车载CAN网络中直接NM逻辑环的实现.pdf

第第13期期 ol2010 年年 7 月月Jul车载车载 CAN 网络中直接网络中直接 NM 逻辑环的实现逻辑环的实现 陈筠翰，刘衍珩，曲良东，魏陈筠翰，刘衍珩，曲良东，魏 达，余雪岗达，余雪岗(吉林大学计算机科学与技术学院，长春 130012)摘摘 要：要：为实时监控车载网络中的节点，在使用控制器区域网络(CAN)总线的车载网络中，设计并实现一种基于 OSEK/VDX 规范直接网络管理(NM)的车载 NM 系统。由车载网关通过 CAN 总线收集各网络节点的故障信息，通过 IPv6 无线网络上传至远程故障诊断服务器，并将得到的故障处理信息下发至有关节点，实现车载 CAN 网络与远程故障诊断服务器的信息交互。测试结果表明，各网络节点上线后能快速建立稳定的逻辑环通信，并为远程故障诊断提供操作平台。关键词：关键词：OSEK/VDX 规范；控制器区域网络；逻辑环；网络管理；远程故障诊断 Implementation of Direct NM Logical Ring in In-vehicle CAN Network CHEN Yun-han,LIU Yan-heng,QV Liang-dong,WEI Da,YU Xue-gang(College of Computer Science and Technology,Jilin University,Changchun 130012)【Abstract】In order to monitor the node in in-vehicle network in real time,this paper designs and implements in-vehicle Network Management(NM)system based on OSEK/VDX specification direct NM in in-vehicle network which using Controller Area Network(CAN)bus.The in-vehicle gateway collects information from the fault node,communicates with the remote fault diagnostic service through the IPv6 wireless network,sends the execute information from the service to the node,and implements the information exchange between the fault node and the remote fault diagnostic service.Text results show that network node after on line can quick build stable logical ring communication,and provide operation platform for remote fault diagnosis.【Key words】OSEK/VDX specification;Controller Area Network(CAN);logical ring;Network Management(NM);remote fault diagnosis 计计 算算 机机 工工 程程 Computer Engineering第第36卷卷V.36 No.13 y 2010网络与通信网络与通信 文章编号：文章编号：10003428(2010)13011403文献标识码：文献标识码：A 中图分类号：中图分类号：TP3931 概述概述 OSEK/VXD网络管理(OSEK/VDX Network Management,OSEK/VDX NM)机制的基本概念是对网络节点工作状态进行实时监控1。本系统通过即时更新的配置信息，判断当前车载网络中节点的可操作性和工作状态。车载网关和网络节点由控制器区域网络(Controller Area Network,CAN)总线连接，使用CAN 2.0B协议通信。网络节点将故障信息(包括故障码2和传感器采集的相关数据)装入周期性发送的专用网络管理报文中。由于直接NM的实时性更符合需求，因此本文重点研究如何建立、维护基于OSEK/VDX规范的直接NM的基础结构逻辑环，根据项目实际需求实现了直接NM的相关功能。2 基于基于OSEK/VDX规范直接规范直接NM的车载的车载NM系统系统 2.1 需求调整需求调整 本文以项目实际需求和现有硬件设备为基础，对OSEK/VDX规范中网络节点的工作状态加以精简，实现无需OSEK/VDX OS支持的直接NM逻辑环，以最低开销完成对逻辑环的验证。本系统省略了NMShutDown和NMOff 2个状态，节点上电即进入NMOn状态；在子状态NMOn下，保留NMInit和NMAwake 2个子状态，省略NMBusSleep及与其并列的NMActive和NMPassive 2个子状态；在子状态NMAwake下，保留NMReset,NMNormal和NMLimpHome 3个子状态，对NMLimpHome相关功能做改动。网络节点的状态转换图及各状态功能如图1所示。NMOnNMAwakeNMResetNMReset()初始化节点配置NMtxcount自加成功发送第1条alive报文NMNormalNMNormal()读取报文的类型、源地址、目的地址time_isr()NMInitNormalNMInitNormal()使能计时器、清中断装填ring报文设置计时器TTypNMLimpHomeNMLimpHome()计数器NMtxcount清零NMtxcounttx_limit计时器TMax到期NMtxcounttx_limitNMInitResetNMInitReset()计数器 NMtxcount清零NMInitNMInit()初始化硬件设置 图图1 网络节点的状态转换图及各状态功能网络节点的状态转换图及各状态功能 基金项目：基金项目：国家发改委高新技术产业化发展基金资助项目(2005 637，2007 年被国家发改委评为国家高技术产业化示范工程，2008 年获长春市科技进步特等奖)；国家科技部国际合作与交流专项基金资助项目(20073791)作者简介：作者简介：陈筠翰(1983)，男，硕士，主研方向：CAN 网络管理，网络通信；刘衍珩，教授、博士、博士生导师；曲良东，博士研究生；魏 达，教授、博士；余雪岗，讲师、博士 收稿日期：收稿日期：2010-01-10 E-mail： 114 其中，NM报文只包括alive和ring报文，不包括limphome报文。因为子状态NMLimpHome中未加入故障诊断、处理机制，所以未赋予该子状态发送limphome报文的功能。2.2 中断服务程序的实现中断服务程序的实现 在图1中的中断服务程序time_isr()是建立和维护逻辑环通信的核心，其算法实现如下：BEGIN IF interrupt from RX THEN read the Source,Destination and OpCode of the received message IF NMNormal=1 THEN IF no send request THEN determinate Log_Successor initiate alive message IF is ring message THEN IF Destination=Receive THEN initiate ring message IF timer TTyp is not set THEN set timer TTyp END IF END IF ELSE determinate whether skipped IF skipped THEN initiate alive message and request send message END IF set timer TMax END IF ELSE IF is ring message THEN reset timer TTyp END IF END IF clear RX interrupt flag END IF IF interrupt from TX THEN NMtxcount+IF NMNormal=1 THEN NMtxcount+IF has sent the first alive message THEN set timer TMax END IF END IF clear TX interrupt flag END IF IF is interrupt from timer THEN IF has set timer TTyp THEN IF no sending request THEN NMtxcount+request sending ring message set timer TMax clear timer interrupt flag ELSE set timer TMax END IF ELSE set timer TMax elapse flag clear timer interrupt flag END IF END IF END 3 稳定逻辑环通信的实现稳定逻辑环通信的实现 3.1 稳定逻辑环通信的形成稳定逻辑环通信的形成 网络管理机制对实时性有极严格的要求，网络中的节点启动后应尽快建立逻辑环。因此，要讨论新节点加入的时机。直接NM建议，新节点加入应在当前稳定的逻辑环通信中的标识符最大节点接收到的Destination等于Receiver的ring报文后。其他阶段加入新节点的情况在规范中未给出。为便于检测实验结果，拟定节点1、节点2、节点3上电后依次上线。待节点1、节点2建立稳定的逻辑环通信，且节点2接收到Destination=2的ring报文后，节点3发送Destination=3的alive报文申请加入逻辑环通信。稳定逻辑环通信的具体形成过程如图2所示，其中，D表示Destination。Node1Node2aliveD=1aliveD=2TTypTTypringD=2TMaxTMaxringD=1ringD=2TTypTMaxTMaxTMaxTTypTMax(a)节点1、节点2形成稳定逻辑环通信的过程 Node1Node2Node3aliveD=3ringD=3ringD=2aliveD=2ringD=3ringD=1TMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTMaxTTypTTypTTypTTypTTyp(b)节点3加入后稳定逻辑环通信的形成过程 图图2 稳定逻辑环通信的具体形成过程稳定逻辑环通信的具体形成过程 节点2的延时长度由实验获得，以保证节点1发送的 第1个ring报文在节点2的计时器TTyp到期前到达。若计时器TTyp到期，则节点2将请求发送ring报文并设置计时器TMax，待ring报文发送成功后重置计时器TMax，在此期间节点2将忽略任何接收到的NM报文。若该期间节点1发送的Destination=1的ring报文到达，则节点2的Log_ Successor不会改变。待节点2的计时器TTyp到期后，节点2发送Destination=2的ring报文。节点1在接收到该报文后将与节点2几乎同时重置计时器TMax，待计时器TMax到期后一同进入子状态NMReset。在该情况下无法及时建立稳定的逻辑环通信。在选择适当的延时后，节点1发送的第1个ring报文将在节点2的计时器TTyp到期前到达。节点2将Log_Successor改为1，并在计时器TTyp到期后发送Destination=1的ring报文。该报文在节点1重置的计时器TMax超期之前到达。由于Destination等于Receiver，节点1关闭计时器TMax，启动计时器TTyp。节点1在计时器TTyp到期后发送 115Destination=2的ring报文。至此，由2个节点组成的稳定逻辑环通信建立完毕。节点3上电启动后在子状态NMReset下等待，待节点1和节点2形成稳定的逻辑环通信且接收到节点1发送的Destination=2的ring报文后才发送Destination=3的alive报文，接着进入子状态NMNormal。若仍有其他网络节点需要加入逻辑环通信，则只需等规范建议的时机到来时发送alive报文。3.2 稳定逻辑环通信的重建稳定逻辑环通信的重建 稳定的逻辑环通信建立后，若某一网络节点由于某种原因不能发送或接受ring报文，其他节点即在计时器TMax到期后认为该节点离线，从而进入子状态NMReset。稳定的逻辑通信的重建与上文的建立过程相同，只是排除了不能通信的节点。4 实验环境和测试结果实验环境和测试结果 4.1 实验环境实验环境 本系统使用自行设计的CAN节点构建逻辑环，该节点采用Microchip公司集成了CAN控制器的PIC18F2580芯片作为中央控制单元，PCA82C250芯片作为CAN收发器。鉴于扩展的需求，使用29 bit扩展标识符3。车载网关通过SPI通信获取CAN控制器MCP2510接收到的CAN报文4，通过串口通信输出报文的源节点ID、目的节点ID、报文类型及到达时的系统时间。CAN2.0B协议通信的接收机制是节点通过过滤和屏蔽寄存器检验报文的标识符，判断是否接收当前总线上传输的报文5。直接NM要求网络节点接收总线上传输的全部NM报文。因此，拟定按功能分组网络节点，分配组标识符。预留SIDL的7 bit5 bit，定义0和1 bit为故障信息上传和上传回执标识位：1表示需操作，0表示无操作6。SIDH和EIDL分别装载Log_Successor和Receiver，7 bit4 bit为组标识，3 bit0为目的节点和源节点ID。EIDH的7 bit4 bit为IdBase，3 bit0为OpCode，OpCode指明了NM报文的类型。若存在判定具体接收节点的需求，由软件通过IdBase判断。选择 8 Byte的数据域装载故障信息，每条故障信息占2 Byte。CAN报文标识符域与数据具体分配情况如图3所示。(a)29 bit扩展标识符的SIDH和SIDL域 (b)29 bit扩展标识符的EIDH和EIDL域 (c)数据域具体分配 图图3 CAN报文标识符域与数据具体分配情况报文标识符域与数据具体分配情况 4.2 测试结果测试结果 表1列出了在稳定逻辑环通信形成过程中由车载网关获取的各网络节点所发送和接收报文的Destination、Source以及报文类型。上线时间一栏以车载网关启动后的系统时间为参考点，截取整数位后3位和全部小数位。由此可见，各网络节点上线后迅速建立了稳定的逻辑环通信，使车载网关能够实施监控网络节点的状况，为远程故障诊断系统建立可靠的操作平台。表表1 测试数据测试数据 编号Destination节点Source节点 报文类型 上线时间/s1 1 1 alive 595.632 8592 2 2 alive 595.634 6683 2 1 ring 597.428 0614 1 2 ring 597.429 8745 2 1 ring 599.214 8496 3 3 alive 599.216 5007 3 2 ring 601.000 1578 2 3 ring 601.001 7049 2 1 alive 601.002 43210 3 2 ring 602.800 55011 1 3 ring 605.227 39112 2 1 ring 607.632 61613 3 2 ring-14 1 3 ring-5 结束语结束语 车载CAN网络中的直接NM的实现为远程故障诊断系统搭建了操作平台。远程故障诊断系统利用网络收集信息，提高了故障诊断的效率和准确率。该系统可应用于车辆、机械、航空等领域，发展前景广阔。下一步工作为：将直接NM机制与远程故障诊断服务更紧密地结合，进一步完善故障的诊断和处理机制，实现更强大的功能。参考文献参考文献 1 OSEK/VDX Group.OSEK/VDX Network Management Concept and Application Programming InterfaceZ.(2004-06-24).http:/www.portal.osek-vdx.org/files/pdf/specs/nm253.pdf.2 邢文凯.汽车发动机计算机控制系统及故障诊断M.北京:清华大学出版社,2008.3 饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线 CAN 原理与应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.4 潘巨龙,黄 宁,姚伏天,等.ARM9 嵌入式 Linux 系统构建与应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2006.5 刘和平,刘 钊,郑群英,等.PIC18Fxxx 单片机程序设计及应 用M.北京:北京航空航天大学出版社,2005.6 Microchip Technology Inc.DS39637A,PIC18F2480/2580/4480/4580 Data SheetZ.(2004-07-12).http:/ 陆燕菲 116