CN104901857A - 总线分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种总线分析仪，所述总线分析仪包括：总线收发器和微控制模块，所述总线收发器被配置成连接所述总线以接收所述总线上的数据或给所述总线发送数据，所述微控制模块上设置有光口端口和总线端口以实现串口信号和网络信号的转换，所述总线端口被配置成连接于所述总线收发器以接收或发送串口信号，所述光口端口被配置成连接于光缆以接收或发送网络信号。该总线分析仪具有成本低、结构电路简单、可靠性高、便于维护等特点。

Description

总线分析仪

技术领域

本发明涉及总线检测领域，具体地，涉及一种总线分析仪。

背景技术

随着科学技术的发展、生产自动化水平的提高，现场总线越来越受到人们的重视。作为现场总线的一种，CAN(ControllerAreaNetwork)总线最早是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

CAN总线分析仪是一种用来监测CAN总线当前运行状态的设备，主要功能是分析总线上的各种参数，从而及时给使用者提供一个直观的窗口来观测CAN总线上各种参数以及运行状况。基于以上背景本文简要介绍了CAN分析仪的国内外研究现状，分析了CAN总线协议，提出了一种CAN总线数据采集系统的设计方案，此方案采用国产龙芯1B作为控制核心，外接CAN收发器与CAN总线进行通信，采用光电耦合器进行隔离，设计了保护电阻，提高了系统的抗干扰性。能够实现对CAN总线数据的收集和处理，并留有USB接口和网络接口，实现远程传输采集控制下端设备。

本设计方案与国内传统的CAN总线分析仪相比降低了成本，简化了硬件电路结构，通信更加可靠，编程更加简洁，为CAN总线的现场监测和排错提供了快速、准确的解决方案，可以对CAN网络进行可靠的实时监控。同时采用纯国产硬件平台，加上定制化的Linux开源系统，从根本上硬件后门和软件后门，具有很大的创新。

随着国民经济的发展、生产管理自动化水平的提高和技术的不断进步，现场总线越来越受到人们的重视，CAN总线就是现场总线的一种。控制器 局部网(CAN)是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现己广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。

工业控制系统随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将5C技术COMPUTER(计算机技术)、CONTROL(自动控制技术)、COMMUNICATl0N(通信技术)、CRT(显示技术)和CHANGE(转换技术)紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。

典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线(FIELDBUS)能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。

由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年9月PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范(VERSION 2.0)。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能提供1 1位地址；而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局部网(CAN)国际标准(IS011898)，为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。现在，CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。CAN总线在汽车网络领域已经得到了大量的应用，在大多数中高级别车型上，CAN总是首要的解决方案。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS一485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先，CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。其次，CAN总线通过CAN控制器的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总 线处于“死锁”状态。而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS.ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线分析仪是一种用来检测CAN总线当前运行状态的设备，主要功能是分析总线上的各种参数，从而及时给使用者提供一个直观的窗口来观测CAN总线上各种参数及运行状况。在国内，由于对CAN总线技术研究不足，对CAN产品设计的起步时间稍晚，没有深入地参与到高层协议的研究与定制，导致国内的CAN总线分析工具始终停留在硬件设计上，很少能支持高层协议的，难以对国外的技术构成挑战。因此，在CAN总线分析工具领域，几乎全部是国外厂家的产品，如瑞典KVASER的USB.CAN工具(表1.1)、PCI.CAN工具、PCIECAN工具、德国Ficosa公司的MagicSyncCAN；与之相应的软件有Kvaser CanKing、FicosaCANica、Vector CANoe、Warwick X-Analyser、Xtm等，还有许多第三方软件也能支持这些分析工具，多数为英语环境，部分是德语，其软件功能强大、操作相当复杂，需要专门培训才能知道如何操 作。

在本领域中的总线数据的收集和处理的成本很高，电路复杂，无法维护且可靠性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种总线分析仪，该总线分析仪具有成本低、结构电路简单、可靠性高、便于维护等特点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种总线分析仪，所述总线分析仪包括：总线收发器和微控制模块，所述总线收发器被配置成连接所述总线以接收所述总线上的数据或给所述总线发送数据，所述微控制模块上设置有光口端口和总线端口以实现串口信号和网络信号的转换，所述总线端口被配置成连接于所述总线收发器以接收或发送串口信号，所述光口端口被配置成连接于光缆以接收或发送网络信号。

优选地，所述微控制模块包括型号为1B的龙芯处理器以及与所述龙芯处理器耦接的以下装置：网口电路和总线(CAN)接口电路，所述网口电路的光口端口被配置成连接于光缆以接收或发送所述网络信号，所述总线(CAN)接口电路的总线端口被配置成连接于所述光缆。

优选地，所述微控制模块还包括连接于所述龙芯处理器的控制(CONSOLE)端口电路，所述CONSOLE端口电路用于电路的调试。

优选地，所述微控制模块还包括连接于所述龙芯处理器的Nand Flash存储器和Nor Flash存储器。

优选地，所述CAN接口电路和龙芯处理器之间设置有隔离缓冲器，所述隔离缓冲器实现电气间的隔离。

优选地，所述微控制模块包括USB接口，所述USB接口被配置成连接于WIFI模块和3G模块，以实现无线联网。

通过上述的实施方式，发明了一种带隔离的监测CAN总线多种现场状态的总线分析仪，外接CAN接收器TJAl050与CAN总线进行通信，能够处理1l位标识符模式(CAN2.0A协议)和29位标识符模式(CAN2.0B协议)的CAN报文，实现对CAN总线数据的收集和处理。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是说明本发明的具体结构的总线分析仪的结构框图；以及

图2是说明本发明的具体结构的微控制模块的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种总线分析仪，所述总线分析仪包括：总线收发器和微控制模块，所述总线收发器被配置成连接所述总线以接收所述总线上的数据或给所述总线发送数据，所述微控制模块上设置有光口端口和总线端口以实现串口信号和网络信号的转换，所述总线端口被配置成连接于所述总线收发器以接收或发送串口信号，所述光口端口被配置成连接于光缆以接收或发送网络信号。

通过上述的实施方式，发明了一种带隔离的监测CAN总线多种现场状态的总线分析仪，外接CAN接收器TJAl050与CAN总线进行通信，能够处 理1l位标识符模式(CAN2.0A协议)和29位标识符模式(CAN2.0B协议)的CAN报文，实现对CAN总线数据的收集和处理。

CAN接口电路由三部组成，它们分别为：微处理器龙芯1B集成的CAN接口控制器、高速光电隔离电路，CAN总线收发器总线驱动电路。高速光电隔离电路位于龙芯1B与CAN总线驱动器电路之间，在通信中，高速光糊的作用是加大总线的抗扰能力；龙芯1B集成的CAN控制器是CAN接口电路的核心，本文中它的作用是负责将接收缓冲器的数据送到微处理器的进行处理上传出来，同时将从网口接收到的数据经过处理以后，再利用发送缓冲器将这些数据送到总线收发器，从而实现电平的转换，最终挂到总线上，供其他的节点获取；同时微处理器龙芯1B主要起到全局控制的作用，即控制CAN的初始化，报文发送，报文接收，以及外围电路中的数据显示，另外还起到数据传输的作用，把上位机发送的数据或者命令发到CAN总线上。

以下结合附图1对本发明进行进一步的说明，在本发明中的总线分析仪的主要内容是在CAN总线上进行数据的采集，利用CAN总线一主多从的网络特性，在总线上挂接一个主机、三个从机，系统运行时，数据的传输过程为：在CAN控制器的作用下，从机控制传感器将PSDPSD(Position Sensitive Device)。PSD属于半导体器件，一般做成P+I+N结构，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，其弱点主要是非线性。其工作原理是基于横向光电效应。第一激光测距仪、第二激光测距仪探测到的数据挂到CAN总线上，此时主机会收到从机的一个响应信号，在CAN控制器和CAN收发器的作用下，主机从总线上接收数据，再把数据通过串口或者液晶显示出来，从而实现数据的采集。

微控制器模块：本文采用的是国产龙芯1B处理器，它是一款嵌入式微处理器芯片，它的作用就是利用CAN控制器在总线上接收数据，同时也可以把数据经过处理后显示出来，或者是重新送回到总线上。

1B芯片具有以下关键特性：

集成一个GS232双发射龙芯处理器核，指令和数据L1Cache各8KB，

集成一路LCD控制器，最大分辨率可支持到1920*108060Hz/16bit，

集成2个10M/100M/1000M自适应MAC，

集成1个32位133MHz DDR2控制器，

集成1个USB2.0接口，兼容EHCI和OHCI，

集成1个8位NAND FLASH控制器，最大支持32GB，

集成中断控制器，支持灵活的中断设置，

集成2个SPI控制器，支持主从模式，支持系统启动，

集成AC97控制器，

集成1个全功能串口、1个四线串口和10个两线串口，

集成3路I2C控制器，兼容SMBUS，

集成2个CAN总线控制器，

集成62个GPIO端口，

集成1个RTC接口，

集成4个PWM控制器，

集成看门狗电路，

2路标准CAN接口，

l支持2个独立CAN总线接口， 

l每路CAN接口均支持CAN2.0A/B协议，

l支持CAN协议扩展， 

1B芯片支持以下功能，

1.2.1GS232CPU，

龙芯232核是一款实现MIPS32兼容且支持EJTAG调试的双发射处理器，通过采用转移预测、寄存器重命名、乱序发射、路预测的指令CACHE、非 阻塞的数据CACHE、写合并收集等技术来提高流水线的效率。

双发射五级流水、乱序发射、乱序执行，

8KB指令Cache+8KB数据Cache，4路组相连，指令CACHE支持路预测，

6项BRQ、16项的QUEUE，

动态转移预测、地址返回栈，

32项JTLB，4项ITLB、8项DTLB

两个定点ALU部件。

支持非阻塞的Cache访问技术，4项load队列、2项store队列、3项miss队列，最多容忍5条store指令Cache不命中和4条load指令Cache不命中。

支持cached store指令的写合并和uncache写加速技术，

支持cache lock技术和预取指令，

支持流水线暂停模式，

支持向量中断，可配置支持快速中断响应，最多8个时钟周期进入中断处理程序，

支持EJTAG调试，

1.2.2DDR2，

32位DDR2控制器，

遵守DDR2DDR的行业标准(JESD79-2B)

一共含有18位的地址总线(即：15位的行列地址总线和3位的逻辑Bank总线)。

接口上命令、读写数据全流水操作，

内存命令合并、排序提高整体带宽，

配置寄存器读写端口，可以修改内存设备的基本参数，

内建动态延迟补偿电路(DCC)，用于数据的可靠发送和接收，

支持33-133MHZ工作频率，

CAN收发器：就是将CAN控制器的逻辑电平转换成CAN总线差分电平的电平转换器，具有一对与CAN总线接口的信号引脚CAN一H和CAN—L，还有一对与CAN总线控制器接口的收发引脚RX和TX，首先把要采集的数据经过电平转换后，再从RX引脚输出给CAN控制器，同时，也可以把RX接收的数据通过TX发送出去，这样系统就可以实时地检查收到的数据是否出现异常了。

CAN数据总线：是一条双向的数据传输线，由CAN—H(CAN高位)和CAN_L(CAN低位)组成，作用是提供一个资源共享的介质，因此无论是CAN收发器想要接收的数据，还是CAN控制器想要发送的数据，都要通过这个总线来传输，并且CAN总线具有不受外界电磁干扰的特性。

在本发明的一种具体实施方式中，所述微控制模块包括型号为1B的龙芯处理器以及与所述龙芯处理器耦接的以下装置：网口电路和总线(CAN)接口电路，所述网口电路的光口端口被配置成连接于光缆以接收或发送所述网络信号，所述总线(CAN)接口电路的总线端口被配置成连接于所述光缆。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述微控制模块还包括连接于所述龙芯处理器的控制(CONSOLE)端口电路，所述CONSOLE端口电路用于电路的调试。

在该种实施方式中，所述微控制模块还包括连接于所述龙芯处理器的Nand Flash存储器和Nor Flash存储器。

在该种实施方式中，所述CAN接口电路和龙芯处理器之间设置有隔离缓冲器，所述隔离缓冲器实现电气间的隔离。本文中采用的是传输延迟时间短的型号为6N137的隔离缓冲器，它是一种高速的光电隔离器件，能够增强系统的抗干扰能力，由于它的典型值仅为45ns，故不会对系统通信造成影响，另外，需要注意的是，如果系统运行环境的干扰小，信号的传输距离短的话，是没必要采用隔离缓冲器的，这样还能够简化硬件设计。

高速光电隔离电路，它位于CAN控制器和CAN收发器之间，目的是实现电气间的隔离，使总线上的抗干扰能力得到增强，在电路中表现为CAN控制器的发送引脚TXO和CAN总线收发器的发送端，TXD，CAN控制器的接收引脚RXO和CAN总线收发器的接收端RXD分别被光稱隔离了。即高速光糊芯片是以光作为信兮的传输介质，它的工作原理是，在输入端加入屯信号时，发光器能够发射出光线，而此时输出端可以从受光器发送出光电流，这样就实现了“电一光一电”的转换，能够使信道上的信号噪声比大大提高，从而有效地隔离CAN总线上的干扰信号，使数据传输时候的稳定性和可靠性被大大增强了。

该收发器能够在三种模式下进行工作，即斜率、待机以及高速模式，可以通过设置8号引脚Rs(图中并未显示)来进行模式的选择。本设计中采用的模式是斜率模式，该模式下采用的是非屏蔽总线电缆，通过设置连接在Rs引脚上的电阻，能够控制上升和下降的斜率；对于待机模式，它的速度是非常慢的，只适用于对功耗要求非常低的情况，选择此模式需要将Rs引脚拉高即可；高速模式时，为了避免射频干扰的问题，需要发送器的输出晶体管尽可能快的开启和关闭，并且需要使用屏蔽电缆，这也在无形当中增加了设计的成本，选择此模式也很简单，把Rs引脚直接接地即可。

发送的报文由CAN控制芯片根据协议自动完成，微处理器只将按协议格式形成的巾贞报文发送即可，通过控制命令寄存器的对应位，启动发送请求标志。控制芯片自动将此位清零，此操作表示为发送正在进行中，只有总线上有ACK请求应答信号产生才置位此标志位。表明发送完成并且成功完成。如果没有ACK请求应答信号产生，芯片自动重新发送，同时错误寄存器自动加1。发送子程序负责该节点报文的发送。

CAN总线的接收程序

接收数据过程采用两种方式：分别为查询方式和中断方式，在本文中， 由于该节点接收总线上的数据是被动而且是不可知的，一是采用查询方式，势必会造成时间上的浪费以及程序上的实时性上的问题，因此本文采用的控制方式为中断方式。当总线上的数据报文信息通过滤波测试后，将会存储在读入FIFO中，这时缓冲区中的状态位RBS置为1，此时表明接收缓冲区中产生新的数据待采集，同时会产生中断。当有中断产生时微处理器会立刻响应中断标志，立即将报文存入RAM中，同时发送释放清空缓冲区的命令并清除缓冲区标志位。如队列中接收仍为空，下一巾贞信息立即产生新的接收中断，直至接收缓冲区全部为空，因此不用在中断响应结束之前全部读出接收缓冲区的全部数据信息。

下一步，在进行数据使能溢出产生中断及产生错误报警中断之前，有时数据溢出或出错亦能产生中断，并且同时置位相应的标志位。这就需要通过程序中的中断优先级去判断了。如果数据溢出中断产生了那就清空其缓冲区，清除标志位，等待下一中贞包围信息；如果错误中断产生了，那就必须读错误计数寄存器的值去判断，如高于当前设定值，则判断该节点遇到了不可挽回的错误，通过软件将其“抛弃”同时切换下一路继续工作并且告知上位机等待人员去维护。

报文信息的接收仍然是CAN控制芯片独立完成的，但足接收的子稅序部分除了管理相关节点的报文接收外，还负责处理了许多意外情况，所以跟发送部分相比较略显复杂。

CAN总线由CAN_H和CAN—L组成，为了实现正常的通信，需要在CAN—H和CAN_L之间连接一个120欧的电阻，作用是与通信电缆实现阻抗匹配，从而达到避免信号反射的效果。

在该种实施方式中，所述串口服务器还包括USB接口，所述USB接口被配置成连接于WIFI模块和3G模块，以实现无线联网，我们的系统开发预留出了一个出了USB HOST接口，支持外接各类厂商的USB转WIFI模 块和USB转3G模块，通过WIFI或者3G模块，让我们的设备以无线连接方式加入到局域网或者WAN网络，实现了控制中心远程无线访问我们的设备连接的底端设备。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种总线分析仪，其特征在于，所述总线分析仪包括：总线收发器和微控制模块，所述总线收发器被配置成连接所述总线以接收所述总线上的数据或给所述总线发送数据，所述微控制模块上设置有光口端口和总线端口以实现串口信号和网络信号的转换，所述总线端口被配置成连接于所述总线收发器以接收或发送串口信号，所述光口端口被配置成连接于光缆以接收或发送网络信号。

2.根据权利要求1所述的总线分析仪，其特征在于，所述微控制模块包括型号为1B的龙芯处理器以及与所述龙芯处理器耦接的以下装置：网口电路和总线(CAN)接口电路，所述网口电路的光口端口被配置成连接于光缆以接收或发送所述网络信号，所述总线(CAN)接口电路的总线端口被配置成连接于所述光缆。

3.根据权利要求2所述的总线分析仪，其特征在于，所述微控制模块还包括连接于所述龙芯处理器的控制(CONSOLE)端口电路，所述CONSOLE端口电路用于电路的调试。

4.根据权利要求2所述的总线分析仪，其特征在于，所述微控制模块还包括连接于所述龙芯处理器的Nand Flash存储器和Nor Flash存储器。

5.根据权利要求2所述的总线分析仪，其特征在于，所述CAN接口电路和龙芯处理器之间设置有隔离缓冲器，所述隔离缓冲器实现电气间的隔离。

6.根据权利要求2所述的总线分析仪，其特征在于，所述微控制模块包括USB接口，所述USB接口被配置成连接于WIFI模块和3G模块，以实现无线联网。