CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監控軟件設計

CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )即控制器局域網(wǎng)絡(luò )(Controller Area Network，CAN)，是由德國B(niǎo)OSCH公司在20世紀80年代為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全網(wǎng)廣播3種方式的發(fā)送和接收數據。傳輸的數據采用CRC校驗，能夠有效地降低誤碼率。CAN總線(xiàn)的通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或者光導纖維，通信速率可達1 MB／s。由于具有通信速度快、可靠性高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，使CAN總線(xiàn)成為應用廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。
當前，市面上已有多種CAN總線(xiàn)的分析測試工具，如廣州周立功公司的CANalyst，德國Vector公司的CANoe等。這些軟件工具具有較強的功能，但對于一些小型CAN網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)組件來(lái)說(shuō)，其附加費用較大?；诖丝紤]，本文提出了一種功能完善、操作簡(jiǎn)潔的CAN網(wǎng)絡(luò )監控系統設計方案，可達到對CAN總線(xiàn)運行情況監測分析的目的。

1 設計需求
通過(guò)對一些通用CAN總線(xiàn)監控軟件的分析，并結合設計提出的實(shí)現一個(gè)較為通用的CAN總線(xiàn)監控軟件的要求，可以將此軟件的設計需求總結如下：
(1)具有適應CAN控制器各種工作模式的功能，用戶(hù)只用稍加配置，便可以將此軟件用于具體的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的監控中。
(2)具有用戶(hù)自定義數據幀格式及其解析方式的功能，以使此軟件可以滿(mǎn)足不同環(huán)境下的使用要求，對用戶(hù)所需要的數據內容進(jìn)行解析。
(3)具有數據可視化顯示功能，如數據表展示數據，圖形繪制數據曲線(xiàn)等方式。使用戶(hù)可以較為直觀(guān)地對網(wǎng)絡(luò )數據和狀態(tài)進(jìn)行監控。
(4)具有將通信中的數據信息進(jìn)行分類(lèi)的功能，方便用戶(hù)對數據的分析。
(5)具有查看歷史數據的功能，將歷史數據記錄下來(lái)，并提供一種方式實(shí)現對歷史網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)的重現，方便用戶(hù)調試。

2 方案設計
2．1 功能
CAN總線(xiàn)監控軟件需具備的功能包括：CAN總線(xiàn)通信(數據接收與發(fā)送)、數據處理(數據解析與存儲)和數據應用(將數據展示為圖表，數據回放等)。功能結構如圖1所示。

2．2 功能模塊關(guān)系
CAN總線(xiàn)的監控過(guò)程即是對通信數據的處理過(guò)程。軟件首先通過(guò)與CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)通信來(lái)接收和發(fā)送數據，然后將這些數據記錄在文件中，同時(shí)對數據進(jìn)行分析處理，軟件根據由用戶(hù)所設定的數據格式對數據解析，最后是對數據信息的應用，根據用戶(hù)的設定，可以對數據進(jìn)行表展示，曲線(xiàn)繪制或者歷史回放。各功能模塊關(guān)系如圖2所示。

2．2．1 通信
通信是監控軟件獲取數據信息的方式，也是軟件的基礎。它的主要功能是接收和發(fā)送CAN總線(xiàn)中節點(diǎn)的數據，是數據解析和應用的來(lái)源。監控節點(diǎn)需要連接到CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，如圖3所示。

2．2．2 數據記錄
數據記錄模塊是將接收或者發(fā)送的數據以一定的形式記錄在文件中，用以對數據進(jìn)行后期分析，或者通過(guò)回放功能復現CAN總線(xiàn)狀態(tài)。為能達到復現的目的，此記錄文件需記錄的信息包括原始數據包和收發(fā)時(shí)間，時(shí)間信息具體內容為通信數據的時(shí)間間隔，基于此回放功能更加真實(shí)模擬網(wǎng)絡(luò )中的狀態(tài)。記錄內容如圖4所示。

2．2．3 數據分析
數據分析模塊是整個(gè)監控軟件的核心，它負責按照用戶(hù)設定的解析模式將收發(fā)數據報解析為可以理解的信息值。每一幀數據的解析過(guò)程可以分為以下3步：(1)定位。通過(guò)數據幀格式來(lái)定位每個(gè)信息在數據包中的起始位置，將數據包分組。(2)截取。通過(guò)起始位置和數據長(cháng)度，可以截取到所需的數據。(3)轉換。由于截取所得到的數據為原始數據，所以需要將其轉換為可以理解的信息。數據的分析過(guò)程如圖5所示。

2．2．4 數據應用
數據應用是指軟件對用戶(hù)所提供的數據服務(wù)。本軟件實(shí)現了以下幾個(gè)功能來(lái)應用數據：(1)數據表。用于向用戶(hù)提供所需要的信息，展示總線(xiàn)數據。(2)繪圖。根據用戶(hù)需要對某些需要顯示數據變化的內容進(jìn)行曲線(xiàn)繪制。(3)回放。將存儲于文件中的歷史數據按照收發(fā)時(shí)間順序重新播放，以重現網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，它為用戶(hù)提供了一種調試網(wǎng)絡(luò )的簡(jiǎn)單方式。
2．3 關(guān)鍵技術(shù)
2．3．1 數據解析
鑒于CAN總線(xiàn)的應用廣泛，從汽車(chē)到工業(yè)現場(chǎng)的應用，所需要監測的信息不同，故軟件對數據的解析方式也不相同。數據的解析過(guò)程需要用到用戶(hù)所定義的數據格式，這里使用XML文件來(lái)描述數據幀的內容。如圖6所示，幀ID為0x01的數據內容包：一個(gè)16位數據表示的溫度值，信息類(lèi)型為整數；一個(gè)16位數據表示的壓力值，信息類(lèi)型為正整數。

2．3．2 數據回放
回放功能是將歷史數據及當時(shí)的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)按照原過(guò)程如實(shí)演示，使用的數據源是從歷史記錄文件中獲取的。記錄文件由記錄模塊將總線(xiàn)數據按照時(shí)間順序寫(xiě)入文件中生成，使用回放功能是將所記錄數據按順序讀入，按照記錄時(shí)間模擬當時(shí)的順序實(shí)現回放功能，用戶(hù)可通過(guò)應用功能再次使用數據表、繪圖來(lái)呈現數據。

3 測試
在實(shí)際應用中，將監控節點(diǎn)接入CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，完成軟件設定后，便可開(kāi)啟對總線(xiàn)的監控。使用數據表顯示所測得信息的正確性，并驗證通信是否正常。所生成的數據表如圖7所示，顯示信息來(lái)自節點(diǎn)1和節點(diǎn)3，以及發(fā)自它們的溫度和壓力值。使用繪圖功能將此溫度變化繪制為曲線(xiàn)圖形，如圖8所示。

4 結束語(yǔ)
本文提出了一個(gè)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監控軟件的方案，并描述了此軟件的設計方法和所使用到的關(guān)鍵技術(shù)。依據此方案，實(shí)現了一個(gè)較為通用的CAN總線(xiàn)監控軟件，它可通過(guò)分析由用戶(hù)設定傳輸數據格式的方式，自動(dòng)對數據進(jìn)行解析，可滿(mǎn)足大多數CAN總線(xiàn)的監控需求。在應用中，它可幫助用戶(hù)調試和測試網(wǎng)絡(luò )，有效提高工作效率。通過(guò)實(shí)際測試，驗證了此方案的可行性。
但是，本文提出的設計方案也有局限性和進(jìn)一步提升的空間。在后續研究和設計中，可以將數據融合技術(shù)逐步加入到軟件對數據的分析中，并可將此工具演化為一種通用的軟件中間件，以便進(jìn)行更多的應用。