一種具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式can總線測試系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測試系統，其上位機和下位機與雙冗余式CAN網絡之間連接有CAN協議卡、數據采集卡、同步觸發模塊。上位機用于接收雙冗余式CAN總線網絡上傳輸的報文，并檢查報文通訊數據是否符合預先定義的規范；下位機用于接收數據采集卡采集的雙冗余式CAN網絡的CAN_H和CAN_L電平信號；同步觸發模塊用于完成CAN協議卡和數據采集卡的同步采集。在雙機工作模式中，實現對協議測試、時序分析和波形測量；在單機工作模式中，實現雙冗余式CAN總線的數據采集和測試分析。
【專利說明】一種具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總 線測試系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及對CAN-bus現場總線的測試系統，更特別地說，是指一種具有幀起始 敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測試系統。本發明測試系統分別對雙冗余式 CAN網絡的數據鏈路層和物理層進行信息采集、處理，然后使用以太網進行數據信息的調 用、分析；是一種能夠實現CAN協議測試、時序分析和波形測量的處理系統。
【背景技術】
[0002] 隨著航天技術的發展，系統集成度越來越高，各系統之間以及系統內部各部件之 間需要交換的數據量也在增加，串行總線由于接口簡單且適用于距離較遠的分系統間進行 數據交換，在航天領域得到了廣泛應用。CAN-bus現場總線是一種結構較為簡單，應用靈活 方便，可靠性強，價格低廉的現場串行總線，具有很高的可靠性與故障容限，很強的監控能 力，很好的實時響應性，對周圍環境的要求也不高等特點，其優越的性能得到了航天領域的 認可并得到了應用。
[0003] 目前CAN-bus現場總線應用技術已經發展成熟，各種用于CAN-bus現場總線的儀 器設備也不斷涌現。參考2012年7月第1版周立功主編的《項目驅動CAN-bus現場總線基 礎教程》，第23頁圖2. 1典型的CAN-bus網絡結構（后面附圖記為圖1)，第24頁圖2. 2CAN 節點的結構（后面附圖記為圖1A)。現階段使用的CAN-bus現場總線測試系統在應用中存 在不少的局限性：
[0004] (1)測試工作停留在了協議層而很少涉及物理層；
[0005] (2)通道數量較少，一般不超過2個；
[0006] (3)其較高的成本也限制了其推廣應用。
[0007] 在航天領域這種高可靠性要求的應用中，網絡數據的傳輸采用的是冗余式結構， 要求測試設備能夠具有多個數據輸入通道。此外，在航天領域的應用還必須對CAN-bus網 絡上傳輸數據的正確與否進行判定。目前的測試設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據中抽樣，然后依靠人工進行單調乏味的重復性測試完成的，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據的全面性覆蓋，難免 會有遺漏之處。
[0008] 航天領域對系統性能測試是非常嚴格的，對CAN-bus網絡狀態的實時在線監控是 必須的、經常的，從對現存測試系統局限性的描述可知現有設備不能夠很好地滿足實時在 線測試需要。另一方面，因為協議數據是在CAN控制器和CAN收發器對物理層信號進行處 理后得到的，僅僅使用協議層數據來判定CAN網絡節點是否異常可能會有失偏頗，一個不 可回避的問題就是當物理層出現硬件故障時通過協議層數據來判定就顯得毫無意義了。
【發明內容】
[0009] 本發明的技術解決問題是：針對現有CAN-bus總線測試系統在應用層協議數據測 試上的不足，提供一種同時用于冗余式CAN網絡測試的多通道CAN總線測試系統，利用幀起 始敏感型可編程同步觸發模塊，通過CAN協議卡和高速同步數據采集卡分別采集CAN網絡 的數據鏈路層和物理層的關聯信息，然后在上位機上實現對數據鏈路層信息的接收、顯示、 測試和存儲，在下位機上實現對物理層信息的采集、存儲和傳輸。上位機和下位機依據同步 觸發模塊實現數據完全同步，并通過TCP/IP協議實現數據的交換，構成一個完善的測試系 統。本發明設計的測試系統在下位機與上位機分離時，能夠實現針對數據鏈路層的單機工 作測試模式。本發明測試系統能夠為維護和修理工作提供可靠的數據依據，對整個系統的 長期有效和應急使用具有重要意義。
[0010] 本發明的技術解決方案是：設計了一種具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗 余式CAN總線測試系統，其包括有：
[0011] 多個CAN協議卡，一方面用于采集CAN-bus現場總線的數據鏈路層的報文Min;另 一方面對接收到的報文Min進行轉換處理，輸出測試用數據M wt給上位機；
[0012] 多個數據采集卡，一方面用于采集CAN-bus現場總線的物理層的電平關聯信號 MDAQ;另一方面對接收到的電平關聯信號M_進行轉換處理，輸出數字物理關聯信息D_給 下位機；
[0013] 幀起始敏感型可編程同步觸發模塊，一方面用于采集CAN-bus現場總線的物理層 的電平關聯信號MTK;另一方面對接收到的電平關聯信號MTK進行轉換處理，輸出觸發采集卡 信息Ttk給數據采集卡；
[0014] 上位機，用于完成對測試用數據進行處理；
[0015] 下位機，用于完成對數字物理關聯信息D_進行處理；
[0016] 以太網，用于實現上位機和下位機之間的數據交換。
[0017] 所述的上位機模塊包括有協議數據接收模塊、顯示模塊、測試模塊、協議數據存儲 模塊，其中：
[0018] 協議數據接收模塊：用來接收測試用數據M^，經過格式轉換后供測試模塊調用的 測試用數據幀信息AM。#;
[0019] 測試模塊：根據制定的應用層協議，把接收到的測試用數據幀信息AM^進行分 類，并根據報文分類進行相應的測試，把測試結果BM^發送到顯示模塊和協議數據存儲模 塊。
[0020] 協議數據存儲模塊：一方面實時存儲測試結果BMwt;另一方面是把經過測試后不 符合通訊協議規范的數據保存下來，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據存儲模塊、顯示模塊、波形傳輸模塊，其中：
[0022] 波形數據存儲模塊：將數字物理關聯信息D_以TDMS文件格式存儲，得到物理層 波形數據庫ADdaq。
[0023] 波形傳輸模塊：在接收到上位機的數據請求后從物理層波形數據庫AD_中取出 波形數據上傳，從而進行與上位機的數據交互。
[0024] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0025] (1)本發明的多通道CAN總線測試系統適用于多余度冗余式CAN總線測試，采用多 線程技術，能夠同時對接入的多個CAN網絡上傳輸的數據進行測試。此外，測試不只是簡單 地停留在數據的接收上，而是能夠根據制定的應用層協議對數據進行分類、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總線系統的連續在線監控。
[0026] (2)使用數據采集卡實現物理層信號的采集，在協議數據出錯時，可以通過比對波 形數據和協議數據，繼而確立故障發生在物理層還是協議層，有利于加速故障定位，降低錯 誤診斷率。
[0027] (3)設計了幀起始敏感型可編程同步觸發模塊，通過開發CPLD程序來捕捉CAN報 文的起始幀，從而決定數據采集卡的采樣時刻，可以有效減少數據采集卡采集的數據量，減 輕與上位機的通訊壓力，同時也降低從龐大的數據庫中尋找錯誤通訊數據的難度。
[0028] (4)數據鏈路層數據采集和物理層數據采集各自構成一個獨立的數據采集系統， 整個CAN總線測試系統可重組，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。在具體的應用中，以協議層數據的分析為主要評判依據，物理層波形 數據作為輔助手段，在忽略物理層對總線通訊造成的影響的情況下，可以把整個系統的物 理層數據采集部分分離出去，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網絡結構示意圖。
[0030] 圖1A是傳統CAN節點的結構示意圖。
[0031] 圖2為本發明具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測試系統的 結構框圖。
[0032] 圖3為本發明幀起始敏感型可編程同步觸發模塊的結構框圖。
[0033] 圖4為本發明報文測試流程圖。
【具體實施方式】
[0034] CAN-bus通信是通過5種類型的幀進行的，它們分別是數據幀、遠程幀、錯誤幀、過 載幀和幀間隔。數據幀由7個段組成，即幀起始（Start of Frame)、仲裁段（Arbitration Field)、控制段（Control Field)、數據段（Date Field)、CRC 段（CRC Field)、ACK 段 (ACK Field)和幀結束（End of Frame)。請參考2012年7月第1版周立功主編的《項 目驅動CAN-bus現場總線基礎教程》，第11?15頁的內容。在本發明中，對所述數據 幀的組成采用集合形式表達為Min= {SOF，AF，CF，DF，CRC，ACK，EF}。為了體現本發明應 用CAN協議卡僅對CAN-bus現場總線的數據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代表數據段標識、CRC代表CRC段標識、ACK代表ACK 段標識和EF代表幀結束標識。
[0035] CAN-bus物理層主要用于完成設備間的信號傳送，把各種信息轉換為可以傳輸的 物理信號（通常為電信號或光信號），并將這些信號傳輸到其他目標設備。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換，該器件稱為收發器。CAN收發器通過 TXD引腳、RXD引腳完成信號接收與發送；CANH引腳、CANL引腳完成與電纜的連接。電纜上 傳輸的電平信號只有兩種可能，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}。為了體現本發明應用數據采集卡僅對CAN-bus物理層的可傳輸的物理信 號進行獲取，因此，將MDAQ= {can_h,can_l}在本發明中也稱為電平關聯信號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，本發明設計的一種具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式 CAN總線測試系統，該測試系統由上位機、下位機、CAN協議卡、高速同步數據采集卡、幀起 始敏感型可編程同步觸發模塊組成，是服務于CAN網絡架構的航天領域應用。在航天領域 應用中為提高數據傳輸的可靠性，CAN總線采用雙余度冗余結構的CAN-bus現場總線（簡 稱為雙CAN-bus)，完全相同的網絡節點設備連接到雙CAN-bus上。
[0037] 參見圖2所示，在雙CAN-bus上連接有CAN協議卡、高速同步數據采集卡、幀起始 敏感型可編程同步觸發模塊。
[0038] 在CAN網絡架構的航天領域應用中，設置N個通道進行協議測試、時序分析和波形 測量的測試系統。
[0039] CAN協議卡
[0040] CAN協議卡，一方面用于采集CAN-bus現場總線的數據鏈路層的報文Min;另一方面 對接收到的報文Min進行轉換處理，輸出測試用數據M _給上位機。所述測試用數據M _ = {AF，CF，DF}。
【權利要求】
1. 一種具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測試系統，該測試系統 包括有上位機、下位機，以及用于實現上位機和下位機之間的數據交換的以太網；其特征在 于該測試系統還包括有： CAN協議卡，一方面用于采集CAN-bus現場總線數據鏈路層的報文Min;另一方面對接收 到的報文Min進行轉換處理，輸出測試用數據M wt給上位機； 數據采集卡，一方面用于采集CAN-bus現場總線物理層的電平關聯信號M_;另一方面 對接收到的電平關聯信號M_進行轉換處理，輸出數字物理關聯信息D_給下位機； 幀起始敏感型可編程同步觸發模塊，一方面用于采集CAN-bus現場總線物理層的電平 關聯信號MTK;另一方面對接收到的電平關聯信號MTK進行轉換處理，輸出觸發采集卡信息 Ttk給數據采集卡。
2. 根據權利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測試 系統，其特征在于：所述的上位機包括有協議數據接收模塊、顯示模塊、測試模塊、協議數據 存儲模塊； 協議數據接收模塊：用來接收測試用數據，經過格式轉換后供測試模塊調用的測試 用數據幀信息AM。^ 測試模塊：根據制定的應用層協議，把接收到的測試用數據幀信息八11_進行分類，并 根據報文分類進行相應的測試，把測試結果BMwt發送到顯示模塊和協議數據存儲模塊。 協議數據存儲模塊：一方面實時存儲測試結果BM。^另一方面是把經過測試后不符合 通訊協議規范的數據保存下來，留待測試人員查看，分析存在的問題。
3. 根據權利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測 試系統，其特征在于：所述的下位機模塊包括有波形數據存儲模塊、顯示模塊、波形傳輸模 塊； 波形數據存儲模塊：將數字物理關聯信息D_以TDMS文件格式存儲，得到物理層波形 數據庫ADdaq。 波形傳輸模塊：在接收到上位機的數據請求后從物理層波形數據庫ADdaq中取出波形 數據上傳，從而進行與上位機的數據交互。
4. 根據權利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測試 系統，其特征在于：CAN協議卡的USB接口連接上位機，另一端通過預留用于測試的接口接 入冗余式CAN總線網絡，將協議數據上傳給上位機；數據采集卡通過板卡插槽安裝在下位 機上，數據輸入端與雙余度冗余式CAN總線網絡的傳輸介質連接直接采集原始波形數據； 下位機與上位機通過TCP/IP協議建立通訊連接，接受上位機的數據請求命令，同時從下位 機中找到匹配的數據包上傳。
5. 根據權利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測試 系統，其特征在于：根據CAN總線協議規范，編寫程序使用CPLD開發板來捕捉CAN報文的幀 起始位，然后給出觸發信號控制數據采集卡采樣，實現CAN協議卡和數據采集卡的同步采 集。
6. 根據權利要求1所述的具有幀起始敏感同步觸發功能的多通道冗余式CAN總線測試 系統，其特征在于：從協議層和物理層兩個層面上對接收到的報文進行測試，以協議層數據 測試為主，物理層波形數據作為輔助判斷方法，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 優先權日:2014年11月23日
【發明者】袁梅, 祝堂佳, 董韶鵬, 范凌杰 申請人:北京航空航天大學