黃增波

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京100013）

隨著煤礦智能化、信息化升級改造進程的加快，CAN總線以其實時性強、可靠性好、標準化程度高、經(jīng)濟性優(yōu)等優(yōu)勢，被廣泛應用在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、風機監(jiān)控系統(tǒng)、采掘設備電液控制等系統(tǒng)中。井下這些CAN總線系統(tǒng)具有設備節(jié)點多、傳輸距離長、網(wǎng)絡拓撲結構復雜等特點，往往出現(xiàn)通訊時通時斷、丟包、數(shù)據(jù)延遲等總線通訊問題。目前普遍使用USBCAN適配卡與筆記本電腦相連的方式，實現(xiàn)井下CAN總線系統(tǒng)的安裝、調(diào)試與維護。然而這種方式不但攜帶不便，且只能對底層數(shù)據(jù)進行采集和顯示，不具備對CAN總線的分析和故障診斷功能。面對上述復雜的總線問題時，USBCAN適配卡就有較大的局限性，無法及時判斷故障原因或故障點，故障排查與解決往往費時費力，嚴重影響煤礦安全生產(chǎn)。

鑒于此，基于CAN總線分析理論，研究設計了一種輕巧、易于操控的智能便攜式CAN總線分析儀手持終端，實現(xiàn)對煤礦井下CAN2.0 協(xié)議下的CAN總線報文解析、顯示與存儲，波特率的自識別，CAN總線質量分析與故障診斷。對快速排查及解決總線故障，提升總線網(wǎng)絡的合理性與可靠性[1]，保障煤礦安全生產(chǎn)有重要現(xiàn)實意義。

1 CAN總線分析檢測原理

1.1 總線工作狀態(tài)

由于CAN傳輸?shù)腃RC校驗機制，保證了通信錯誤不會被CAN節(jié)點接收，但錯誤的報文會占用總線時間，導致正確的報文延時或者總線堵塞[2]。因此，可以通過對總線傳輸錯誤的統(tǒng)計，定量的評價總線狀態(tài)。

CAN總線具有嚴格的錯誤診斷功能，完全由硬件通過發(fā)送錯誤計數(shù)器（CAN_ESR寄存器里的TEC域）和接收錯誤計數(shù)器（CAN_ESR寄存器里的REC域）來實現(xiàn)[3]，其值根據(jù)CAN標準所定義的錯誤狀況增加或減少。如接收期間檢測到錯誤，錯誤計數(shù)器按1或8遞增，每次成功接收后，錯誤計數(shù)器按1遞減。通過程序讀取錯誤計數(shù)器的值來記錯誤幀數(shù)并判斷CAN總線的當前狀態(tài)[4]，不同錯誤狀態(tài)對應不同的處理機制。CAN節(jié)點的狀態(tài)轉換圖如圖1。

圖1 CAN節(jié)點狀態(tài)轉換圖Fig.1 CAN node status transition diagram

CAN錯誤的類型通過讀取CAN錯誤狀態(tài)寄存器CAN_ESR的LEC域的值進行判斷。LEC的值由硬件更新，其值從0到6的含義依次為無錯誤、填充錯誤、格式錯誤、確認（ACK）錯誤、位隱性錯誤、位顯性錯誤、CRC錯誤[5]。

通過程序對接收的正確幀與錯誤幀進行累計統(tǒng)計，計算出CAN總線的通信成功率，來量化分析總線狀態(tài)的好壞，總線狀態(tài)分析結果見表1。

表1 總線狀態(tài)分析結果Table1 Bus state analysis results

1.2 總線流量

CAN總線是半雙工通訊，有優(yōu)先級的區(qū)分，為防止高優(yōu)先級一直占用總線發(fā)生堵塞現(xiàn)象，控制流量對保證CAN總線網(wǎng)絡健康有著重要的作用?？偩€利用率是總線上所有節(jié)點在單位時間內(nèi)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)占整個總線理論帶寬的比值[6]，是流量分析的重要指標，其計算公式如式（1）。

式中：R為總線利用率；Zi為每秒鐘不同CAN節(jié)點發(fā)送的單幀報文BIT總數(shù)；Ki為每秒鐘不同CAN節(jié)點的發(fā)送報文次數(shù)；T為每秒鐘理論上所能傳輸?shù)腂IT總數(shù)。

對確定了波特率的CAN總線，T值恒定，Ki由程序中斷統(tǒng)計，Zi由程序統(tǒng)計，總線流量Z通過式（2）計算確定。

式中：Zg為實際報文數(shù)據(jù)幀的BIT總數(shù)；Zy為幀間隔的BIT總數(shù)。

根據(jù)CAN協(xié)議的規(guī)定，Zy都是3個BIT，Zg由幀類型和數(shù)據(jù)長度共同確定。如當數(shù)據(jù)長度是8個字節(jié)，標準幀時Zg為108個BIT，擴展幀時Zg為128個BIT[7]。

CAN總線分析儀可對總線最大瞬時利用率和總線平均利用率進行統(tǒng)計，根據(jù)實際運行情況建立總線評估模型對總線流量進行分析，總線利用率分析結果見表2。

表2 總線利用率分析結果Table2 Bus utilization analysis results

1.3 總線波特率自識別

波特率自識別采用標準波特率固定值列表遍歷的方法實現(xiàn)[8]。將多種標準波特率值預存在ARM里，從最低波特率開始設置初始值，在ARM發(fā)送報文后，在一定時間內(nèi)檢測到CAN_ESR寄存器中的EPVF位或CAN_IER寄存器的ERRI位是否為1，如果都不為1，則表明波特率匹配成功，如果有1個為1，則表明波特率匹配失敗，復位CAN寄存器，根據(jù)波特率表切換到下一波特率繼續(xù)檢測，直至波特率匹配成功。CAN總線分析儀采用在發(fā)送端處理波特率協(xié)商，比在接收端處理。提升了波特率檢測和切換的時間。

2 CAN總線分析儀硬件

便攜式CAN總線分析儀以ARM主控器STM32F429為設計核心，模塊化結構設計，本質安全型電路。主要由USB電路、鋰電池充電管理電路、鋰電池電量計電路、電源轉換電路、CAN總線收發(fā)電路、液晶屏顯示電路、A/D采集電路、Flash存儲電路、按鍵輸入電路等組成。CAN分析儀硬件總體結構圖如圖2。

圖2 CAN分析儀硬件總體結構圖Fig.2 Hardware general structure diagram of CAN bus analyzer

ARM STM32F429是便攜式CAN總線分析儀的處理核心，負責對CAN總線數(shù)據(jù)的采集分析并顯示。分析儀由6Ah鋰電池供電，采用USB口充電，由CS0301組成充電管理電路對鋰電池進行充電控制與保護。采用專用鋰電池電量計芯片CW2015實現(xiàn)對鋰電池的剩余電量、剩余工作時間的準確計量，通過I2C總線傳給ARM處理并顯示，電源轉換電路將鋰電池電壓分成2路，1路經(jīng)低壓差LDO TPS76933轉換成3.3V，給ARM及其相關外設供電，另1路經(jīng)FP6276B升壓至5V給液晶屏供電。ARM STM32F429內(nèi)置CAN控制器，接CAN隔離收發(fā)模塊TD301DCAN實現(xiàn)CAN總線的驅動電平轉換與保護，并監(jiān)聽總線上的報文數(shù)據(jù)。A/D電路采集CAN總線的電壓，監(jiān)測總線上的幅值變化。ARM將采集到的CAN總線報文、鋰電池信息、輸入的操作命令等進行分析處理，通過UART傳給液晶屏實時顯示。Flash用來存儲參數(shù)配置信息與歷史報文。

CAN總線通信電路圖如圖3。ARM STM32F429內(nèi)置的CAN控制器發(fā)送和接收引腳接入集總線隔離與ESD保護于一體的金升陽CAN收發(fā)模塊TD301DCAN，實現(xiàn)CAN信號驅動電平的轉換與保護[9]。通過共模電感L3，雙向瞬態(tài)抑制二極管D10、放電管GDT1等保護器件的共同作用，達到了浪涌（沖擊）抗擾度3級A，脈沖群抗擾度4級A的標準。

圖3 CAN總線通信電路圖Fig.3 CAN bus communication circuit diagram

分析儀一鍵開關機電路圖如圖4。分析儀作為一種便攜式的手持設備，其操控的簡單方便性是其重要體現(xiàn)，采用EC19040302-V06-362B專用電子開關芯片，電源鍵觸發(fā)芯片5腳，進而控制PMOS管AO3401A的通斷，實現(xiàn)短按開機，長按關機。

圖4 一鍵開關機電路圖Fig.4 One key switch circuit diagram

分析儀鋰電池電量計算電路如圖5。電池電量信息是便攜設備的重要參考，采用國產(chǎn)專用電量計芯片CW2015，由2引腳VCELL持續(xù)監(jiān)測電池在充電/放電狀態(tài)下的電壓，結合電池建模信息，實現(xiàn)對鋰電池剩余電池電量、剩余工作時間的準確計算[10]，誤差在3%以內(nèi)，通過I2C總線將電池計算結果傳給ARM。

圖5 鋰電池電量計電路Fig.5 Lithium battery capacity measurement circuit diagram

分析儀電源升壓電路如圖6。升壓電路將鋰電池電壓升壓至5V，用以給組態(tài)液晶屏供電，液晶屏根據(jù)功能進行縱屏或橫屏顯示。

圖6 電源升壓電路Fig.6 Power boost circuit diagram

3 CAN總線分析儀軟件

CAN總線分析儀程序流程圖如圖7。

圖7 CAN總線分析儀程序流程圖Fig.7 Process flow chart of CAN bus analyzer

分析儀采用RT-Thread實時操作系統(tǒng)，程序模塊化設計，系統(tǒng)對ARM時鐘、CAN、UART、SPI、I2C、A/D等硬件資源進行初始化及參數(shù)的配置，先對總線上的波特率進行自識別，匹配成功后后進入總線監(jiān)聽狀態(tài)，接收總線上的報文，等待按鍵操作選擇進入相應的總線分析功能模塊，各功能模塊根據(jù)CAN總線分析理論進行測量和計算，將結果實時顯示在液晶屏上。

4 試驗測試

CAN總線試驗示意圖如圖8

圖8 CAN總線試驗示意圖Fig.8 Sketch diagram of CAN bus experiment

對便攜式CAN總線分析儀進行波特率自識別、報文監(jiān)聽、工作狀態(tài)分析、總線利用率測試，來驗證便攜式CAN分析儀的有效性和準確性。用廣州周立功公司的專業(yè)版CAN總線分析儀CANScope-Pro作為驗證標準儀器。6個CAN傳感器和1個CAN分站接入CAN總線，便攜分析儀和CANScope并入總線監(jiān)聽，傳感器1s發(fā)送1次，主動給分站上傳報文，分站定時給傳感器下發(fā)指令。

分別調(diào)整傳感器和分站的波特率為5、10、80、125kbps，進行波特率自識別實驗，便攜式CAN分析儀均能正確識別波特率。

對報文進行監(jiān)聽，查看報文顯示窗口，便攜式分析儀接收的報文幀ID、數(shù)據(jù)、幀類型與CANScope-Pro一致。監(jiān)聽一段時間后，查看報文傳輸成功率，進行總線工作狀態(tài)分析實驗。傳輸成功率與錯誤檢測數(shù)量，便攜分析儀與CANScope-Pro統(tǒng)計結果一致。報文傳輸成功率在99.93 %，錯誤率極低，說明總線工作狀態(tài)良好。

進行總線流量分析，計算總線利用率，便攜式CAN總線分析儀計算結果18.34 %，與CANScope-Pro監(jiān)測的19.51 %基本吻合。從試驗可以看出總線留有充足的裕量，在突發(fā)情況下進行數(shù)據(jù)傳輸，不會發(fā)生擁堵。

經(jīng)試驗，便攜式CAN總線分析儀滿足礦方對CAN總線設備安裝調(diào)試、快速排查解決總線故障，提升總線網(wǎng)絡可靠性的需求，并可為監(jiān)察人員對設備通信協(xié)議格式的檢查提供依據(jù)。

5 結 語

分析了實現(xiàn)CAN總線分析的檢測原理，通過研究CAN總線報文錯誤處理機制，根據(jù)CAN總線狀態(tài)、流量、幅值等性能指標參量建立CAN總線質量評估模型。以ARM為核心，從硬件及程序設計2個方面，設計了一種基于CAN總線分析原理的的便攜式CAN總線分析儀。測試結果表明，便攜式CAN分析儀實現(xiàn)了CAN報文的解析、顯示與存儲，總線定量分析與故障偵測準確。滿足了現(xiàn)場對CAN總線調(diào)試的需求，提升了CAN總線網(wǎng)絡的合理性與可靠性，保障了井下各CAN總線系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，符合智慧礦山建設的發(fā)展需要。