一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法技术

本发明专利技术涉及一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法，包括如下步骤：将多个间隔层设备与CAN通讯网关通过CAN总线连接；所述的CAN通讯网关与外部设备通过低延时PHY以太网口或5G模组连接；所述的低延时是微秒级别延时的连接；所述间隔层设备与CAN通讯网关之间进行通讯时，采用优先级自动转换或智能调整CAN负载率的方法，使得通讯延时低于5ms。本发明专利技术适用标准CAN总线硬件底层协议，针对应用层制定标准协议，通过嵌入CPU软硬件优化，实现“低时延”和“端对端”通讯特性，又能解决“最后一公里通讯”数据高速通讯问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法
本专利技术涉及电子
，具体涉及一种适用通过CAN总线实现5G核心技术之一的“低时延、端对端”方法。
技术介绍
随着工业互联网、物联网技术、5G技术、人工智能等新技术发展，对电力能源领域智能设备数据传输要求越来越高，目前中国5G供应商华为和中兴公司，均解决公共网络建设，低时延和端对端通讯是5G技术指标重要指标之一，5G提出了毫秒级的端到端时延要求，理想情况下端到端时延为1ms，典型端到端时延为5-10ms左右。“低时延和端对端”技术指标是实现电气工业控制、工业互联互通重要指标之一。针对电力二次设备实现“最后一公里通讯”新技术应用，特别针对电气设备终端的互联互通，实现“低时延、端对端”技术特性应用未提供解决方案。“4G改变生活，5G改变世界”，5G真正要改变是工业应用，真正落实到工业，才能真正改变世界。目前工业控制仍然以DCS为主，其主要原因，现场工业控制，需要低时延采集信号，快速决策执行，目前部分总线不满足“低时延”特性，即使5G基础设施通道达到“低时延”特性，但是“最后一公里通讯”通讯解决不了“低时延”，可能成为一个技术瓶颈。“低时延”和“端对端”特性通过“最后一公里通讯”传达到数字仪表、低压测量保护装置、电动机保护器、高压微机保护等，每个电力装备加一个5G模块实现“低时延”和“端对端”特性，这种方案存在经济成本代价太高和技术难题。每个终端加入5G模块，从经济成本分析，目前华为5G工业模组MH5000售价999元，大部分工业互联网厂家方案均购买5G模组件嵌入到相关产品中，对于市场价仅仅几百元～几千元电力数字仪表或者微机保护装置加入5G工业模组模块，实现5G“低时延、端对端”特性，经济成本太高，极难推广。每个终端设备加入5G模块，从技术层面分析，难度也很大、并且有不可靠因素在里面。根据我们现场经验看，许多配电设备安装地下室或者偏远工厂，有时候打电话就没有信号，5G比4G信号频率高，波长更短，穿透性更差，覆盖能力相对更差，5G信号更难覆盖。解决“最后一公里通讯”通讯现场总线方案有好多种，目前行业厂商有现成解决方案：RS485通讯、工业以太网技术、无线NB-IOT和LoRa、PROFIBUS-DP、华为PLC-IoT(电力载波)、DeviceNet等现场总线。这些现场总线均能解决通讯问题，但是针对5G特性：低时延、端对端通讯，均没有提及，也未有解决方案。工业以太网虽然数据量传输可以保证，但是现场不能把设备并联一根通信线连接，对节点较多情况，并且数据量不大设备，布线成本高、二次设备成本也高。PROFIBUS-DP和DeviceNet使用成本高，并且是德国西门子和美国Rockwell公司建立生态通讯平台，无自主知识产权。无线NB-IOT和LoRa通讯，针对工业现场复杂电磁环境和电信服务商信号弱问题，针对工业控制，不可靠，适用于类似电力抄表场合。华为PLC-IoT(电力载波)华为推出解决最后一公里通讯解决方案，但是未见世面产品供应信息。
技术实现思路
本专利技术目的重点为了解决“最后一公里通讯”的“低时延、端对端”通讯的问题，本专利技术通过CAN总线实现“低时延”和“端对端通讯”功能，解决5G物联网设备“低时延”传输到电力设备执行层，此协议CAN总线“低时延”特性，CAN总线协议层数据传输延迟要低于5ms。同时，本专利技术中电力二次设备具备“端对端通讯”能力，可以实现装置之间互联互通，快速打造分布式人工智能系统，去中心化的，快速的，低成本的控制集群思想。本专利技术提出一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法，包括如下步骤：将多个间隔层设备与CAN通讯网关通过CAN总线连接；所述的CAN通讯网关与外部设备通过低延时PHY以太网口或5G模组连接；所述的低延时是指微秒级别的延时；所述间隔层设备与CAN通讯网关之间进行通讯时，采用优先级自动转换或智能调整CAN负载率的方法，使得通讯延时低于5ms。进一步的，所述的优先级自动转换方法包括：首先，装置根据传输数据特性，把功能码ID24～ID28按照优先级先划分1～15共15个优先级；根据功能需求，功能码不同，无论节点的地址高低,优先级最高故障事件数据最先被传输，如果多个设备同时发送故障事件，ID16～ID23是地址码，地址最小的节点最先被传输；间隔层设备上行数据具备优先级自动转换功能，在CAN总线上低优先级的数据，如果发送4次仍然未被传输，未传输后等待1ms，间隔层设备上行数据把优先级位即ID29最高位，由“1”置“0”后，此间隔层设备上行数据优先最高，在第5次或第6次传输数据时候此数据被传输出去。间隔层设备传输数据最多，并且优先级最低，“端对端”和“网关下行”数据优先级最高，但是数据量比较少，所以此两者数据传输不具备优先级反转功能。进一步的，所述的智能调整CAN负载率的方法包括：首先，通讯网关具备负载率统计功能，工程应用布线设计系统时，根据总线平均负载率和极限负载率情况，实时调整总线节点容量，并根据此数据参数调节节点个数，调整后台传输频次措施，保证总线负载率在30％以下；其次，通讯网关根据负载率情况，自动调节间隔层设备数据传输频次，针对遥测量数据传输，间隔层数据更新在1～2秒之间，如果出现负载率高于预定值时候，通讯网关暂停遥测数据传输，保证数据10秒内传输后台即可；最后，自动调整遥测数据主动传输突变量门槛，所述突变量门槛是指变动量百分比预设值，比如额定值是100V如果设置突变设置1％，也就是电压值大于101V或者小于99V,数据才会被传输，间隔层设备遥测量数据传输，根据突变量门槛主动上传，通讯网关会根据负载情况，传输指令，修改间隔层设备自动上传数据传输规则，提高遥测量突变门槛；如果数据波动低于设置门槛情况，通讯网关具备自动核算每个装置传输时间间隔，如果发现间隔层遥测量60秒未传输数据，通讯网关主动向间隔层要一次遥测数据。进一步的，所述CAN总线负载率的计算方法如下：通讯网关采用不过滤CAN总线数据，即通讯网关接收所有CAN总线数据，每次接收到一帧数据后，CAN芯片进入中断，进入中断后读取接收数据，CAN接收中断后，计算接收数据长度，1次中断按照156位计算，使用全局变量计算中断次数，使用一个计时器，计算10秒内共中断次数，按照10秒周期计算一次负载率。进一步的，CAN总线采用“载波侦听多路访问/冲突检测”的非破坏性总线仲裁技术，当间隔层设备节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，优先级高节点不受影响地继续传输数据，节省总线仲裁时间；优先级高数据传输完毕，优先级较低的节点再次主动发送数据；CAN总线上数据传输优先级，根据ID号的决定，总线上ID值越小优先级最高，ID为零，优先级最高，29位全部是1，优先级最低。通讯网关下行ID码是1～255，即间隔层设备地址；间隔层设备“端对端”互联互通采用ID码是257～511，即间隔层地址+256；间隔层设备上行通讯网关数据ID号均大于1677216，即十六进制0x1000000本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法，其特征在于：包括如下步骤：/n将多个间隔层设备与CAN通讯网关通过CAN总线连接；所述的CAN通讯网关与外部设备通过低延时PHY以太网口或5G模组连接；所述的低延时是指微秒级别的延时；/n所述间隔层设备与CAN通讯网关之间进行通讯时，采用优先级自动转换或智能调整CAN负载率的方法，使得通讯延时低于5ms。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法，其特征在于：包括如下步骤：
将多个间隔层设备与CAN通讯网关通过CAN总线连接；所述的CAN通讯网关与外部设备通过低延时PHY以太网口或5G模组连接；所述的低延时是指微秒级别的延时；
所述间隔层设备与CAN通讯网关之间进行通讯时，采用优先级自动转换或智能调整CAN负载率的方法，使得通讯延时低于5ms。


2.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法，其特征在于：所述的优先级自动转换方法包括：
首先，装置根据传输数据特性，把功能码ID24～ID28按照优先级先划分1～15共15个优先级；根据功能需求，功能码不同，无论节点的地址高低，优先级最高故障事件数据最先被传输，如果多个设备同时发送故障事件，ID16～ID23是地址码，地址最小的节点最先被传输；
间隔层设备上行数据具备优先级自动转换功能，在CAN总线上低优先级的数据，如果发送4次仍然未被传输，未传输后等待1ms，间隔层设备上行数据把优先级位即ID29最高位，由“1”置“0”后，此间隔层设备上行数据优先最高，在第5次或第6次传输数据时候此数据被传输出去。


3.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法，其特征在于：所述的智能调整CAN负载率的方法包括：
首先，通讯网关具备负载率统计功能，工程应用布线设计系统时，根据总线平均负载率和极限负载率情况，实时调整总线节点容量，并根据此数据参数调节节点个数，调整后台传输频次措施，保证总线负载率在30％以下；
其次，通讯网关根据负载率情况，自动调节间隔层设备数据传输频次，针对遥测量数据传输，间隔层数据更新在1～2秒之间，如果出现负载率高于预定值时候，通讯网关暂停遥测数据传输，保证数据10秒内传输后台即可；
最后，自动调整遥测数据主动传输突变量门槛，所述突变量门槛是指变动量百分比预设值，间隔层设备遥测量数据传输，根据突变量门槛主动上传，通讯网关会根据负载情况，传输指令，修改间隔层设备自动上传数据传输规则，提高遥测量突变门槛；如果数据波动低于设置门槛情况，通讯网关具备自动核算每个装置传输时间间隔，如果发现间隔层遥测量60秒未传输数据，通讯网关主动向间隔层要一次遥测数据。


4.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法，其特征在于：所述CAN总线负载率的计算方法如下：
通讯网关采用不过滤CAN总线数据，即通讯网关接收所有CAN总线数据，每次接收到一帧数据后，CAN芯片进入中断，进入中断后读取接收数据，CAN接收中断后，计算接收数据长度，1次中断按照156位计算，使用全局变量计算中断次数，使用一个计时器，计算10秒内共中断次数，按照10秒周期计算一次负载率。


5.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的低时延端对端通讯方法，其特征在于：CAN总线采用“载波侦听多路访问/冲突检测”的非破坏性总线仲裁技术，当间隔层设备节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，优先级高节点不受影响地继续传输数据，节省总线仲裁时间；优先级高数据传输完毕，优先级较低的节点再次主动发送数据；CAN总线上数据传输优先级，根据ID号的决定，总线上ID值越小优先级最高，ID为零，优先级最高，29位全部是1，优先级最低；
通讯网关下行ID码是1～255，即间隔层设备地址；
间隔层设备“端对端”互联互通采用ID码是257～511，即间隔层地址+256；间隔层设备上行通讯网关数据ID号均大于1677216，即十六进制0x1000000，并且间隔层数据传输量最大，设置通讯网关下行协议优先级最高，“端对端”传输次之，间隔层上行协议优先级最低；为了保证间隔层上行协议中优先级较低节点能够传输至通讯网关，间隔层根据节点传送次数，会自动改变优先级，确保节点较低数据被传输，达到所有节点具备“低时延”特性。


6.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的低...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈春华，王志伟，王世杰，唐文正，张文萍，蔡元博，袁彩蝶，刘增辉，马东祥，陈西洋，李东东，吕向峰，侯杰，
申请(专利权)人：许昌中科森尼瑞技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41