STM32F407 系列文章 - Dual-CANBus-ProMethod（十三）
目录
前言
一、现状分析
二、解决思路
1.应用场景网络结构图
2.数据发送流程
3.数据接收流程
4.用到的模块
1.CAN网络速率及时间片分配
2.CAN网络消息ID组成
3.设备节点定义
4.数据格式说明
5.消息格式说明
6.FIFO队列
7.CAN发送流程
8.CAN接收流程
9.节点CAN消息冗余过滤原则
10.节点CAN消息冗余过滤机制
总结
前言
在一些对系统可靠性要求很高的应用中、或者传输环境较差的场景下，如何保证CAN总线组网通信中数据传输无缺损或者缺损率极低，是本文章主要解决的问题。
一、现状分析
在一些重要系统应用中，如飞行器、航天航空等环境，经常需要使用CAN总线来传输数据，传输过程中有可能受空间干扰或电源波动等原因，会导致某一帧数据信息缺损、错乱或者丢失。
现有技术主要是从硬件电路的可靠性出发，在节点接收端和发送端电路上增加对CAN电路的保护，如电源上增加滤波、隔离电路，在数字通信接口增加隔离电路，增强电路稳定性。这种方式，在节点单一、传输环境简单、数据信息少量的情况下，CAN总线传输的过程中比较可靠有效。但是涉及到传输环境复杂、数据量较大的情况下时，就缺乏一种保护措施，来保证数据传输的可靠性。
本文给出一种方式，采用双通路CAN总线冗余消息处理来传输数据，通过在CAN消息的发送端增加缓存机制和进行冗余备份，在接收端采用查重过滤机制来完成对数据信息处理。
二、解决思路
1.应用场景网络结构图
网络结构图中节点表示各单机设备，各节点设备通过CAN总线网络组网，采用CAN1和CAN2双总线组网机制。本文以一些重要场合为实施应用场景，通过CAN总线线缆网，对各节点设备ID分配采用互斥性设计，需保持其唯一性。各节点与各节点之间通过CAN通讯协议，以实现对各节点之间的信息通讯与控制。
CAN总线是一个广播通用通道，各类信息均在总线上传输，为了避免无关信息对各执行节点产生干扰，各节点单机必须对CAN总线节点信息进行过滤处理，只响应与本节点相关信息。单机节点在收到控制信息后，无论信息来自哪条总线，首先确认是否为重复信息，如果不是重复信息则执行动作。
2.数据发送流程
设备节点发送CAN信息处理过程 ，如下图所示。
某节点需要向外发送CAN消息时，将发送的CAN消息先存入CAN1和CAN2消息FIFO队列中，然后在主函数main()中设置while()循环，通过不间断查询方式判断CAN发送邮箱是否有空闲的（CAN发送邮箱有3个，且每个邮箱只能装一个报文）。若有空邮箱，则划出一条CAN消息从FIFO队列中出栈进入CAN发送邮箱中，等待发送；若发送邮箱都被占用，则等待下一次主循环判断CAN发送邮箱是否有空闲。设置每个邮箱优先级相同，消息依次发送，发送成功后将当前被占用的邮箱置空，等待接收CAN信息，此时CAN消息已发送CAN1和CAN2总线上；发送失败后，不设置丢弃此信息，邮箱被继续占用等待下一次发送（即CAN总线上负载率不高时）。
解释说明：将某节点向外发送CAN的消息先存入FIFO队列中，这个是对于大系统，即节点设备较多或数据量较大的情况下必须使用的，为防止某时刻CAN总线上负载率高时CAN消息丢失，对于简单系统，2、3个节点设备或少数据量的不需要存入FIFO缓存队列中，直接放入CAN发送邮箱使用。
3.数据接收流程
设备节点接收CAN信息处理过程 ，如下图所示。
总线上有数据时，设备节点通过CAN接收中断触发，接收到有效报文，被存储在3级邮箱深度的FIFO中。只要接收到有效报文时，接收回调函数会被调用，应用程序通过读取FIFO输出邮箱，来读取FIFO中最先收到的报文，等这个读完之后，才能读下一个报文。读取报文数据时，通过判断CAN句柄指针地址，判断是CAN1地址区接受的数据还是CAN2。然后对读取到的报文数据进行解析和检查是否是新消息，防止CAN1、CAN2总线上的重复消息，避免二次执行；对收到数据ID与缓存队列2中的数据ID依次进行对别，当前收到的数据ID的时间点与缓存队列2中的数据ID时间戳在8毫秒内，且二者ID相同则认为时重复消息，当丢弃此消息；若收到数据ID的时间点与缓存队列2中数据ID时间戳大于8毫秒或者二者ID不相同时，则认为时新消息，当把此消息放入缓存队列1作消息预处理使用，同时此消息ID和此消息时间戳放入缓存队列2，作判重使用。
解释说明：接收邮箱FIFO完全由硬件来管理，从而节省了CPU的处理负荷，简化了软件并保证了数据的一致性。8毫秒内判断是否为新消息，此8毫秒规定是基于系统CAN总线上最短发数周期和线路延时。
4.用到的模块
为实现上述流程图，所用到的模块有。
1.CAN网络速率及时间片分配
为保证总线为负载较低，总线速率设定为500Kbps，要求各单机节点的时钟晶振为8MHz的整数倍，时间片分配方案如下表所示。
| 位速率 | 每位时间片数 | 时间片分配 | ||
| 同步段 | 传播段+相位缓冲段1 | 相位缓冲段2 | ||
| 500Kbps | 10 | 1 | 5 | 4 |
注：位时间tBit=1s/500kbps=2000ns/bit；晶振时钟周期T=1s/8MHz=125ns。
2.CAN网络消息ID组成
CAN总线通讯采用CAN2.0B标准的扩展帧格式，29位标识符组成定义见表2。不遵循此规范的ID为非法指令，终端节点应予以丢弃或上报异常。总线上各节点单机在处理相应的消息时，采用：“消息代号（D26～D22）”+“消息源设备（D21～D16）”+“消息目的（D15～D10）”三者结合的方式来判断是否该类型的消息。
| D28～D27 | D26～D22 | D21～D16 | D15～D10 | D9～D8 | D7～D0 |
| 消息优先级类型 | 消息代号 | 消息源 设备ID | 消息目的设备ID | 用于传输的总线编号 | 可用于传输数据或数据帧内编号 |
| 00-重要控制 01-一般控制 10-重要测试 11-一般测试 | 0~31 由总线协议确定 | 0~63 由实际终端节点情况确定 | 0~63 由实际终端节点情况确定 | 00-CAN1 01-CAN2 | 0~255 由待传输的数据量决定 |
3.设备节点定义
CAN1总线和CAN2总线内部设备节点的ID分配采用互斥性设计，需保持其唯一性。节点ID定义见下表。
| ID | 设备含义 |
| 000001 (1) | 设备节点1 |
| 000010 (2) | 设备节点2 |
| 000011 (3) | 设备节点3 |
| … | … |
4.数据格式说明
协议消息组织与传输以字节为单位进行，在多字节传输时，CAN总线先发送低字节后发送高字节；例如，如发送0x12AB，则先发送0xAB，再发送0x12。在每个字节8个bit中，则先发送高位，再发送低位。
字节号定义：
位序号定义：
消息内各数据类型如下表所示。
| 序号 | 数据类型对照 | 本文 标注 | 对应C/C++语言（32位机器） | 用途 |
| 1 | 布尔型 | BOOL | bool，unsigned char | 表示bool型逻辑变量 |
| 2 | 单字节有符号整数 | I8 | char | 表示-128～+127的整数 |
| 3 | 单字节无符号整数 | U8 | unsigned char | 表示0～255的整数，或者ASCII字符 |
| 4 | 双字节有符号整数 | I16 | short | 表示-32768～+32767的整数 |
| 5 | 双字节无符号整数 | U16 | unsigned short | 表示0～65535的整数 |
| 6 | 四字节有符号整数 | I32 | int | 表示-2147483648～2147483647的整数 |
| 7 | 四字节无符号整数 | U32 | unsigned int | 表示0～4294967295的整数 |
| 8 | 单精度浮点数 | F32 | float | IEEE-754标准 |
| 9 | 双精度浮点数 | F64 | double | IEEE-754标准 |
5.消息格式说明
CAN消息根据待传输的有效数据长度，由一个或多个CAN总线数据帧完成传输。组成一条消息的不同数据帧拥有相同的消息代号，数据帧编号从0开始依次增长。消息说明的格式如下表所示。
| 消息名称 | 消息格式说明 | 版 本 | 版本号 | |||||||
| 信 源 | 信息发送方 | 信 宿 | 信息接收方 | |||||||
| 消息优先级 | 紧急控制、一般测试等 | 消息代号 | 节点间通信的唯一消息代号 | |||||||
| 数据长度 | 实际使用的字节数 | 总线网络 | 传输时使用的总线网络 | |||||||
| 发送频率 | 发送周期或事件条件 | 转发情况 | 明确是否转发 | |||||||
| 消息ID | 总线数据帧的标识符（二进制和十六进制形式） | |||||||||
| 数据内容信息 | ||||||||||
| 帧序号 | 名 称 | 数据类型 | 长度 | 值域 | 含义 | |||||
| 0~255 | 数据内容名称 | int、float等类型 | 字节数 | 取值范围 | 数据的物理意义 | |||||
| 附 注 | 1.所有的总线消息均依据此格式进行规定和说明； 2.有数据内容以字节为基本单位，并遵循约定的存储方式。 | |||||||||
6.FIFO队列
队列是一种先进先出（FIFO）的线性表，它只允许在表的一端插入元素，另一端删除元素。其中，允许插入的一端称为队尾（rear），允许删除的一端称为队头（front）。a[1]为队头元素，a[5]为队尾元素。最早进入队列的元素也会最早出来，只有当最先进入队列的元素都出来以后，后进入的元素才能退出。循环FIFO队列示意图如下。
7.CAN发送流程
主程序查询到发送邮箱有空闲状态的，选择1个空闲邮箱（Freelevel=1）将一帧CAN数据填充进去，将此空闲邮箱状态设置为繁忙（Freelevel=0），并设置CAN数据长度和发送数据位，然后将此邮箱请求预定（此处每个邮箱优先级相同），邮箱被预定发送后，等待总线空闲，发送成功后，邮箱置空，若发送失败，返回预定发送。整个CAN发送流程如下图所示。
注：CAN发送流程图中，实线表示单个邮箱执行流程；可强制执行和发送失败处虚线表示程序可设置，而未设置执行。
8.CAN接收流程
CAN接收到的有效报文，被存储在3级邮箱深度的FIFO中。CAN接收流程为：FIFO为空时，收到有效报文存入邮箱1（存入FIFO的一个邮箱，这个由硬件控制，我们不需要理会），收到有效报文存入邮箱2，收到有效报文存入邮箱3，在收到有效报文时溢出。这个流程里面，我们没有考虑从FIFO读出报文的情况，实际情况是，我们必须在FIFO溢出之前，读出至少1个报文，否则下个报文到来，将导致FIFO溢出，从而出现报文丢失。每读出1个报文，相应的邮箱就置空，直到FIFO空。CAN接收流程如下图所示。
9.节点CAN消息冗余过滤原则
在整个CAN总线网络中，通过CAN总线设备节点的标识符过滤功能，利用消息帧ID的D10～D15是否与本设备节点编号一致来过滤无关消息。各节点单机必须对CAN总线节点信息进行过滤处理，只响应与本节点相关信息。
10.节点CAN消息冗余过滤机制
为保证CAN总线消息可靠性，部分CAN数据帧采用了双总线通道（CAN1总线和CAN1总线）同时发送的策略，各节点单机在接收CAN消息数据时，需要过滤以上冗余信息，具体过滤机制建议如下：
- 对于来自不同总线通道（CAN1总线、CAN2总线）且ID相同（这里指除了总线编号（D9～D8）之外的ID信息）进行冗余过滤；
- 过滤时间门限建议设置为8ms，即8ms内的相同消息只取一条；
- 对于同一总线通道的CAN消息不进行过滤；
- 过滤后的有效CAN消息才进入接收队列进行后续处理。
5.工程化实现
上面给出的一种双通路CAN总线消息备份冗余处理方法，实现思路及过程已讲述清楚，这里给出其C语言工程化实现的关键代码，详细工程代码见文末链接处。
//消息滤波处理结构
typedef struct
{
CAN_EXT_ID ID[MAX_ID_CHECK_LIST]; // 消息ID
unsigned int RecvTime[MAX_ID_CHECK_LIST]; // 收到的时间
unsigned char ListIndex;
}CAN_Msgs_Recv_Time;
static CAN_Msgs_Recv_Time RecvIDList = {0};
/**
* @brief 检查是新消息 还是两条总线上重发的消息
此函数在中断处使用
* @param CAN_EXT_ID: CAN帧的扩展ID定义
* @retval 无
*/
//
uint8_t Is_New_CAN_Msg(CAN_EXT_ID ID)
{
uint8_t bRet = 1; // 新消息
//if((ID.s.res&STD_CAN_MSG) != STD_CAN_MSG) // 仅对扩展帧进行重复帧筛选
{
for(int i = 0; i < MAX_ID_CHECK_LIST; i++)
{
// 两个消息ID相同 且接收的时间间隔小于8ms则认为是重复消息
if((ID_IGNORE_CAN_BUS(RecvIDList.ID[i].id) == ID_IGNORE_CAN_BUS(ID.id)) && (g_1msTick - RecvIDList.RecvTime[i]) <= 8) {
//仅屏蔽不同总线的can消息
if(RecvIDList.ID[i].s.res != ID.s.res) {
bRet = 0;
break;
}
}
}
// 新消息 写入队列
if(bRet == 1) {
RecvIDList.ListIndex = ((RecvIDList.ListIndex+1) >= MAX_ID_CHECK_LIST)?0:RecvIDList.ListIndex+1;
RecvIDList.ID[RecvIDList.ListIndex].id = ID.id;
RecvIDList.RecvTime[RecvIDList.ListIndex] = g_1msTick;
}
}
return bRet;
}总结
下面提供的代码，基于STM32F407ZGT芯片编写，可直接在原子开发板上运行，也可运行在各工程项目上，但需要注意各接口以及相应的引脚应和原子开发板上保持一致。
相应的代码链接：单片机STM32F407-Case程序代码例程-CSDN文库
