一種具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式can總線測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測試系統(tǒng)，其上位機和下位機與雙冗余式CAN網(wǎng)絡(luò)之間連接有CAN協(xié)議卡、數(shù)據(jù)采集卡、同步觸發(fā)模塊。上位機用于接收雙冗余式CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膱笪?，并檢查報文通訊數(shù)據(jù)是否符合預(yù)先定義的規(guī)范；下位機用于接收數(shù)據(jù)采集卡采集的雙冗余式CAN網(wǎng)絡(luò)的CAN_H和CAN_L電平信號；同步觸發(fā)模塊用于完成CAN協(xié)議卡和數(shù)據(jù)采集卡的同步采集。在雙機工作模式中，實現(xiàn)對協(xié)議測試、時序分析和波形測量；在單機工作模式中，實現(xiàn)雙冗余式CAN總線的數(shù)據(jù)采集和測試分析。
【專利說明】一種具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總 線測試系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及對CAN-bus現(xiàn)場總線的測試系統(tǒng)，更特別地說，是指一種具有幀起始 敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測試系統(tǒng)。本發(fā)明測試系統(tǒng)分別對雙冗余式 CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層進行信息采集、處理，然后使用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)信息的調(diào) 用、分析；是一種能夠?qū)崿F(xiàn)CAN協(xié)議測試、時序分析和波形測量的處理系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)集成度越來越高，各系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內(nèi)部各部件之 間需要交換的數(shù)據(jù)量也在增加，串行總線由于接口簡單且適用于距離較遠的分系統(tǒng)間進行 數(shù)據(jù)交換，在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。CAN-bus現(xiàn)場總線是一種結(jié)構(gòu)較為簡單，應(yīng)用靈活 方便，可靠性強，價格低廉的現(xiàn)場串行總線，具有很高的可靠性與故障容限，很強的監(jiān)控能 力，很好的實時響應(yīng)性，對周圍環(huán)境的要求也不高等特點，其優(yōu)越的性能得到了航天領(lǐng)域的 認可并得到了應(yīng)用。
[0003] 目前CAN-bus現(xiàn)場總線應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，各種用于CAN-bus現(xiàn)場總線的儀 器設(shè)備也不斷涌現(xiàn)。參考2012年7月第1版周立功主編的《項目驅(qū)動CAN-bus現(xiàn)場總線基 礎(chǔ)教程》，第23頁圖2. 1典型的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（后面附圖記為圖1)，第24頁圖2. 2CAN 節(jié)點的結(jié)構(gòu)（后面附圖記為圖1A)?，F(xiàn)階段使用的CAN-bus現(xiàn)場總線測試系統(tǒng)在應(yīng)用中存 在不少的局限性：
[0004] (1)測試工作停留在了協(xié)議層而很少涉及物理層；
[0005] (2)通道數(shù)量較少，一般不超過2個；
[0006] (3)其較高的成本也限制了其推廣應(yīng)用。
[0007] 在航天領(lǐng)域這種高可靠性要求的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸采用的是冗余式結(jié)構(gòu)， 要求測試設(shè)備能夠具有多個數(shù)據(jù)輸入通道。此外，在航天領(lǐng)域的應(yīng)用還必須對CAN-bus網(wǎng) 絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)的正確與否進行判定。目前的測試設(shè)備都不能很好的滿足使用需要，測試工 作是從大量的接收數(shù)據(jù)中抽樣，然后依靠人工進行單調(diào)乏味的重復(fù)性測試完成的，不僅浪 費了大量的人力資源、測試效率低下，而且不能夠做到對所有接收數(shù)據(jù)的全面性覆蓋，難免 會有遺漏之處。
[0008] 航天領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)性能測試是非常嚴格的，對CAN-bus網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實時在線監(jiān)控是 必須的、經(jīng)常的，從對現(xiàn)存測試系統(tǒng)局限性的描述可知現(xiàn)有設(shè)備不能夠很好地滿足實時在 線測試需要。另一方面，因為協(xié)議數(shù)據(jù)是在CAN控制器和CAN收發(fā)器對物理層信號進行處 理后得到的，僅僅使用協(xié)議層數(shù)據(jù)來判定CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是否異?？赡軙惺H，一個不 可回避的問題就是當物理層出現(xiàn)硬件故障時通過協(xié)議層數(shù)據(jù)來判定就顯得毫無意義了。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對現(xiàn)有CAN-bus總線測試系統(tǒng)在應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)測 試上的不足，提供一種同時用于冗余式CAN網(wǎng)絡(luò)測試的多通道CAN總線測試系統(tǒng)，利用幀起 始敏感型可編程同步觸發(fā)模塊，通過CAN協(xié)議卡和高速同步數(shù)據(jù)采集卡分別采集CAN網(wǎng)絡(luò) 的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的關(guān)聯(lián)信息，然后在上位機上實現(xiàn)對數(shù)據(jù)鏈路層信息的接收、顯示、 測試和存儲，在下位機上實現(xiàn)對物理層信息的采集、存儲和傳輸。上位機和下位機依據(jù)同步 觸發(fā)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)完全同步，并通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，構(gòu)成一個完善的測試系 統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)計的測試系統(tǒng)在下位機與上位機分離時，能夠?qū)崿F(xiàn)針對數(shù)據(jù)鏈路層的單機工 作測試模式。本發(fā)明測試系統(tǒng)能夠為維護和修理工作提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，對整個系統(tǒng)的 長期有效和應(yīng)急使用具有重要意義。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：設(shè)計了一種具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗 余式CAN總線測試系統(tǒng)，其包括有：
[0011] 多個CAN協(xié)議卡，一方面用于采集CAN-bus現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層的報文Min;另 一方面對接收到的報文Min進行轉(zhuǎn)換處理，輸出測試用數(shù)據(jù)M wt給上位機；
[0012] 多個數(shù)據(jù)采集卡，一方面用于采集CAN-bus現(xiàn)場總線的物理層的電平關(guān)聯(lián)信號 MDAQ;另一方面對接收到的電平關(guān)聯(lián)信號M_進行轉(zhuǎn)換處理，輸出數(shù)字物理關(guān)聯(lián)信息D_給 下位機；
[0013] 幀起始敏感型可編程同步觸發(fā)模塊，一方面用于采集CAN-bus現(xiàn)場總線的物理層 的電平關(guān)聯(lián)信號MTK;另一方面對接收到的電平關(guān)聯(lián)信號MTK進行轉(zhuǎn)換處理，輸出觸發(fā)采集卡 信息Ttk給數(shù)據(jù)采集卡；
[0014] 上位機，用于完成對測試用數(shù)據(jù)進行處理；
[0015] 下位機，用于完成對數(shù)字物理關(guān)聯(lián)信息D_進行處理；
[0016] 以太網(wǎng)，用于實現(xiàn)上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)交換。
[0017] 所述的上位機模塊包括有協(xié)議數(shù)據(jù)接收模塊、顯示模塊、測試模塊、協(xié)議數(shù)據(jù)存儲 模塊，其中：
[0018] 協(xié)議數(shù)據(jù)接收模塊：用來接收測試用數(shù)據(jù)M^，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后供測試模塊調(diào)用的 測試用數(shù)據(jù)幀信息AM。#;
[0019] 測試模塊：根據(jù)制定的應(yīng)用層協(xié)議，把接收到的測試用數(shù)據(jù)幀信息AM^進行分 類，并根據(jù)報文分類進行相應(yīng)的測試，把測試結(jié)果BM^發(fā)送到顯示模塊和協(xié)議數(shù)據(jù)存儲模 塊。
[0020] 協(xié)議數(shù)據(jù)存儲模塊：一方面實時存儲測試結(jié)果BMwt;另一方面是把經(jīng)過測試后不 符合通訊協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)保存下來，留待測試人員查看，分析存在的問題。
[0021] 所述的下位機模塊包括有波形數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示模塊、波形傳輸模塊，其中：
[0022] 波形數(shù)據(jù)存儲模塊：將數(shù)字物理關(guān)聯(lián)信息D_以TDMS文件格式存儲，得到物理層 波形數(shù)據(jù)庫ADdaq。
[0023] 波形傳輸模塊：在接收到上位機的數(shù)據(jù)請求后從物理層波形數(shù)據(jù)庫AD_中取出 波形數(shù)據(jù)上傳，從而進行與上位機的數(shù)據(jù)交互。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0025] (1)本發(fā)明的多通道CAN總線測試系統(tǒng)適用于多余度冗余式CAN總線測試，采用多 線程技術(shù)，能夠同時對接入的多個CAN網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行測試。此外，測試不只是簡單 地停留在數(shù)據(jù)的接收上，而是能夠根據(jù)制定的應(yīng)用層協(xié)議對數(shù)據(jù)進行分類、測試、顯示和存 儲，把依靠人力測試的工作由軟件完成，大大提高了測試的工作效率，保證了對整個冗余式 CAN總線系統(tǒng)的連續(xù)在線監(jiān)控。
[0026] (2)使用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)物理層信號的采集，在協(xié)議數(shù)據(jù)出錯時，可以通過比對波 形數(shù)據(jù)和協(xié)議數(shù)據(jù)，繼而確立故障發(fā)生在物理層還是協(xié)議層，有利于加速故障定位，降低錯 誤診斷率。
[0027] (3)設(shè)計了幀起始敏感型可編程同步觸發(fā)模塊，通過開發(fā)CPLD程序來捕捉CAN報 文的起始幀，從而決定數(shù)據(jù)采集卡的采樣時刻，可以有效減少數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)量，減 輕與上位機的通訊壓力，同時也降低從龐大的數(shù)據(jù)庫中尋找錯誤通訊數(shù)據(jù)的難度。
[0028] (4)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)采集和物理層數(shù)據(jù)采集各自構(gòu)成一個獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 整個CAN總線測試系統(tǒng)可重組，既可以采用上下位機的雙機工作模式，又可以采用只有上 位機的單機工作模式。在具體的應(yīng)用中，以協(xié)議層數(shù)據(jù)的分析為主要評判依據(jù)，物理層波形 數(shù)據(jù)作為輔助手段，在忽略物理層對總線通訊造成的影響的情況下，可以把整個系統(tǒng)的物 理層數(shù)據(jù)采集部分分離出去，使用起來更加靈活方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是典型的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖1A是傳統(tǒng)CAN節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖2為本發(fā)明具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測試系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)框圖。
[0032] 圖3為本發(fā)明幀起始敏感型可編程同步觸發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
[0033] 圖4為本發(fā)明報文測試流程圖。

【具體實施方式】
[0034] CAN-bus通信是通過5種類型的幀進行的，它們分別是數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過 載幀和幀間隔。數(shù)據(jù)幀由7個段組成，即幀起始（Start of Frame)、仲裁段（Arbitration Field)、控制段（Control Field)、數(shù)據(jù)段（Date Field)、CRC 段（CRC Field)、ACK 段 (ACK Field)和幀結(jié)束（End of Frame)。請參考2012年7月第1版周立功主編的《項 目驅(qū)動CAN-bus現(xiàn)場總線基礎(chǔ)教程》，第11?15頁的內(nèi)容。在本發(fā)明中，對所述數(shù)據(jù) 幀的組成采用集合形式表達為Min= {SOF，AF，CF，DF，CRC，ACK，EF}。為了體現(xiàn)本發(fā)明應(yīng) 用CAN協(xié)議卡僅對CAN-bus現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層中的信息進行獲取，因此，將Min= {SOF，AF，CF，DF，CRC，ACK，EF}在本發(fā)明中也稱為報文。其中，S0F代表幀起始標識、AF代表 仲裁段標識、CF代表控制段標識、DF代表數(shù)據(jù)段標識、CRC代表CRC段標識、ACK代表ACK 段標識和EF代表幀結(jié)束標識。
[0035] CAN-bus物理層主要用于完成設(shè)備間的信號傳送，把各種信息轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)?物理信號（通常為電信號或光信號），并將這些信號傳輸?shù)狡渌繕嗽O(shè)備。位于CAN-bus物 理層的器件要完成邏輯信號與電纜上物理信號的轉(zhuǎn)換，該器件稱為收發(fā)器。CAN收發(fā)器通過 TXD引腳、RXD引腳完成信號接收與發(fā)送；CANH引腳、CANL引腳完成與電纜的連接。電纜上 傳輸?shù)碾娖叫盘栔挥袃煞N可能，分別為顯性電平和隱性電平，其中顯性電平代表邏輯〇,隱 性電平代表邏輯1。在本發(fā)明中，對所述物理層完成的信號傳送采用集合形式表達為Mdaq= {can_h, can_l}。為了體現(xiàn)本發(fā)明應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡僅對CAN-bus物理層的可傳輸?shù)奈锢硇?號進行獲取，因此，將MDAQ= {can_h,can_l}在本發(fā)明中也稱為電平關(guān)聯(lián)信號MDAQ= {can_ h, can_l}。其中，can_h代表顯性電平邏輯標識，can_l代表隱性電平邏輯標識。
[0036] 參見圖2所示，本發(fā)明設(shè)計的一種具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式 CAN總線測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)由上位機、下位機、CAN協(xié)議卡、高速同步數(shù)據(jù)采集卡、幀起 始敏感型可編程同步觸發(fā)模塊組成，是服務(wù)于CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的航天領(lǐng)域應(yīng)用。在航天領(lǐng)域 應(yīng)用中為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，CAN總線采用雙余度冗余結(jié)構(gòu)的CAN-bus現(xiàn)場總線（簡 稱為雙CAN-bus)，完全相同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備連接到雙CAN-bus上。
[0037] 參見圖2所示，在雙CAN-bus上連接有CAN協(xié)議卡、高速同步數(shù)據(jù)采集卡、幀起始 敏感型可編程同步觸發(fā)模塊。
[0038] 在CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的航天領(lǐng)域應(yīng)用中，設(shè)置N個通道進行協(xié)議測試、時序分析和波形 測量的測試系統(tǒng)。
[0039] CAN協(xié)議卡
[0040] CAN協(xié)議卡，一方面用于采集CAN-bus現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層的報文Min;另一方面 對接收到的報文Min進行轉(zhuǎn)換處理，輸出測試用數(shù)據(jù)M _給上位機。所述測試用數(shù)據(jù)M _ = {AF，CF，DF}。

【權(quán)利要求】
1. 一種具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng) 包括有上位機、下位機，以及用于實現(xiàn)上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)交換的以太網(wǎng)；其特征在 于該測試系統(tǒng)還包括有： CAN協(xié)議卡，一方面用于采集CAN-bus現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層的報文Min;另一方面對接收 到的報文Min進行轉(zhuǎn)換處理，輸出測試用數(shù)據(jù)M wt給上位機； 數(shù)據(jù)采集卡，一方面用于采集CAN-bus現(xiàn)場總線物理層的電平關(guān)聯(lián)信號M_;另一方面 對接收到的電平關(guān)聯(lián)信號M_進行轉(zhuǎn)換處理，輸出數(shù)字物理關(guān)聯(lián)信息D_給下位機； 幀起始敏感型可編程同步觸發(fā)模塊，一方面用于采集CAN-bus現(xiàn)場總線物理層的電平 關(guān)聯(lián)信號MTK;另一方面對接收到的電平關(guān)聯(lián)信號MTK進行轉(zhuǎn)換處理，輸出觸發(fā)采集卡信息 Ttk給數(shù)據(jù)采集卡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測試 系統(tǒng)，其特征在于：所述的上位機包括有協(xié)議數(shù)據(jù)接收模塊、顯示模塊、測試模塊、協(xié)議數(shù)據(jù) 存儲模塊； 協(xié)議數(shù)據(jù)接收模塊：用來接收測試用數(shù)據(jù)，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后供測試模塊調(diào)用的測試 用數(shù)據(jù)幀信息AM。^ 測試模塊：根據(jù)制定的應(yīng)用層協(xié)議，把接收到的測試用數(shù)據(jù)幀信息八11_進行分類，并 根據(jù)報文分類進行相應(yīng)的測試，把測試結(jié)果BMwt發(fā)送到顯示模塊和協(xié)議數(shù)據(jù)存儲模塊。 協(xié)議數(shù)據(jù)存儲模塊：一方面實時存儲測試結(jié)果BM。^另一方面是把經(jīng)過測試后不符合 通訊協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)保存下來，留待測試人員查看，分析存在的問題。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測 試系統(tǒng)，其特征在于：所述的下位機模塊包括有波形數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示模塊、波形傳輸模 塊； 波形數(shù)據(jù)存儲模塊：將數(shù)字物理關(guān)聯(lián)信息D_以TDMS文件格式存儲，得到物理層波形 數(shù)據(jù)庫ADdaq。 波形傳輸模塊：在接收到上位機的數(shù)據(jù)請求后從物理層波形數(shù)據(jù)庫ADdaq中取出波形 數(shù)據(jù)上傳，從而進行與上位機的數(shù)據(jù)交互。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測試 系統(tǒng)，其特征在于：CAN協(xié)議卡的USB接口連接上位機，另一端通過預(yù)留用于測試的接口接 入冗余式CAN總線網(wǎng)絡(luò)，將協(xié)議數(shù)據(jù)上傳給上位機；數(shù)據(jù)采集卡通過板卡插槽安裝在下位 機上，數(shù)據(jù)輸入端與雙余度冗余式CAN總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)連接直接采集原始波形數(shù)據(jù)； 下位機與上位機通過TCP/IP協(xié)議建立通訊連接，接受上位機的數(shù)據(jù)請求命令，同時從下位 機中找到匹配的數(shù)據(jù)包上傳。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測試 系統(tǒng)，其特征在于：根據(jù)CAN總線協(xié)議規(guī)范，編寫程序使用CPLD開發(fā)板來捕捉CAN報文的幀 起始位，然后給出觸發(fā)信號控制數(shù)據(jù)采集卡采樣，實現(xiàn)CAN協(xié)議卡和數(shù)據(jù)采集卡的同步采 集。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發(fā)功能的多通道冗余式CAN總線測試 系統(tǒng)，其特征在于：從協(xié)議層和物理層兩個層面上對接收到的報文進行測試，以協(xié)議層數(shù)據(jù) 測試為主，物理層波形數(shù)據(jù)作為輔助判斷方法，可以有效降低因物理層故障而導致的測試 錯誤概率。
【文檔編號】H04L12/26GK104506376SQ201410676838
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月23日
【發(fā)明者】袁梅, 祝堂佳, 董韶鵬, 范凌杰 申請人:北京航空航天大學