便攜式煤礦井下CAN總線分析儀的設計與實現

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、經濟性優等優勢，被廣泛應用在煤礦安全監控系統、電力監控系統、風機監控系統、采掘設備電液控制等系統中。井下這些CAN總線系統具有設備節點多、傳輸距離長、網絡拓撲結構復雜等特點，往往出現通訊時通時斷、丟包、數據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，實現井下CAN總線系統的安裝、調試與維護。然而這種方式不但攜帶不便，且只能對底層數據進行采集和顯示，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。

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，實現對煤礦井下CAN2.0 協議下的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，提升總線網絡的合理性與可靠性[1]，保障煤礦安全生產有重要現實意義。

1 CAN總線分析檢測原理

1.1 總線工作狀態

由于CAN傳輸的CRC校驗機制，保證了通信錯誤不會被CAN節點接收，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計，定量的評價總線狀態。

CAN總線具有嚴格的錯誤診斷功能，完全由硬件通過發送錯誤計數器（CAN_ESR寄存器里的TEC域）和接收錯誤計數器（CAN_ESR寄存器里的REC域）來實現[3]，其值根據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，錯誤計數器按1或8遞增，每次成功接收后，錯誤計數器按1遞減。通過程序讀取錯誤計數器的值來記錯誤幀數并判斷CAN總線的當前狀態[4]，不同錯誤狀態對應不同的處理機制。CAN節點的狀態轉換圖如圖1。

圖1 CAN節點狀態轉換圖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計，計算出CAN總線的通信成功率，來量化分析總線狀態的好壞，總線狀態分析結果見表1。

表1 總線狀態分析結果Table1 Bus state analysis results

1.2 總線流量

CAN總線是半雙工通訊，有優先級的區分，為防止高優先級一直占用總線發生堵塞現象，控制流量對保證CAN總線網絡健康有著重要的作用。總線利用率是總線上所有節點在單位時間內發送的所有數據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節點發送的單幀報文BIT總數；Ki為每秒鐘不同CAN節點的發送報文次數；T為每秒鐘理論上所能傳輸的BIT總數。

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

式中：Zg為實際報文數據幀的BIT總數；Zy為幀間隔的BIT總數。

根據CAN協議的規定，Zy都是3個BIT，Zg由幀類型和數據長度共同確定。如當數據長度是8個字節，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計，根據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[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發送報文后，在一定時間內檢測到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，根據波特率表切換到下一波特率繼續檢測，直至波特率匹配成功。CAN總線分析儀采用在發送端處理波特率協商，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總線數據的采集分析并顯示。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路經低壓差LDO TPS76933轉換成3.3V，給ARM及其相關外設供電，另1路經FP6276B升壓至5V給液晶屏供電。ARM STM32F429內置CAN控制器，接CAN隔離收發模塊TD301DCAN實現CAN總線的驅動電平轉換與保護，并監聽總線上的報文數據。A/D電路采集CAN總線的電壓，監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用來存儲參數配置信息與歷史報文。

CAN總線通信電路圖如圖3。ARM STM32F429內置的CAN控制器發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收發模塊TD301DCAN，實現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，采用EC19040302-V06-362B專用電子開關芯片，電源鍵觸發芯片5腳，進而控制PMOS管AO3401A的通斷，實現短按開機，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，采用國產專用電量計芯片CW2015，由2引腳VCELL持續監測電池在充電/放電狀態下的電壓，結合電池建模信息，實現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，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，用以給組態液晶屏供電，液晶屏根據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，程序模塊化設計，系統對ARM時鐘、CAN、UART、SPI、I2C、A/D等硬件資源進行初始化及參數的配置，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聽狀態，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、報文監聽、工作狀態分析、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并入總線監聽，傳感器1s發送1次，主動給分站上傳報文，分站定時給傳感器下發指令。

分別調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。

對報文進行監聽，查看報文顯示窗口，便攜式分析儀接收的報文幀ID、數據、幀類型與CANScope-Pro一致。監聽一段時間后，查看報文傳輸成功率，進行總線工作狀態分析實驗。傳輸成功率與錯誤檢測數量，便攜分析儀與CANScope-Pro統計結果一致。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，在突發情況下進行數據傳輸，不會發生擁堵。

經試驗，便攜式CAN總線分析儀滿足礦方對CAN總線設備安裝調試、快速排查解決總線故障，提升總線網絡可靠性的需求，并可為監察人員對設備通信協議格式的檢查提供依據。

5 結 語

分析了實現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CAN總線狀態、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。滿足了現場對CAN總線調試的需求，提升了CAN總線網絡的合理性與可靠性，保障了井下各CAN總線系統的安全穩定運行，符合智慧礦山建設的發展需要。