便攜式煤礦井下CAN總線(xiàn)分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃增波

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京100013）

隨著煤礦智能化、信息化升級(jí)改造進(jìn)程的加快，CAN總線(xiàn)以其實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、采掘設(shè)備電液控制等系統(tǒng)中。井下這些CAN總線(xiàn)系統(tǒng)具有設(shè)備節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，往往出現(xiàn)通訊時(shí)通時(shí)斷、丟包、數(shù)據(jù)延遲等總線(xiàn)通訊問(wèn)題。目前普遍使用USBCAN適配卡與筆記本電腦相連的方式，實(shí)現(xiàn)井下CAN總線(xiàn)系統(tǒng)的安裝、調(diào)試與維護(hù)。然而這種方式不但攜帶不便，且只能對(duì)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示，不具備對(duì)CAN總線(xiàn)的分析和故障診斷功能。面對(duì)上述復(fù)雜的總線(xiàn)問(wèn)題時(shí)，USBCAN適配卡就有較大的局限性，無(wú)法及時(shí)判斷故障原因或故障點(diǎn)，故障排查與解決往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。

鑒于此，基于CAN總線(xiàn)分析理論，研究設(shè)計(jì)了一種輕巧、易于操控的智能便攜式CAN總線(xiàn)分析儀手持終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下CAN2.0 協(xié)議下的CAN總線(xiàn)報(bào)文解析、顯示與存儲(chǔ)，波特率的自識(shí)別，CAN總線(xiàn)質(zhì)量分析與故障診斷。對(duì)快速排查及解決總線(xiàn)故障，提升總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的合理性與可靠性[1]，保障煤礦安全生產(chǎn)有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 CAN總線(xiàn)分析檢測(cè)原理

1.1 總線(xiàn)工作狀態(tài)

由于CAN傳輸?shù)腃RC校驗(yàn)機(jī)制，保證了通信錯(cuò)誤不會(huì)被CAN節(jié)點(diǎn)接收，但錯(cuò)誤的報(bào)文會(huì)占用總線(xiàn)時(shí)間，導(dǎo)致正確的報(bào)文延時(shí)或者總線(xiàn)堵塞[2]。因此，可以通過(guò)對(duì)總線(xiàn)傳輸錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)，定量的評(píng)價(jià)總線(xiàn)狀態(tài)。

CAN總線(xiàn)具有嚴(yán)格的錯(cuò)誤診斷功能，完全由硬件通過(guò)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（CAN_ESR寄存器里的TEC域）和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（CAN_ESR寄存器里的REC域）來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]，其值根據(jù)CAN標(biāo)準(zhǔn)所定義的錯(cuò)誤狀況增加或減少。如接收期間檢測(cè)到錯(cuò)誤，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器按1或8遞增，每次成功接收后，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器按1遞減。通過(guò)程序讀取錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值來(lái)記錯(cuò)誤幀數(shù)并判斷CAN總線(xiàn)的當(dāng)前狀態(tài)[4]，不同錯(cuò)誤狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的處理機(jī)制。CAN節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖1。

圖1 CAN節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.1 CAN node status transition diagram

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

通過(guò)程序?qū)邮盏恼_幀與錯(cuò)誤幀進(jìn)行累計(jì)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出CAN總線(xiàn)的通信成功率，來(lái)量化分析總線(xiàn)狀態(tài)的好壞，總線(xiàn)狀態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 總線(xiàn)狀態(tài)分析結(jié)果Table1 Bus state analysis results

1.2 總線(xiàn)流量

CAN總線(xiàn)是半雙工通訊，有優(yōu)先級(jí)的區(qū)分，為防止高優(yōu)先級(jí)一直占用總線(xiàn)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，控制流量對(duì)保證CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)健康有著重要的作用?？偩€(xiàn)利用率是總線(xiàn)上所有節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)占整個(gè)總線(xiàn)理論帶寬的比值[6]，是流量分析的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如式（1）。

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

對(duì)確定了波特率的CAN總線(xiàn)，T值恒定，Ki由程序中斷統(tǒng)計(jì)，Zi由程序統(tǒng)計(jì)，總線(xiàn)流量Z通過(guò)式（2）計(jì)算確定。

式中：Zg為實(shí)際報(bào)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(gè)BIT，Zg由幀類(lèi)型和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度共同確定。如當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是8個(gè)字節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)幀時(shí)Zg為108個(gè)BIT，擴(kuò)展幀時(shí)Zg為128個(gè)BIT[7]。

CAN總線(xiàn)分析儀可對(duì)總線(xiàn)最大瞬時(shí)利用率和總線(xiàn)平均利用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況建立總線(xiàn)評(píng)估模型對(duì)總線(xiàn)流量進(jìn)行分析，總線(xiàn)利用率分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 總線(xiàn)利用率分析結(jié)果Table2 Bus utilization analysis results

1.3 總線(xiàn)波特率自識(shí)別

波特率自識(shí)別采用標(biāo)準(zhǔn)波特率固定值列表遍歷的方法實(shí)現(xiàn)[8]。將多種標(biāo)準(zhǔn)波特率值預(yù)存在ARM里，從最低波特率開(kāi)始設(shè)置初始值，在ARM發(fā)送報(bào)文后，在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)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(gè)為1，則表明波特率匹配失敗，復(fù)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(cè)，直至波特率匹配成功。CAN總線(xiàn)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(cè)和切換的時(shí)間。

2 CAN總線(xiàn)分析儀硬件

便攜式CAN總線(xiàn)分析儀以ARM主控器STM32F429為設(shè)計(jì)核心，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本質(zhì)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(jì)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、CAN總線(xiàn)收發(fā)電路、液晶屏顯示電路、A/D采集電路、Flash存儲(chǔ)電路、按鍵輸入電路等組成。CAN分析儀硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 CAN分析儀硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware general structure diagram of CAN bus analyzer

ARM STM32F429是便攜式CAN總線(xiàn)分析儀的處理核心，負(fù)責(zé)對(duì)CAN總線(xiàn)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(duì)鋰電池進(jìn)行充電控制與保護(hù)。采用專(zhuān)用鋰電池電量計(jì)芯片CW2015實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的剩余電量、剩余工作時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)量，通過(guò)I2C總線(xiàn)傳給ARM處理并顯示，電源轉(zhuǎn)換電路將鋰電池電壓分成2路，1路經(jīng)低壓差LDO TPS76933轉(zhuǎn)換成3.3V，給ARM及其相關(guān)外設(shè)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(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換與保護(hù)，并監(jiān)聽(tīng)總線(xiàn)上的報(bào)文數(shù)據(jù)。A/D電路采集CAN總線(xiàn)的電壓，監(jiān)測(cè)總線(xiàn)上的幅值變化。ARM將采集到的CAN總線(xiàn)報(bào)文、鋰電池信息、輸入的操作命令等進(jìn)行分析處理，通過(guò)UART傳給液晶屏實(shí)時(shí)顯示。Flash用來(lái)存儲(chǔ)參數(shù)配置信息與歷史報(bào)文。

CAN總線(xiàn)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(xiàn)隔離與ESD保護(hù)于一體的金升陽(yáng)CAN收發(fā)模塊TD301DCAN，實(shí)現(xiàn)CAN信號(hào)驅(qū)動(dòng)電平的轉(zhuǎn)換與保護(hù)[9]。通過(guò)共模電感L3，雙向瞬態(tài)抑制二極管D10、放電管GDT1等保護(hù)器件的共同作用，達(dá)到了浪涌（沖擊）抗擾度3級(jí)A，脈沖群抗擾度4級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 CAN總線(xiàn)通信電路圖Fig.3 CAN bus communication circuit diagram

分析儀一鍵開(kāi)關(guān)機(jī)電路圖如圖4。分析儀作為一種便攜式的手持設(shè)備，其操控的簡(jiǎn)單方便性是其重要體現(xiàn)，采用EC19040302-V06-362B專(zhuān)用電子開(kāi)關(guān)芯片，電源鍵觸發(fā)芯片5腳，進(jìn)而控制PMOS管AO3401A的通斷，實(shí)現(xiàn)短按開(kāi)機(jī)，長(zhǎng)按關(guān)機(jī)。

圖4 一鍵開(kāi)關(guān)機(jī)電路圖Fig.4 One key switch circuit diagram

分析儀鋰電池電量計(jì)算電路如圖5。電池電量信息是便攜設(shè)備的重要參考，采用國(guó)產(chǎn)專(zhuān)用電量計(jì)芯片CW2015，由2引腳VCELL持續(xù)監(jiān)測(cè)電池在充電/放電狀態(tài)下的電壓，結(jié)合電池建模信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池剩余電池電量、剩余工作時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)算[10]，誤差在3%以?xún)?nèi)，通過(guò)I2C總線(xiàn)將電池計(jì)算結(jié)果傳給ARM。

圖5 鋰電池電量計(jì)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(jìn)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(xiàn)分析儀軟件

CAN總線(xiàn)分析儀程序流程圖如圖7。

圖7 CAN總線(xiàn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，程序模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)對(duì)ARM時(shí)鐘、CAN、UART、SPI、I2C、A/D等硬件資源進(jìn)行初始化及參數(shù)的配置，先對(duì)總線(xiàn)上的波特率進(jìn)行自識(shí)別，匹配成功后后進(jìn)入總線(xiàn)監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，接收總線(xiàn)上的報(bào)文，等待按鍵操作選擇進(jìn)入相應(yīng)的總線(xiàn)分析功能模塊，各功能模塊根據(jù)CAN總線(xiàn)分析理論進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。

4 試驗(yàn)測(cè)試

CAN總線(xiàn)試驗(yàn)示意圖如圖8

圖8 CAN總線(xiàn)試驗(yàn)示意圖Fig.8 Sketch diagram of CAN bus experiment

對(duì)便攜式CAN總線(xiàn)分析儀進(jìn)行波特率自識(shí)別、報(bào)文監(jiān)聽(tīng)、工作狀態(tài)分析、總線(xiàn)利用率測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證便攜式CAN分析儀的有效性和準(zhǔn)確性。用廣州周立功公司的專(zhuān)業(yè)版CAN總線(xiàn)分析儀CANScope-Pro作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)儀器。6個(gè)CAN傳感器和1個(gè)CAN分站接入CAN總線(xiàn)，便攜分析儀和CANScope并入總線(xiàn)監(jiān)聽(tīng)，傳感器1s發(fā)送1次，主動(dòng)給分站上傳報(bào)文，分站定時(shí)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(jìn)行波特率自識(shí)別實(shí)驗(yàn)，便攜式CAN分析儀均能正確識(shí)別波特率。

對(duì)報(bào)文進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，查看報(bào)文顯示窗口，便攜式分析儀接收的報(bào)文幀ID、數(shù)據(jù)、幀類(lèi)型與CANScope-Pro一致。監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間后，查看報(bào)文傳輸成功率，進(jìn)行總線(xiàn)工作狀態(tài)分析實(shí)驗(yàn)。傳輸成功率與錯(cuò)誤檢測(cè)數(shù)量，便攜分析儀與CANScope-Pro統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。報(bào)文傳輸成功率在99.93 %，錯(cuò)誤率極低，說(shuō)明總線(xiàn)工作狀態(tài)良好。

進(jìn)行總線(xiàn)流量分析，計(jì)算總線(xiàn)利用率，便攜式CAN總線(xiàn)分析儀計(jì)算結(jié)果18.34 %，與CANScope-Pro監(jiān)測(cè)的19.51 %基本吻合。從試驗(yàn)可以看出總線(xiàn)留有充足的裕量，在突發(fā)情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不會(huì)發(fā)生擁堵。

經(jīng)試驗(yàn)，便攜式CAN總線(xiàn)分析儀滿(mǎn)足礦方對(duì)CAN總線(xiàn)設(shè)備安裝調(diào)試、快速排查解決總線(xiàn)故障，提升總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性的需求，并可為監(jiān)察人員對(duì)設(shè)備通信協(xié)議格式的檢查提供依據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

分析了實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)分析的檢測(cè)原理，通過(guò)研究CAN總線(xiàn)報(bào)文錯(cuò)誤處理機(jī)制，根據(jù)CAN總線(xiàn)狀態(tài)、流量、幅值等性能指標(biāo)參量建立CAN總線(xiàn)質(zhì)量評(píng)估模型。以ARM為核心，從硬件及程序設(shè)計(jì)2個(gè)方面，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線(xiàn)分析原理的的便攜式CAN總線(xiàn)分析儀。測(cè)試結(jié)果表明，便攜式CAN分析儀實(shí)現(xiàn)了CAN報(bào)文的解析、顯示與存儲(chǔ)，總線(xiàn)定量分析與故障偵測(cè)準(zhǔn)確。滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)CAN總線(xiàn)調(diào)試的需求，提升了CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的合理性與可靠性，保障了井下各CAN總線(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，符合智慧礦山建設(shè)的發(fā)展需要。