摘要提出了一種可對CAN總線進行實時監控、數據分析與記錄的軟件設計方案，并進行了具體實現。說明了軟件的需求和各模塊的實現考慮，對軟件涉及的關鍵技術給出了分析。通過對各種CAN總線狀態以及數據報文的實際測試，驗證了方案的正確性。
關鍵詞CAN總線；監控軟件；數據分析

CAN總線網絡即控制器局域網絡(Controller Area Network，CAN)，是由德國BOSCH公司在20世紀80年代為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，可實現點對點、一點對多點及全網廣播3種方式的發送和接收數據。傳輸的數據采用CRC校驗，能夠有效地降低誤碼率。CAN總線的通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或者光導纖維，通信速率可達1 MB／s。由于具有通信速度快、可靠性高、價格便宜等特點，使CAN總線成為應用廣泛的現場總線之一。
當前，市面上已有多種CAN總線的分析測試工具，如廣州周立功公司的CANalyst，德國Vector公司的CANoe等。這些軟件工具具有較強的功能，但對于一些小型CAN網絡開發組件來說，其附加費用較大。基于此考慮，本文提出了一種功能完善、操作簡潔的CAN網絡監控系統設計方案，可達到對CAN總線運行情況監測分析的目的。

1 設計需求
通過對一些通用CAN總線監控軟件的分析，并結合設計提出的實現一個較為通用的CAN總線監控軟件的要求，可以將此軟件的設計需求總結如下：
(1)具有適應CAN控制器各種工作模式的功能，用戶只用稍加配置，便可以將此軟件用于具體的CAN總線網絡的監控中。
(2)具有用戶自定義數據幀格式及其解析方式的功能，以使此軟件可以滿足不同環境下的使用要求，對用戶所需要的數據內容進行解析。
(3)具有數據可視化顯示功能，如數據表展示數據，圖形繪制數據曲線等方式。使用戶可以較為直觀地對網絡數據和狀態進行監控。
(4)具有將通信中的數據信息進行分類的功能，方便用戶對數據的分析。
(5)具有查看歷史數據的功能，將歷史數據記錄下來，并提供一種方式實現對歷史網絡狀態的重現，方便用戶調試。

2 方案設計
2．1 功能
CAN總線監控軟件需具備的功能包括：CAN總線通信(數據接收與發送)、數據處理(數據解析與存儲)和數據應用(將數據展示為圖表，數據回放等)。功能結構如圖1所示。

2．2 功能模塊關系
CAN總線的監控過程即是對通信數據的處理過程。軟件首先通過與CAN總線上的節點通信來接收和發送數據，然后將這些數據記錄在文件中，同時對數據進行分析處理，軟件根據由用戶所設定的數據格式對數據解析，最后是對數據信息的應用，根據用戶的設定，可以對數據進行表展示，曲線繪制或者歷史回放。各功能模塊關系如圖2所示。

2．2．1 通信
通信是監控軟件獲取數據信息的方式，也是軟件的基礎。它的主要功能是接收和發送CAN總線中節點的數據，是數據解析和應用的來源。監控節點需要連接到CAN總線網絡中，如圖3所示。

2．2．2 數據記錄
數據記錄模塊是將接收或者發送的數據以一定的形式記錄在文件中，用以對數據進行后期分析，或者通過回放功能復現CAN總線狀態。為能達到復現的目的，此記錄文件需記錄的信息包括原始數據包和收發時間，時間信息具體內容為通信數據的時間間隔，基于此回放功能更加真實模擬網絡中的狀態。記錄內容如圖4所示。

2．2．3 數據分析
數據分析模塊是整個監控軟件的核心，它負責按照用戶設定的解析模式將收發數據報解析為可以理解的信息值。每一幀數據的解析過程可以分為以下3步：(1)定位。通過數據幀格式來定位每個信息在數據包中的起始位置，將數據包分組。(2)截取。通過起始位置和數據長度，可以截取到所需的數據。(3)轉換。由于截取所得到的數據為原始數據，所以需要將其轉換為可以理解的信息。數據的分析過程如圖5所示。

2．2．4 數據應用
數據應用是指軟件對用戶所提供的數據服務。本軟件實現了以下幾個功能來應用數據：(1)數據表。用于向用戶提供所需要的信息，展示總線數據。(2)繪圖。根據用戶需要對某些需要顯示數據變化的內容進行曲線繪制。(3)回放。將存儲于文件中的歷史數據按照收發時間順序重新播放，以重現網絡狀態，它為用戶提供了一種調試網絡的簡單方式。
2．3 關鍵技術
2．3．1 數據解析
鑒于CAN總線的應用廣泛，從汽車到工業現場的應用，所需要監測的信息不同，故軟件對數據的解析方式也不相同。數據的解析過程需要用到用戶所定義的數據格式，這里使用XML文件來描述數據幀的內容。如圖6所示，幀ID為0x01的數據內容包：一個16位數據表示的溫度值，信息類型為整數；一個16位數據表示的壓力值，信息類型為正整數。

2．3．2 數據回放
回放功能是將歷史數據及當時的網絡狀態按照原過程如實演示，使用的數據源是從歷史記錄文件中獲取的。記錄文件由記錄模塊將總線數據按照時間順序寫入文件中生成，使用回放功能是將所記錄數據按順序讀入，按照記錄時間模擬當時的順序實現回放功能，用戶可通過應用功能再次使用數據表、繪圖來呈現數據。

3 測試
在實際應用中，將監控節點接入CAN總線網絡中，完成軟件設定后，便可開啟對總線的監控。使用數據表顯示所測得信息的正確性，并驗證通信是否正常。所生成的數據表如圖7所示，顯示信息來自節點1和節點3，以及發自它們的溫度和壓力值。使用繪圖功能將此溫度變化繪制為曲線圖形，如圖8所示。

4 結束語
本文提出了一個CAN總線網絡監控軟件的方案，并描述了此軟件的設計方法和所使用到的關鍵技術。依據此方案，實現了一個較為通用的CAN總線監控軟件，它可通過分析由用戶設定傳輸數據格式的方式，自動對數據進行解析，可滿足大多數CAN總線的監控需求。在應用中，它可幫助用戶調試和測試網絡，有效提高工作效率。通過實際測試，驗證了此方案的可行性。
但是，本文提出的設計方案也有局限性和進一步提升的空間。在后續研究和設計中，可以將數據融合技術逐步加入到軟件對數據的分析中，并可將此工具演化為一種通用的軟件中間件，以便進行更多的應用。