所有的节点将一致对错误作出响应，所得的错误帧错误标志长度表现为6 位；当错误节点处于数据接收状态时，总线上节点将依次对错误作出响应，所 得的错误帧错误标志长度表现为6～12位。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种带总线错误解析功能的CAN 总线分析系统。

带总线错误解析功能的CAN总线分析系统包括CAN收发器CTM1050、 Open3S500E FPGA开发板、9针的RS232串口；Open3S500E FPGA开发板的P115 输入/输出口与RS232的2引脚相连，Open3S500E FPGA开发板的P120输入/输 出口与第一CAN收发器CTM1050的3引脚相连，Open3S500E FPGA开发板的P127 输入/输出口与第二CAN收发器CTM1050的3引脚相连，第一CAN收发器CTM1050 与第二CAN收发器CTM1050的2引脚同时接地，1引脚同时接5V正电压，7引 脚用来连接CAN总线的CAN_L,6引脚用来连接CAN总线的CAN_H；RS232串口能 用USB模块和以太网模块代替，用来发送数据给后台计算机，并执行如下内容：

1)系统检测CAN总线信号，当检测到有帧起始的显性位后进行数据的监听， 并将数据存储在Open3S500E FPGA开发板的一个寄存器中，当检测到CAN总线 上连续的七个隐性位时说明帧结束，停止监听等待下一次的帧起始，同时记录 发送正常帧的时间戳，等待发送给后台计算机；

2)系统检测CAN总线信号并进行错误帧的识别和生成触发信号，假设CAN 总线通信速率V，则数据位的时间长度为设置采样周期为f ns，即每 数据位采样次，根据CAN总线错误界定协议，若检测到连续6位或6位 以上显性位，只要连续采样数大于等于个，说明CAN总线上有错误帧， 将会触发错误帧识别信号的产生，将用于识别和记录错误帧信息，同时,准确识 别错误帧的下降沿，在错误帧下降沿时复位错误帧识别信号；

3)不同的错误帧的错误标志长度代表错误帧的不同事件类型，这对CAN总 线错误定位和故障定位产生重要影响，错误触发后，记录错误帧错误标志长度 值和错误帧产生的时间戳，并对被错误帧中断的正常数据帧的信息进行分析， 获得被中断节点地址，将错误信息与被中断帧地址整合记录在寄存器中，等待 发送给后台计算机进行错误信息后期处理，数据帧标识符中含有帧源地址，在 获取被中断帧源地址时，要结合总线模拟波形进行分析，如果被中断帧的源地 址数据完整，直接获取；如果源地址损坏，结合模拟信号对被中断帧进行模式 识别，获得源地址；

4)记录的正常帧信息与错误帧信息通过RS232串口、USB或以太网发送给后 台计算机，以便对CAN总线错误进行进一步分析。

本发明不仅能够实时监测总线故障，记录正常帧和错误帧信息，而且具有 总线错误解析功能，能够结合总线模拟信号进行模式识别，获取被中断帧的源 地址，为定位故障节点提供初步分析，系统的结构也比较紧凑，所用的都是标 准芯片，容易实现。

附图说明

图1是带总线错误解析功能的CAN总线分析系统结构框图；

图2是带总线错误解析功能的CAN总线分析系统原理图；

图3是本发明的总线错误触发流程图；

图4是本发明的被中断帧源地址读取流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

带总线错误解析功能的CAN总线分析系统包括CAN收发器CTM1050、 Open3S500E FPGA开发板、9针的RS232串口；Open3S500E FPGA开发板的P115 输入/输出口与RS232的2引脚相连，Open3S500E FPGA开发板的P120输入/输 出口与第一CAN收发器CTM1050的3引脚相连，Open3S500E FPGA开发板的P127 输入/输出口与第二CAN收发器CTM1050的3引脚相连，第一CAN收发器CTM1050 与第二CAN收发器CTM1050的2引脚同时接地，1引脚同时接5V正电压，7引 脚用来连接CAN总线的CAN_L,6引脚用来连接CAN总线的CAN_H；RS232串口能 用USB模块和以太网模块代替，用来发送数据给后台计算机，并执行如下内容：

1)系统检测CAN总线信号，当检测到有帧起始的显性位后进行数据的监听， 并将数据存储在Open3S500E FPGA开发板的一个寄存器中，当检测到CAN总线 上连续的七个隐性位时说明帧结束，停止监听等待下一次的帧起始，同时记录 发送正常帧的时间戳，等待发送给后台计算机；

2)系统检测CAN总线信号并进行错误帧的识别和生成触发信号，假设CAN 总线通信速率V kbps，则数据位的时间长度为设置采样周期为f ns， 即每数据位采样次，根据CAN总线错误界定协议，若检测到连续6位或 6位以上显性位，只要连续采样数大于等于个，说明CAN总线上有错误 帧，将会触发错误帧识别信号的产生，将用于识别和记录错误帧信息，同时,准 确识别错误帧的下降沿，在错误帧下降沿时复位错误帧识别信号；

3)不同的错误帧的错误标志长度代表错误帧的不同事件类型，这对CAN总 线错误定位和故障定位产生重要影响，错误触发后，记录错误帧错误标志长度 值和错误帧产生的时间戳，并对被错误帧中断的正常数据帧的信息进行分析， 获得被中断节点地址，将错误信息与被中断帧地址整合记录在寄存器中，等待 发送给后台计算机进行错误信息后期处理，数据帧标识符中含有帧源地址，在 获取被中断帧源地址时，要结合总线模拟波形进行分析，如果被中断帧的源地 址数据完整，直接获取；如果源地址损坏，结合模拟信号对被中断帧进行模式 识别，获得源地址；

4)记录的正常帧信息与错误帧信息通过RS232串口、USB或以太网发送给后 台计算机，以便对CAN总线错误进行进一步分析。

实施例

带总线错误解析功能的CAN总线分析系统中Open3S500E FPGA开发板的工 作频率为50MHz；Open3S500E FPGA开发板的P115输入/输出口与RS232的2引 脚相连，Open3S500E FPGA开发板的P120输入/输出口与第一CAN收发器CTM1050 的3引脚相连，Open3S500E FPGA开发板的P127输入/输出口与第二CAN收发器 CTM1050的3引脚相连，Open3S500E FPGA开发板采用JTAG烧入程序，第一CAN 收发器CTM1050与第二CAN收发器CTM1050的2引脚同时接地，1引脚同时接 5V正电压，7引脚用来连接CAN总线的CAN_L,6引脚用来连接CAN总线的CAN_H， 所有接地都相同；RS232串口用来发送数据给后台计算机。

CAN总线两端的终端电阻阻值为120Ω，设置总线通讯速率为500kbps，采样 周期为100ns，串口波特率为115200bps，采用实验室中的CAN总线错误注入系 统将错误注入CAN总线来模拟工业现场CAN总线错误，错误的注入是随机发生 的。

将程序下载进Open3S500E FPGA开发板XC3S500E芯片内，开启系统。

Open3S500E FPGA开发板的P120输入/输出口和P127输入/输出口同时检测 CAN总线信号，当P127输入/输出口检测到有帧起始的显性位后进行数据的监听， 并存储在Open3S500E FPGA开发板的一个寄存器中，当检测到CAN总线上连续 的七个隐性位时说明帧结束，停止监听等待下一次的帧起始，同时记录发送正 常帧的时间戳；当P120输入/输出口检测到连续大于等于120个低电平（6位或 6位以上显性位），说明CAN总线上有错误帧，触发错误帧识别信号，开始记录 错误帧错误标志长度值和错误帧产生的时间戳，并对被错误帧中断的正常数据 帧的信息结合总线模拟波形进行分析，如果被中断帧的源地址数据完整，直接 获取源地址，如果源地址损坏，结合模拟信号对被中断帧进行模式识别，获得 源地址，当P120输入/输出口检测到错误帧下降沿时复位错误帧识别信号；当 正常帧与其发送的时间戳或错误帧标志长度、错误帧发送时间戳与被中断帧源 地址记录完成后，将数据通过P115输入/输出口发送给9针的RS232串口传输 给后台计算机，以进行后期数据处理。

本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的方 式，而得到的其他带总线错误解析功能的CAN总线分析系统，均在本发明的保 护范围之内。