GB_T 43671-2024 空间数据与信息传输系统 航天器CAN总线通信协议.docx
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1、ICS49.140CCSV75中华人民共和国国家标准GB/T436712024空间数据与信息传输系统航天器CAN总线通信协议Spacedataandinformationtransfersystems一CANdatabuscommunicationprotocolonspacecraft2024-03T5发布2024-07-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会目次前言III1范围12规范性引用文件13术语和定义14缩略语25 总则25.1 协议栈25.2 总线拓扑结构36 物理层协议36.1 电特性参数36.2 位定时要求46.3 码速率56.4 总线电缆56.5 联接方式66.6
2、 插座接点分配66.7 终端电阻77数据链路层协议77.1 功能77.2 帧格式78总线通信过程与协议88.1 通则88.2 总线通信过程98.3 标准帧格式协议108.4 扩展帧格式协议139可靠性设计要求179.1 拓扑结构179.2 抗干扰及恢复措施189.3 双冗余总线选用与切换1810管理信息库19附录A(资料性)节点地址分配及数据过滤示例20本文件按照GB/T1.1-2020标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)提出并归
3、口。本文件起草单位:航天东方红卫星有限公司、北京空间飞行器总体设计部、西安空间无线电技术研究所、中国航大标准化研究所、玉环大润航空机械制造有限公司、国网思极位置服务有限公司、浙江汇隆晶片技术有限公司。本文件主要起草人:闫国瑞、李军予、李志刚、宁金枝、何熊文、苏晨光、韩延东、史简、王敞宁、张红军、熊浩伦、田帅虎、李国军、李晓、刘小宁、张建华、董振辉、齐征、王建、周玉霞、袁媛、陈进宏、赵建伟、叶国萍。空间数据与信息传输系统航天器CAN总线通信协议1范围本文件描述了航天器上应用CAN总线通信的拓扑结构、物理层协议、数据链路层协议、总线通信过程与协议、可靠性设计要求及管理信息库。本文件适用于航天器上采
4、用CAN总线通信的相关设备和系统的研制,地面CAN总线参照使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T5271.9信息技术词汇第9部分:数据通信GB/T42041航天术语空间数据与信息传输3术语和定义GB/T5271.9、GB/T42041界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1节点node连接到通信网络,依据通信协议能够通过网络进行通信的装置。3.2主节点masternode在通信过程中用于控制和管理其他节点的节点。3.
5、3从节点slavenode在通信过程中受主节点控制的节点。3.4轮询polling逐个征询各从节点是否要发送数据的过程。3.5选择selecting要求一个或多个节点接收数据的过程。3.6显性dominant表征CAN总线通信中逻辑0状态。3.7隐性recessive表征CAN总线通信中逻辑1状态,可被显性改写。4缩略语下列缩略语适用于本文件。CAN:控制器局域网(ContrOnerAreaNetwork)CRC:循环冗余校验(CyCliCRedundancyCheck)D1.e:数据长度码(Data1.engthCode)IDE:标识符扩展(IdentifierExtension)OSI:开
6、放式系统互联(C)PenSystemInterconnect)RTR:远程传输请求(RemoteTransmissionRequest)SJW:同步跳转宽度(SynChrOniZaliOnJumpWidth)5总则5.1 协议栈CAN总线网络为局域网,只包含一个网段,就控制器局域网本身而言,与OSl的7层协议栈相比,CAN总线网络包括物理层、数据链路层和应用层等3层协议。本文件规定的CAN总线通信协议与OSl协议分层对应关系如图1所示。OST协议分层CAN协议分层对应功能协议对应关系应用层应用层用户信息交换协议任务协议表示层会话层传输层网络层数据链路层数据链路层逻辑链路控制子层(I1.C)接收
7、港波、过我通报、恢复管理本协议介质访问控制子层(MAC)数据封装、数据拆封、帧编码、错误检测、错误信令、应余、串行化、解串行化物理层物理层物理编码子层(PCS)比特编码、比特解码、位定时与同步物理介质连接子层(PMA)驱动器电特性图1CAN总线通信协议与OSI怫设分层的对应关系5.2 总线拓扑结构在空间数据与信息传输系统中,航天器内部采用CAN总线将多台计算机连接起来,形成星载网络。航天器CAN总线推荐采用双冗余的总线型拓扑结构,包括A、B两条CAN总线。CAN总线拓扑结构如图2所示,主节点和从节点的分配通过软件定义。fflCANA息线TeCANB总找节点1节点2节点3图2CAN总线拓扑结构6
8、物理层协议6.1 电特性分数CAN节点的隐性状态电特性参数见表1,显性状态电特性参数见表2。1隐性状态电特性分数参数名称符号参数要求条件最小值标称值最大值总线输出电压VcAwH2.0V2.5V3.0V无负载VcANt2.0V2.5V3.0V无负载总线差分输出电压Vc500mV0mV50mV无负载总线差分输入电压”V1.0V-0.5V“接收隐性位的阈值。2显性状态电特性弁数参数名称符号参数要求条件最小值标称值最大值总线输出电压VcasH2.75V3.5V4.5V负载氏/2Vcawt0.5V1.5V2.25V负载品/2总线差分输出电压V1.5V2V3.0V负载R/2总线差分输入电压Vafin0.9
9、V5.0V“接收显性位的阈值。“RI为终端电阻。6.2 位定时要求6.2.1 位时间结构标称位时间是在非重同步情况下发送一位的时间,是标称位速率的倒数。一个标称位时间结构如图3所示。晶旅时钟UWU111.fUlJIllrUUIJInr1.fUU,l11时间份做二潸一-1.-1.-1.1.1.-1.-1.11J-1.1.J-1.T-1.尿称口时间/W常PROCSECPHASESEGIPHASESEG2/采样点/图3标称位时间结构标称位时间划分为以下4个互不重叠的时间段:a)同步段(SYNC_SEG):用于同步总线上不同的节点,一个位的跳变沿在此时间段内;b)传播段(PRoP_SEG):用于补偿网
10、络内的物理延时,延时包括总线上的信号传输时间和CAN节点内部延时;c)相位缓冲段I(PHASE_SEG1):用于补偿跳变沿相位误差,可通过重同步加长实现;d)相位缓冲段2(PHASE_SEG2):用于补偿跳变沿相位误差,可通过重同步缩短实现。采样点是读取并解析总线上各位值的时间点,位于相位缓冲段1末端。6.2.2位时间编程位时间的编程取决于下列参数。a)时间份额(txi),由晶振周期和可编程分频器确定的固定时间单元,如图3所示。该分频器的数值范围为132之间的整数。b)位时间的标称长度(在非同步情况下):1)同步段的长度为1个时间份额;2)传播段的长度可编程为1个8个时间份额;3)相位缓冲段1
11、的长度可编程为1个8个时间份额;4)相位缓冲段2取相位缓冲段1和信息处理时间的较大值,其中信息处理时间是以采样点开始,为计算下一个位电平所预留的时间段,信息处理时间小于或等于两个时间份额。c)位时间结构中传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2的长度可编程,一个位时间的时间份额(tsci)总数可在825之间编程设定。6.23重同步重同步用于修正采样点的位置,重同步的结果会引起相位缓冲段1加长或相位缓冲段2缩短。SJW决定了相位缓冲段加长或缩短的上限值。SJW为可编程值,在1minimumPHASE_SEGl,4之间取值。6.2.4晶振频率的容差晶振频率fom应满足公式(1):(l-d)fwmfbw数
12、据过漉段一IIIIIIlII保招数组位长收码住填充区域图6标准帧格式4卜一nMx一立川GK.遥问A-a*llSR-旦HMNU同PffAX图7扩展幢格式8总线通信过程与协议8.1 通则为了便于控制和简化各通信节点数据的传送规则,总线通信过程推荐采用主从与有限多主相结合的通信方式,对于实时性较低的数据如遥测参数的采集、从节点的广播以及上行指令数据的注入等采用主从方式,其通信由主节点控制,采用轮询应答过程或选择应答过程。对于实时性高的数据如高精度秒脉冲时间广播或其他不便于主节点控制的通信,采用有限多主方式,即从节点可不受主节点控制自行完成该类数据发送。总线通信协议应满足航天器信息数据包交互需求:a)
13、信息数据包总长度小于或等于8个字节时,按单帧方式在CAN总线网络上传送;b)信息数据包总长度大于8个字节时,分成几个CAN总线数据帧按多帧方式在网络上传送,并按数据帧顺序发送至CAN总线网络;c)对于由多个字节组成的数据,均按高字节在前、低字节在后发送。信息数据包可为空间包、封装包或其他进一步封装的数据结构,信息数据包一般包括含长度、校验信息,用于信息数据包完整性及正确性校验。信息数据包的交互基于轮询一应答过程、选择一应答过程、选择过程、广播过程、组播过程。根据航天器通信需求,航天器CAN总线通信协议要素一般包括优先级、节点地址、帧序号标志、帧序号、功能码等。本文件推荐2种适用于信息数据包传输
14、的CAN总线数据帧结构,包括标准帧格式协议和扩展帧格式协议,相对于标准帧,基于扩展帧的信息数据包传输协议支持更复杂的航天器信息流设计,实际应用中标准帧或扩展帧一般不混用,只选用其中一个。8.2 总线通信过程8.2.1 轮询一应答过程主节点采用轮询应答过程获取从节点数据。主节点发送轮询控制序列,被选择的从节点收到后,向主节点发送信息数据包。主节点接收数据校验正确后,本次轮询应答过程结束。8.22 选择一应答过程主节点采用选择应答过程向从节点传送数据且从节点需要应答。主节点向从节点发送信息数据包,被选择的从节点接收数据并校验正确后发送应答控制序列,主节点收到应答控制序列后,本次选择应答过程结束。8
15、.23 选择过程主节点采用选择过程向从节点传送数据,从节点不需要应答。主节点向从节点发送信息数据包,被选择的从节点不需要发送应答控制序列。8.24 广播过程对于主从广播方式,若发送广播节点为主节点,则主节点发送广播数据,其他所有通信节点均可接收,收到数据后不做应答。若发送广播节点为从节点,则主节点首先发送轮询控制序列,被选择的从节点收到后,向总线发送广播数据,其他所有通信节点均可接收,收到数据后不做应答。对于多主广播方式,广播节点发送广播数据,其他所有通信节点均可接收,收到数据后不做应答。az5组播过程对于主从组播方式,若发送组播节点为主节点,则主节点发送组播数据,通过设置验收码、屏蔽码等数据
16、过滤方式,部分通信节点可接收,收到数据后不做应答。若发送组播节点为从节点,主节点首先发送轮询控制序列,被选择的从节点收到后,向总线发送组播数据,通过数据过滤设置,部分通信节点可接收,收到数据后不做应答。对于多主组播方式,组播节点发送组播数据,通过数据过漉设置,部分通信节点可接收,收到数据后不做应答。8.3标准帧格式协议8.3.1 帧标识符8.3.1.1标准帧标识符由长度为11bit的D10ID.0组成,如图8所示,包括数据优先级、节点地址及数据帧类型3部分。一标准帧标识符一ID.1OID.9ID.8ID.3ID.2ID.O2bit6bit3bit数据优先级节点地址数据帧类型图8标准帧标识符的组
17、成aa.2数据优先级由ID.10ID.9组成,和节点地址一起决定了数据总线仲裁的优先级,根据实时性要求,不同数据包选择不同的优先级,数值越小,优先级越高。在一次发送数据包过程中数据优先级不变。aa.3节点地址节点地址由ID8ID.3组成,表示数据帧的目的地或数据源,主节点发送时表示目的地;从节点向主节点发送数据表示数据源,从节点向从节点发送数据表示目的地;主节点或从节点发送广播数据时表示目的地。各通信节点应根据节点地址设置屏蔽码,只接收与本通信节点有关的数据,包括广播数据或组播数据。8.3 J.4数据帧类型由ID2ID0组成,表示数据包中数据帧的结构类型和通信节点之间的关系。数据帧类型说明见表
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