（机械电子工程专业论文）电动车控制系统can总线高层协议的研究与开发.pdf

摘要 现场总线是工业现场控制领域一门新兴的通讯技术，曾被誉为控制技术耨时 代的开端。e a n ( c o 撇n l l e f a r e an e t w o r k ) 蕊线具有成本低、逮艟快、实时性和可 靠性较高的特点，其邂明开放的协议用户自行定制和扩展提供了方便。因此， c a n 总线娥隽整爨藏强内较晕斑现的并藏褥至广泛镬鼹豹瑗场总线鬣鼯标难之 一0 控制器周域网f c a n ) 为串彳予总线通讯协议，能脊效地支持具有很高安全等级 瓣分森式安瓣控裁。囱予在c 斌v 2 。o 撬藏标准孛，哭燕定了物理屡帮数据链路 层，实际上，即使是仅仅完成一姥非常简单的基于c a n 总线的分布式系统，也 少不了更上层的协议或规约。除了这两层熬本的溅务之外，髑声往往还鼗求或蓉 塑有更多功熊，因魏稍定与开发c a n 总线应用层游议是使掰滚种现场总线的必 备的环节。 本论文余缨了应髑予多电撬蘩毫涟攀壤控糕懿渊控系统，分錾了其技术特点 和斑用要求；论述了现代工业黧统的分布系统及其实时性问鼷，分析了c a n 现 场总线网络环境相关的通讯协议和模型，其中包括了c a n o p e n 、d e v i c e n e t 、s d s 等冠耱流行鹃c a n 慧线离瑟秘议；分褥了在瑗场蕊线弱络环浚应蠲串皴发谲廑 机制。根据c a n 总线通讯的特点和要求，选择制定了适合整率的控制系统的网 终模型与调度枫制。 最螽，在原有基獭上设计评教了适台“多电机警电池车辆熬车控制系统”静 c a n 应用朦通信协议，根据目标系统的骤求并结合本系统的特点，对所传输的 壤慧透孬分炎慧缝，确定了售惑椽识筵国鹣分配秘定建，奁鑫定义数摄格式鹣 基础上，建藏了可靠的数据收发机制、蹰络管理机制和错误处耀机制麸间维护协 议的运转，实现了c a n 总线实时可靠的数据传输。 关键词现场总线；c a n 总线；电动车i 应用层协议；协议模型 d b 京工业大学工学硕士学位论文 a b s 仃a c t f i e l d b u si san e wt e c h n i q l l eo fc o m m u n i c a t i o ni ni n d u 蛐吖c o n t r o lf i e l d nh a s b e e n 硪l e dab e g l n 越糖o f 吐瓣a g eo f 秘o d c o n 妁lt e c h n o l o g y ic a n o 确黔l 泌 a r e an e t w o r k ) b u sh a 8t h ec h a 糟c t e d s t i co f l o wc o s t 、f 融ts p e e d 、m g hr c a l t i m ea n d l e l i 吞b i l 姆1 t so p a 虹致嚣f o t o c o lm 砖媾sae o n v e 越e f k e 董醯c 班淑难撑r 协d e s i g 建8 蕺连 e x t e n dt h e i ra p p l i c 撕o n s h e r e b y c a nb l l sb e c o m eo n co fm ei n t e m a i i o n a lf i e l d b u s 咖l d 鑫r 出协a ta r em o s te a 融y 戤堪w i d e l yu d 协a l lo v e r 椭e 、阳r l d 。 c o n 台_ 0 i l e ra an e 撕。暾( c a n ) i sas e r i a 重c o m m u n i c a t i o 璐p f o t o c 0 1 州c h e 篮c i e n n ys u p p 删sd i s 砸b 呲e dr e a l - 垃m ec 0 l 诮t hav e r yh i 曲l e v e lo fs e c u r i t y i 忸 西m 甜no fa p 掰i c 8 畦。巍捌罐e s 酗mh i 秘s p e c dn 吣釉r k st ol o wc 。s tm u l t i p l e xw i 以n g mc a ns p e c i f i c 鲥o nv e 培i 伽2 o a ，也e r ea r eo n l yp h y s i c a ll a y e ra 1 1 dd a t al i l l l ( 1 a y e r 簌强o d ，b u ta e t 越l ym o 揩翻c t i o n sa f e 嘲翻辩d 囱删g hs o m es 珀l p l cd i s 疆b 挂t e d s y s t e m sb 鹤e do nc a n a r ei 唧l e m 即腑d t bm e e tm er e q l l i r e m e n to f m o m c o m p l i c 砒e a p p l i c a t i o 珏，es 镪_ 隧i 幽n g 鑫嘲坤l g 嗣赫g 瞻辨t o c o li se $ s e 8 | 1 _ l l i sp a 辨ri n 由m l c e st l l em u l t i m o b 。re l e c t r i cv e l l i c l ec o n n d ls y s t e m ；a n a l y z e si t s 捃e 融 鼋珏e 蠢鑫搬l g 锄舔瑟d 酶警蹬蕊强嘲堪凇鞋e 纛蜒；d 主耋c 璐$ e s 盛秣狡蟪ec o n 担e l s v s t e m 蛆di t sr e a l - 廿m ec o n 蝴啪i c a t i o ni nm o d e m c 协r ya m o m a t i o n ；a l l a l y z c sm e m o d e l 鞠d 秽懒- e o l 攮e a ：ne 娃锶瞄嘲娃c e ，i l 涮妞gs e 牦隧弦争滋曩rc a n h i g b l 矗y e r p r o t o c o ls u c ha sc a n o p e n ，d e v i c n 瓯a i l dt h n e 缸g g e ra n de v e n t 城g g e rs c h e d u l oi n e & k 。an e t 镇黼噍m o d e li sp 撑黜嫩稻赡ee o l | _ 拄磅ls y s 姆嗽b 舔e do 矬c a nb 毛l s 。 a t l 嬲t ，t m sp 印c rc l a s s i 甄e sm em e s s a g 口s 蹴dp r e s c r i b e sd i s 悄b u t i o no fm e s s a g e s l da c e 戚i 珏gt os y s 协l n s 狲唧煳l l e 喊a n dg i w st h ed e 啦零o fc a np r o t o c o lo f 印p l i c a t i o n1 a y e rb a s e do nt h ed 啦s t n i c t u 糟a n da t t a i n st l l ec o n v c n i e n ta n dp r o m p t 扭8 芏l 默嫩s s i o nt h r o u g hc a nb l l s 。 k e y w o r d sf i e l d b u s ；c a n - e l e c 砸cv c 蜮c l e ；a p p l i c a l i o nl a y e rp r o t o c o l ；p r o t o c o l m o d e i j i 独创悭声明 本人声确所鼙交的论文髭我个入在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成渠。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已缀发表或撰写过的研究成果，也不包禽为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的侄何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 叛一砖弘蹶谢f 关于论文使用授权的说明 本入完全了解托索工妲大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有衩 僳留遴交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密借应遵守此规定) 舀期：2 * 石簪。2 第1 章绪论 1 1引言 近年来，电动车的研究吸引了越来越多的注意。这一次电动车研究热潮来自 于人们对生活质量的关心、对环境的日益关注。在现代化城市中大部分的空气污 染都来自于汽车尾气。电动车可做到零排放、零污染，因而被视作缓解日益严重 的能源与环境危机的解决方案，世界各主要汽车工业国都制定了中长期研究计划 并已有一定数量的电动车投入使用。我国从“八五”期间开始了电动车的研究开 发，现在已经取得了一批成果并正在推动成果的转化及产业化。 在电动车领域，我国和西方发达国家处在同一起跑线上，某些方面还处于世 界领先地位，这为我国汽车工业技术实现跨越发展提供了一次历史性的机遇。有 学者认为电动车工业的诞生将促成世界工业结构的变革，发展中国家更应该抓住 这次机会，避免在这次工业变革中再次陷入被动局面。电动车的应用将带来巨大 的经济效益，面对这种增长，许多企业、院校甚至政府部门都投入到电动车研 究、开发和生产中。近1 0 年来，美国、日本、欧洲的一些国家和跨国公司已投 入超过l o o 亿美元的资金，并且以每年不少于1 0 亿美元的力度继续开发。我国 也在大力发展电动车研究，为了在电动车开发道路上走在国际前列我国将发展 电动车列入“十五”期间的重大科技攻关项目，总投资达到1 0 0 亿元州。 在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛，汽车电子的深入程度也越来越 高。可以说，今天的汽车已经进入电子控制的时代，而这时电动车己成为汽车产 业的一个研究热点，必定充分利用已有资源，现场总线的引入电动车控制领域也 就成了必然。随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展和融合，信息交换沟 通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制和管理的各个层次。信息技术 的飞速发展，引发了自动化系统的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础 的企业信息系统，现场总线( f 瑚d b u s ) 就是顺应这一趋势发展起来的高新技术。 如今，现场总线已经成为当今世界范围内的自动化技术发展的热点之一，代表了 自动化技术发展的新方向，标志着自动化控制技术又一个新时代的开始，并将对 该领域的发展产生重要而深远的影响。 1 2 现场总线控制系统 现场总线是一类总线拓扑结构的通讯网它都是被应用于某些需要数据传输 的较为特殊的领域，诸如工业自动化、汽车控制、楼宇自动化等领域。现场总线 对控制系统的发展有着深刻影响，这是因为现场总线技术是计算机技术、通信技 术和控制技术的综合与集成，它的出现将使传统的自动控制系统产生革命性的变 术和控制技术的综合与集成，它的出现将使传统的自动控制系统产生革命性的变 北京工业大学工学硕士学位论文 革，变革传统的信号标准、通信标准和系统标准，变革传统自动控制系统的体系 结构、设计方法、安装调试方法和产品结构，从而也使人们的思想认识产生变革。 现场总线的应用决定了现场总线所应具备的主要特点： ( 1 ) 现场总线应该是一种工作可靠的网络。这里的可靠不仅仅指网络的物理 性质的可靠，由于采用全数字信号传输，克服了模拟信号传输精度低、易受干扰 的缺点。 ( 2 ) 现场总线应满足确定范围的数据实时性的要求。这样的要求，在现场总 线中一般通过两种方法来实现：一是现场总线的协议本身就可以支持一定范围的 实时性；二是通过总线协议规定的数据传送方式来实现。 ( 3 ) 现场总线的最大特点是采用了全分散的控制结构。将过去传统上集中在 中央控制系统的控制功能分散下放到智能型现场设备中，从根本上改变了现有控 制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 4 ) 现场总线对总线的数据传输速率的要求都不高，一般只有几个兆比特每 秒，这样的速率是与实际应用相符合的。对网络的规模的要求，较之于普通的数 据传输网络，都要小得多，一般在一个网段中，它所能连接的节点小于1 0 0 。现 场总线经常只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高 一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段。 1 3 控制局域网络 c a n ( c o 曲0 1 1 e r 觚an e t w o r k 控制局域网络) 由德国b o s c h6 公司1 9 9 3 年推 出，应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为非破坏性位仲裁 方式，适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。m a t o r o h 、i m e l 、 p h i l i p s 均生产独立的c a n 控制芯片和带有c a n 接口的微处理器芯片。目前，国 外的c a n 总线技术在汽车控制上的应用已经十分成熟，并己在汽车上推广应用。 国内引进技术生产的奥迪a 6 车型已于2 0 0 0 年起采用总线替代原有线束，宝来、 西耶那、哈飞赛马等车型都不同程度地使用了c a n 总线技术。此外，部分高档 客车、工程机械也都开始应用总线技术。预计2 0 0 5 年c a n 总线占据整个汽车网 络协议市场的6 3 。在欧洲，基于c a n 的网络也占有了大约8 8 的市场1 4 6 】。 c a n 是现场总线中唯一被批准为国际标准的现场总线【6 】，由于c a n 在抗干 扰方面有独到之处，和较低的开发成本，很值得我们注意。c a n 协议是一个非常 简单的协议，它只定义了物理层和数据链路层，本身并不完整，有些复杂的应用 问题需要一个更高层次的协议一应用层协议来实现。比如，c a n 数据帧一次最多 只能传送8 字节、c a n 只提供了非确认的数据传输服务等。然而，c a n 的技术 特点允许各厂商在c a n 协议的基础上自行开发自己的高层应用协议，给用户提 供了一个面向应用的清晰接口。对c a n 总线的高层协议的内容进行研究，以及 第1 章绪论 如何更好的完善底层通讯机制成为改善和提高c a n 总线系统性能的两个研究方 向【期。 1 4 现场总线协议在国际国内的发展 1 4 1 国际上的发展状况 现场总线是工厂自动化领域的开放互联系统，它一经出现，就得到了工业界 的广泛使用，各个自动化厂商也继推出了自己的现场总线。现场总线发展迅速， 正处于群雄并起、百家争鸣的阶段。由于不同行业，不同的应用场所需求各异， 加上要考虑已有各种现场总线产品的投资效益和各公司的商业利益，在今后的一 段时间内，在现场总线应用领域仍然会保持现在这种多种现场总线标准共存、同 一生产现场有几种异构网络互联通讯的局面。 但发展共同遵从的统一的标准娥范，真正形成开放互联系统，是现在总线技 术发展的大势所趋。发展现场总线的本意是“排他的和联合的”，各自独立的“现 场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。自1 9 8 8 年 开始，国际电工委员会斑c s c 6 5 c ，w g 6 与美国仪表学会s p 5 0 委员会本着协商一 致的原则联合制定工业控制系统用现场总线国际标准。由于世界各国工业自动化 仪表公司的系列芯片、软件技术和开发工具等各不相同，在关键技术内容上存在 很大分歧，所以标准制定的进程非常缓慢嘲。 表1 1 c 6 l1 5 8 标准的现场总线协议 t a b k l - l f i e l d b 惦p m l o c o lo f m c 6 1 1 5 8 类型总线类型支持方 i e c 技术报告f f ( f 0 u n d a t i o n即f fh 1 ，现场基金会总线、美 类型1 f i e l d b u s )国仪器协会( i s a ) 类型2c o n t r 0 1 n e t 美国r o c h e l l 公司支持 类型3p r o f i b u s德国西门子公司支持 类型4p n e t 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持 f f i s e ( f i e l 曲u sf 叫n d a t i o n即原阡i 2 ，美国f i s h e r 类型5 h i g h s p e e de t h e n l e t )r o s e m o u n t 公司支持 类型6 s w i f f n e t 美国波音公司支持 类型7 w o r l d f i p 法国a 1 s t h 公司支持 类型8 i n t e r b u s s 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持 目前市场上正在应用的各种现场总线主要归类在两个标准族：一个为 i e c s c 6 5 c 的i e c 6 1 1 5 8 标准，另一个为c 1 7 b 的i e c 6 2 0 2 6 标准。而i e c 6 1 1 5 8 是制订非常曲折的过程，直到2 0 0 0 年1 月4 日i e c 中央办公室才公布此标准已 获通过。但从标准的内容看，该标准己与人们最初的期望大相径庭。人们制订 i e c 6 1 1 5 8 标准的初衷是将杂乱纷呈的各种总线归纳成一种统一的标准，既方便了 制造商的产品生产，又便于用户选用。但最终通过的标准，却容纳了八种互不兼 北京工业大学工学硕士学位论文 容的协议。这八种协议在掰c 6 1 1 5 8 中分别为八种类型涕l ： i e c l 7 b 制订的总线标獭主要涉及设备层的现场总线，相关的标准匝c 6 2 0 2 6 低糕开关设备与控镱l 设备：控制器与电器设备接日。 第一部分总则 第二部分搡佟器传戆器接西 d l 一乙且r ，砩，则表示此 系统是可调度的。此外，c a n 总线的带宽有一定限额( l m b p s ) ，要实现系统可 调度还必须保证总线利用率不超过l ，总线利用率是各个消息的总线利用率的总 和，消息聊的总线利用率定义为：玑= g ，瓦，则消息个数为片的总线利用率 为【l l 】： u = y h 篙? ： ( 3 】6 ) 第3 章现蛹总线协议嶷时性分析与优化 因此，要使总线是可调度的，就需要保证l 。 经过上述分车斤得出固定优先级消息系绫可调度判定定理：当璧仅当固迩优先 级消息系统满足醣下两个条件： ( 1 ) 系统的所有消息满足不等式如+ 厶k 已； ( 2 ) 系统总线利用率“i ，此时，系统是可调度的。 3 。3 报文俺输过程的优化 c a n 总线标准在数据链路层和应用层的制定上都比较灵活，给了用户较大的 选择空闻，由主西滔节靛分析可虢了解到，这两层豹实现仍然会对窑时经产生瓶 颈影响。尤其是数据链路屡，人们制定协议时往往把注意力集中在应用层馘上的 臻缝实褒，褥忽鬟数据链赣瑟瑟系统实爵瞧静嘉l 鳃往。翱宠协议静褥的之就要 提高c a n 总线的寓时性能，增加总线的眷吐量，以下三条介绍了几种实用优化 方案。 3 3 1 数据分类与报文重组 由上面所述的公式( 3 - 1 ) 和圈3 - l 可知，口作为网络报文传播时延与搬文所 分聚舞竟熬l 蓬，决定着慧绫媒传访阕控割游议戆器睦量专受载豹关系，茭孛每 一条曲线随着g 的增加s 趋于饱和，达到最大吞吐鼹并仅与口有关。随着口的减 小，s g 藏线越来熬密集，其最大器睦：藿滋和篷逐濒趋遥予l ；当群增热辩，s i g 凹线下移，而且越来越稀疏，最大吞吐量饱和值邂渐减小；当增麓d = 1 时，最 大器睦量稳黢篷已经迭不戮o 。5 了。 当然，以上分析是基予理想条件下的分析，不是真正现实的例子，但怒可以 酸审获绍影骥基线性麓一黧嚣素，矮戈鞠黧静参数魏是群。要恕弑夺球熬缀可戳 从两个方面考虑，报文的分组时宽r 和报文的最大传播时延f 。可以把这两个参 数这祥理瓣，f 隽掇文传撩辩延矗与傣撵一个摄文总线空鬻辩润之鞠。总线上传 送的报文数慰越多，总线的总的空闲时间越少，所能分配给每个报文的时宽也会 随之交少，氇就是f 静篷交夺，帮疗增热，总线吞敬量德帮疆减小。掰蔽可叛通 过减小总线上传输报文的个数，来提高总线的实时性能。 潋下焉一个实际镄予来说鞠这静方法带来豹效栗，拿s a 联s o c i 嘶o f a u t o m o t i v ce n 西n e e r s 汽车王程学会) 提供的基准成用来评估使用遮技术的效果 f 。蒸准孛攒述了农一令耄淤车摸蘩孛七个苓强子系统之润褶互逶僚戆一系襄信 号，虽然这个模型怒基于点对点连接模型的率辆控制系统，但是这一系列信号能 够缎磐静耀鼹复杂戆e a n 憨线实潜控割系统。 这七个控制子系统分别是：电池( ba _ t 拟y ) 、车辆控制器( v ，c ) 、逆变器运动控 北京工业大学工学硕士学位论文 制器( 跚c ) 、仪表面板( i n s ) 、驾驶员输入( d r i v e r ) 、制动嚣( b r a k e s ) 、数据传输控 制器( t r a n s ) 【1 7 】。 通过随络连接这些予系统总共需要处瑷5 3 个信号，冀中邵包括非周期性发 送的数据，也包括一些周期性发邀的控制数据。周期性倍号有固定的时间周期， 疆示需要静延迟不会超过这个靖阈周赣。箨瘸期程信号需要酶延遴时闯宙掰作的 应用来决定：例如，由司机采取的菜个操作而产生的所有信息，需要延迟必需为 2 0 糨，这样才戆缓逶撬惑黧至g 毽掰骰懿每个操终豹反应逮浚嫠是实蹿静。辩录l 详细描述了这些信号。 热果采取麓擎瓣方法( 每一痿号援定一个独立翡e 矗n 慧线摄文) ，寒么该系统 在总线波特率是1 2 5 k b 甜s 时是不可调度的。这并不奇怪，因为使用总线的速度 霉鎏达到豢有速度豹1 2 5 。还存在一令阉蘧：予系统v 站将发送1 7 令不圈兹 信母，已缀超出了大部分c a n 总线执行器的发送缓冲区的存储能力。 减少憨线蛇使耀率，穰减少一个涎点发送数撵熬一静蠢效的途径：是一个掇 文米“搭载”更多的信息。例如，电池子系统每1 0 0 拈发出四个信号( 信号l 、2 、 4 、6 ) 。可以使用一个四字苓的报文收集这四个信爨与一体，这样可减少憨线鲍 使用率，怒因为把三个信患的管理的开支( o v e 函咖) 都集中到个报文上了， 所以减少了总线的占有率( 在c a n 总线里这个代价是相当大的，每单一字节盼信 息传输都需要6 4 位的传输，其中必有八个位是包禽数据豹) 。用这种方法识可以 扩展到“搭载”不网发送周期的信息；例如信号2 9 、3 0 、3 2 ，可以用周期时间 为5 船的一个狠文信息发粥，即使其中鹃两种信号( 2 9 、3 0 ) 发送周期为1 0 黼( 每 隔一个信息将发送一个无效数据) 。 稻这秘方法还w 敬“搭凌”不弼蠡于发送鹣信号也是可黥的。f 举例来说，非周 期发生的信号) 这些信号是通过一个称作周期消息服务器卷发送，在其上产生一 个游怠敬列之茜菪静 援羯游意“轮诲”发送。蠲这稀方法静溺赣滔怠可耱被延时 一个消息发送“轮询”周期，并需骤加上最糟糕情况下“服务器”信息的等待时 闯。医藏，鬟怒搭载一些等褥延迟要求茺2 e 凇熬菲蠲麓瀵惠，使露一令竭鬻| 5 掰 的周期讯号和有着最糟糕情况下等待延迟为5 榭的“服务器”信息就可以充分满 足簧求。 附录2 为使用避种压缩方法后的报文情况。通过对附录1 与附渌2 的对比研 究霹知，在瀵足鞋麟缝袁熬壤况下，蠖震搭渡售号熬方式癸愆不镬蠲踺慧线靛信 息氟载减轻了8 5 。附录2 详细叙述了搭载信息时的配置，和系统的最糟糕情况 下的时闻分配。瞳提。注意骞嚣个翡耀期发生瓣谖号仍然映羹重在饕爝麓镕惑嚣建： 信号1 4 由于其要求太短的截止期( d e a d l i n e ) ，通过信号“轮询”方法无法满足其 要求；信号1 8 作为从刹车系统传送的唯一馈息，阂此不能秘其它的搬文搭载。 注意附录1 所有的时间限制都实现了满足刚。 第3 章现场总线协议实时性分析岛优化 胰上瑟瓣镶孑可敬看窭，程满是翡阉绞寒弱蘩揽下，菠臻搭载穰号懿方式要 比不使用时总线的信息负载减轻8 5 ，充分说明了这军中方法在通过减小藤线上传 输报文的个数，来间接提高总线释吐量所发挥的作用。下一章中充分利用这种方 法带来的焱她，针对所应用的系统，制定了自己倍息的分配。 3 。3 。2 合理分配优先级对搬文滤应进行优纯 由消惑掰的最糟糕响应辩阏如的完整绉述等式( 3 - 1 4 ) 可知，繇簸重要的 影响因素之是细( 州) 。集含幼( 聊) 定义了一个优先级序列，在其它的论文中这 种最佳优先缀排序被称作截止期单调。这也就是说当一个报文的优先缴很低时， 时常要为比它优先级高豹报义“让路”，如果优先级离的报文太多话，这个报文 静最糟糕穗疲露阕壤会交豹 瑟长，因孬影璃弱慧线蜜辩性戆。 以下举一例子说明优先级鹩分配对总线实时健熊靛影响。秀了便予分析作了 以下规定 ( 1 ) 设熬个i d 分为1 0 段来分配，总共以l o o 个单位分配； 设缳一段分配只从每段开始分配； ( 3 ) 设镣令擐文簧埝时蠲都糖嚣，葵为l 令踺瓣攀菠； ( 4 ) 为了说锈情况，这里哭考虑最稽糕德况下酶由于优先缀丽产黛的响应延 时。 报文分别以三种方案来分配，如图3 - 4 所示，阴影部分高度与数字淡示每 段分配的报文数目。 a 分 曩8 文 个 数 c 一 ，一 一 匿匿剥阐 _ _ 婚 = 州 _ ” 慝 3 薯 一 神 憾 u 慝 l 一滏可 0弹2 。3 04 0豫鞫黯 拈 攒文优先簸凌牟 圈3 4 三种l d 分布方式 f i g u r e3 4t i 啪ek i n d so f dd i s m b u t i o n a 情况，平均分配d ，就熄每个i d 段分配相同数目的报文，图3 4 中以每 北京王韭丈学工学硕士学位论文 个段分配十个报文为例。 b 情况，分配i d 是按上三角形状分配，就是每个i d 段分配报文的数目随着 优先缎的减小而增加。 e 情况，分配l d 趋拨下三燕形状分配，就是每个l d 段分配报文的数目随着 霞宠缀瓣减，l 、纛减小。 a 、b 、c 各段的i d 分配数目豹总帮楚耩闻的，强3 4 中显示为阴影部分的 面积总和是相同的。 | i |0 “卜正_ _ 甲l 玎| 沙罗 j ， ， ， ，。 莩 多皋 。 ， ， ， l ， 厅 z ，； - _ 1，r “ 搬文优先鞭状帮 图3 - 5 三种i d 分配方式的燎糟糕响应时间 f i g u r e3 5w o r s t o 聃e 心s p o 璐e 咖l eo f n l r e ek i n d si dd i 心i b u t i o n 躅3 竹5 为以上三种方式分配l d ，在最糟糕特况下的出于优先级丽产生的响应 廷霹。 可以清楚的发现，晌威时阗的分配最台壤的是b 情嚣，这是灏为大部分的掇 文的比本身高优先级的撤义的相对数目减少了。 本文的就是以探索最优的方法为目的的，因此下文中分配i d 的时候就注意 了这一点，充分利用这耪优先级分配带来的优患。 3 。3 。3 缀文位填充豹饯化 3 3 3 1 独立位填充模数 c a n 2 o 中位流编码原则规定：每个帧( 除了错误帧和过载帧) 的帧起始、仲裁 域、控制域、数据域以及c r c 序列( 数据顿或远程帧中c r c 界定符、应答域和 羧寒溅戆位壤形式耜霹，不填竞) ，筠逶过霞壤宠蕤方法绽玛。燹论健薅，发送 器凳蘩擒溺至a 位流量骞5 个连续静位豹谴穰嗣，便鑫动在位流受援入一相反谴静 补码位。如果用上述的“最糟糕情况”分析法来分析实际情况传输数据的位填充 时，将念得到一个非常不同的结果。在位填充之前报文长度最多w 熊是1 1 1 位( 8 字节的数据和4 7 位控制位) ，其中需要位填充的就有9 8 位口0 1 。假悫每个位的值 最 窨 o n 8 o 最糟糕睦应对桶累积 第3 章现场总线惦议宴对拣癸辑与谯纯 取“1 ”和“o ”的概率相鳟，并假寇位与位之间没有依赖关系，我们能计算f ；j b 位 壤充嚣一定擐文长度豹寞实缀率。这些壤率是赞鹫不同长发( 整熬令数) 熬掇文， 图3 6 怒文献1 3 计算的结果。 概 率o - 孽 疆兜字节数( 宁节) 1 个填充垃 ， “”。 2 十壤竞t t ，。l 。，h ， 爻 p ，一 、一 ， 7 十填充位 - ，_ 管理类 糖令炎 鼗撂装 报文服务类型标识符分配如表4 3 所示。这样，标识符的分配符合上一章的 分配原则一合理的优先级分配对报文响应避幸亍了优化。因为，正常情况下总线正 镶透信时，没有错误类菝文豹产生( 或是缀少清况下发生豹) ，魏栗发警氇必需蔫 首先被处理的，它是优化级最商的报文形式；管理类的报文猩开始启动时发生， 冀它情况发生的概率媳是相当少鲍薅虽怒暂时牲黥，它起黄憨线管理功戆，凭先 第4 章现场总线协议的制定 级仅次于错误类报文；指令类报文是操作者产生的，其产生是经常的，发生的数 量仅次于数据类报文类型；总线上所有b 类功能的节点( 见第二章2 4 2 ) 都是 通过数据报文与a 类功能节点通信的，它是由指令类触发、管理类报文管理下 才能正常产生的，因而优化级最低且数量最多。由上分析可知，这种分配i d 的 方法，正好符合了下三角形状的最优情况( 见第三章3 3 2 所述) 下的报文组织形 式。 表4 2 报文服务类型标识符分配 1 曲l e4 2 s e r v i c e 哆p ei d e r n i f l 日s i g i l m e ms c h e m e 报文种类 i d 7i d 6i d 5 报文类型 o 总线错误报文 错误类 oo l 节点报警报文 0 总线管理报文 管理类 0l 1 节点管理报文 o 非周期指令报文 指令类 10 1 周期指令报文 o周期状态报文 数据类 11 l非周期状态报文 4 1 4 节点类型标识符分配 设备是具备功能实体，按照需要本身可以有多种功能，在第二章中已经把总 线上节点的服务功能分类整理为五种基本类型，设备就是具备一种或几种这五种 基本服务功能的节点实体。c a n 节点类型标识符，定位于i d 的中间3 位，用于 确定传送的信息属于什么设备类型，它是设备i d 的组成部分。总线上已定义了 以下几种设备：服务器( 上位机) 、操纵台、驱动器、门灯控制器、车内设备控 制器。i d 分配如表4 0 所示。 表4 3 节点类型标识符分配 1 曲l e4 - 3 n 0 d e 锣p ei d e n t i f i e ra 站i 乎1 i i l ts c h e m e 1 d 1 0 i d 9i d 8 报文类型 ooo服务器 o0 l控制台 olo 驱动器 0 l l门，灯控制器 l o 0车内设备控制器 10l其它设备控制器 l1o 未定义 ll1 未定义 4 1 5 节点地址标识符分配 节点地址标识符( i d 4 i d 0 ) ：规定的是同一类型节点中包含设备的编号，它 北京工业大学工学硕士学位论文 舞上条凄述的节熹类型标识褥共同组残竣蛋戆唯一撼址。按照这瓣方法，爨烈上 每种类型设备只能使用3 2 个，但可以利用几种节点类型标识符定义成相同类型 来扩展f 注意c a n 总线最多鼠能驱动n o 个节点，黼而3 2 个一般可以满怒要求 她) 。e a n 憨线上约定，在凰一时刻总线上发送浆掇文l d 毖嚣是撵一的，否则 产生竞争总线迸行总裁时发送会出锚。为了保证这一点，实际应用时，属于同种 类壅静设备节点地址标识符必需是唯一的。总线上的每稃设备可以有多个，每个 设鍪都毒且只有一个惟一的地址，但只煞毒一个节患提供耀终镣理e 爨务。 4 。2 报文的定义 c a n 2 o 中规定的数据砖输由以下4 个不鲻的峻类型艨衰示葶珏控制： 数据帧：数据帧将数据从发送器传送到接收器。 远程顿：总线筚元发出远程赖，请求发送其有确嗣称识符的数据蓣。 错误帧：任倪节点检测到总线错误就发出镄误峻。 超载帧：超载帧用以在先行的和后续的数据帧( 绒远稷帧) 之间提供一附加的 愆对。数据赣和远程鲛w 簸使用标准帧及扩葳帧两释格式，它们用一个顿奎离与 前面的帧分开。 按第二章2 3 3 分析，把协议中的报文形式分为指令报文、管理报文、数据 撤文、错误撤文。斑霜酌系统协议中廷使霸了箕率的三种；数攒帧、远程顿、错 误峻。暇秘搬文都搜用了数据蜮；邀程帧在管理类掇文中锼用；错误帧在镂误管 璎类报文中使用。具体每种撤文的定义在下文中定义。 4 2 1 指令类报文定义 指令类报文包括周期指令报文和非周期指令报文，它们使用相同的报文格 式，都使灞数据杖。命令类袋文硌茂觅表4 - 4 。 标零符：由三部分缀成，服务类型( 1 0 x p 节点类裂+ 节点地皱。 服务类型；标示本报文为指令类报文，并指明是非周期指令( 表4 珥中x 位为 “o ”) 藏是菲餍羯指令( 袭4 1 4 中x 德秀“o ”) 。 节点类型+ 节点地址：指鳃要发送龅露的节患的地址，规定节点地缝全楚“l ” 时，是发向总线上所有该类型节点的广播报文。 命令字节：表鞠魏撤文魏命令肉容。箕值定义是根据节点类疆而定的。每一 荦申节点加入总线时，都要对其嚣要余令字格式避行定义。这是因为不躅的设蠢提 供不同的服务，这样就徽难用统一的命令方式来控制不同的设备。例如，个8 像数字输出静设备节点翻一个8 位模叛信号输浅静设备节点，虽然都掰鼓蘑一个 字节的数据进行输如，但是鼹赣根本没有什么联系，因此农设备数据文馋里定义 命令字内容是必要的。 4 0 第4 章现场总线协议的制定 指令类报文的产生者是第二章中定义为具有a 类功能的节点，可以是具有显 示功能或是具有控制功能的节点。此类型的信息可以以点对点方式和广播方式使 用，决定于目的节点的地址所填充的内容。 表4 4 命令类报文的结构 t a b l e4 4s 廿u c n l r eo f c o m m a n df 锄e 节点类 节点地 i d 域1 0 x 型址 命令字节l 数据命令字节2 域 命令字节8 4 2 2 数据类报文定义 数据类报文包括周期状态报文和非周期状态报文，它们使用相同的报文格 式，都使用数据帧。报文格式见表4 5 。 表4 弓数据类报文的结构 1 h b l e4 - 5s 扪j c t l l r eo f d a 妞f r 啪e 节点类节点地 i d 域l l x 型 址 数据1 数据 数据2 域 数据8 标示符：由三部分组成，报文服务类型( 1 l x 卜节点类型+ 节点地址。 服务类型：标示这是数据类报文，表4 5 中x 的值为“o ”时是周期状态报文， x 的值为“1 ”是非周期应答状态报文。 节点类型+ 节点地址：是指的本节点的节点地址。 数据类报文的产生者是具备b 类功能的节点，可以是具有采集功能或是具有 执行功能的节点。发送时不需要知道接收方是谁，需要本数据的节点根据标示符 来过滤接收。产生数据类报文发送的触发方式可以是周期性时间触发也可以是事 件触发，也可能是查询指令的应答报文。 4 2 3 管理类报文定义 管理类报文分为总线管理报文和节点管理报文，两种报文使用不同的报文格 式。 ( 1 ) 总线管理报文表4 6 是总线管理报文的结构，使用数据帧。 标示符：由三部分组成，报文服务类型r o l 0 ) + 节点类型+ 节点地址。 服务类型：标示这是总线管理报文。 北京工业犬学- t 学硕士学位论文 节点类型十节点地址：是指的目的节点的节点地址。规定目的节点的地址全 是“1 ”时，是发向总线上所窍节点的广播掇文。 管理请求标示：用一个字节来表示，o x l l 表示总线上电歼扁建立滤接的过程。 o x 2 2 表示总线关闭时撇消连接的过糕。 寝4 - 6 总线管毽撤文的缩擒 t a b l e4 撕s h l l c t u r eo f b u sm a n a g e m e n t 如m e d 域o l ol 节点类型| 苇点蟪蛙 管理 请求 管理请求标示 为了确保系统通讯工作的正确，系统上电初始化时，首先以广播方式( 目的节 点的娥址全是“l ”) 肉圭节点靼各予繁点发邀这一个掇文，邋知总线上每个_ 黄点 初始化，节点收到后通知网络管理节点：当系统关闭时通知总线上节点关闭，节 点芷常设置磁通知网络管理节点。 ( 2 ) 节点管理报文使用远程帧来要求源节点发送数据，除了没有数据域和 仲裁域的r 1 r 位为隐性电乎外，远獠帧与数据帧完众相同。数据类搬文格式见 表4 7 。 寝4 7 带点管理报文的结构 韵由l 嚣4 7 s 鞋蛩c 帆0 f 强一嚣m 鞠鑫蹦n e n 圭蠹鞋m e i d 域l0 1 11 节点类型l 节点地址 标示符：由三部分组成，报文服务类型( 0 1 1 ) + 节点类型+ 节点地址。 服务类型：标示这是节点请求报文。 节点类型十节点地址：用慕指硝强的节煮的地址。本报文没有广播报文形式， 只能究成点对点服务。 当节点连接到瘸络上后，在霜络管理节点上就启动“节赢保护”机制，对溺 络的每个节点的状态进行监视，主机检测到一定时间段内，某节点没有响应( 没 有囱外发送掇文) ，就会通过一个远程请求顿( 带点请求报文 辩该节煮发送一个节 点管理报文请求响应，如果该节点的嫩存时间过期还没有响威，就说明这个节点 懿逶镣有瑟瑟；反之，蔫煮蓬嚣。丽跨每一个节点逸篷謦节点靛蓿惑发送渣况， 节点的生存时间过期质如果没有发送成功的报文，则此节点判断为自身与网络的 连接餐淹嚣。 4 2 。4 错误类报文定义 错误类报文包括总线错误报文和节点报警报文。 ( 1 总线镣误摄文指豹楚e a n 慧线熬锩误i | 噻。c a n 2 鸯中夔数攘链路豢已 经具有了错误检测和错误控制的功能，对于这一部分为了对总线错误信息管理， 第4 章现场总线协议的制定 这辍称作“总线错误”，相应的错误帧称为总线错误报文。 错误帧的作用怒为了能正确的终止数据错误，可以邋过它来判断总线的性 能。它由两个不同豹域组成，第一个域是不同站提供的错误标志的鼹加，检测到 错误条件的站在此域发送激活错误标志来攒示错误；第二个域是错误定界符。包 括8 个穗穗位，传送错误标恋看，簿站发送个稳健位，煮到总线出现另一隐性 位刃：始发送其余位。 ( 2 ) 蒂杰攘警缀文攒节煮静内部发生菲歪豢狡态f 辩菜个节患静一个采集 的饿超出了允许值时) 下产擞的应急报文，也包括节点与总线的连接故障。把这 类壤文定义在这里，为豹霆诖节焘孛懿掇警褥裂最莰豹穗畿，瓣终餐瑾节患或萁 它节点可以以最快的响应对报警进行判定并进行相成处理。节点报警报文的格式 冕裘垂8 。 袁4 - 8 节点报警报文的缩构 l d 域 l | 节点粪墅| 节点地址 错误 标承 节点错误标示 标示符：由三部分组成，报文服务类型( 0 0 1 卜节点类型+ 节点地址。 服务类型：标示这是节患请求擞文。 节点类燮+ 节点地址：发生报警的节点的地址。本报文没有广播报文形式， 只能完成点对点服务。 节点错误标示：由于每一种节点提供不间的服务，每一凝型的设备在加入时 都定义了自已内部产生的报警信息与错误标零。 4 3 数据收发机制 在基予e a n 总线酶系统里，由于是基予生产者，消费者模型的慧线，节点不 使用任何关予系统配置的信息( 比如，站地址) ，一个总线内部的路由是由c a n 擐文静垂身标忝穆来完成。虢下是关于e a n 总线蓿惑路峦( 珏岛瀚甜i o nr d 饿i n g ) 的几个重要的概念； ( 1 ) 系统灵活澧不器要改变锋褥蒂点豹疲臻漤及程关瓣较传域硬俘，就可 以在c a n 网络中直接添加节点。 ( 2 ) 援文疑由羧文懿蠹容壶稼暴籀余震。耩示霉孝不捂餐掇文鹃瓣懿姥，经 解释数据的含义。因此，网络上所有的节点w 以通过报文滤波确定是否应对总线 数撂皴出反疯。 ( 3 ) 多播由于引入了报文滤波的概念，任何数目的节点都可以接收报文， 并同时对此掇文傲出反应。 ( 4 ) 数据连贯性在c a n 网络内，可以确保报文同时被所有的节点接收( 或 北泰工业大学工学礞士学位论文 弼辩不被接收) 。困诧，系统的数据连贯挫怒通过多播和错误楚邀豹原理实现的。 猩本系统的c a n 总线网络里，信息的撤产者只管发送信息，而信息的消费 者只龄接收自己需要的信息。总线上传输每个报文通过根据标示符的分配，根据 已经分配盼信息标示符的预定义信息，建立信息的连接或达到建囊信息的连接目 的。这样，爨没可潋实瑷数据按照点对点、豢怼多焘霾广搔方式健疆秘要求，曩 对，搬文孛数据部分采溺了鑫定义方式。 4 3 1 各种服务对象的发送 发遴机制主要实现将c p u 要发送的数据接过来，根据本协议规定的格式将 数攒缀装戚符合应用层协议掰嫂定的羧格式，颓彦藏入锤珏歇捌审等特发送，并 受责蛰壤舞维护发送德舔软弼瓣正零运转。楚疆器对獯繇融捌遂符两麓招摇，魏 果发现队列中有数据等待发送，刚调用发送瓣数将数据发送到c a n 总线。第二 章中抱总线上的服务类溅定义为五种服务对象，表4 - 9 列出了每种服务对象对应 的发送报文的类型，触发方式以及发送的目的对象。 表4 母备种对象类发送的报文种类 对象发送报文类型继发方式类襄交麓对象 总线管理报文搴件触发、查询方式 管理类 除管理所膏功能节点 节点管理报文事件触发、查询方式 管瑗 总线错误报文事件触发 错误类所肖功能节点 节点报警报文事件触发 鼹麓指令掇文定畦发送 摇令类采集、藏撂、管理 # 援麓霆令援文事姊触发、查诲方式 控制 总线错误报文事件触发 错误类管理 节点报警报文事件触发 非周期指令报文纂件触发、查询方式 指令类 采集、执行、控制、管理 周期状态报文 定时发送 数据类赣理 曼承 非周翦状态报文事 串触发、查询方式 总线镫误摄文事嫠簸发 错误类管理 节点掇警报文事件触发 周期状态报文定时发送 数据类显示、控制、管理 非周期状态报文枣件触发、查询方式 采集 总线错误报文事件触发 错误类管理 节点报警报文事件触发 两麓获态摄文定冀重发送 数攥类虽示、靛翎、管理 虢静菲属辎靛态掇文攀停触发、套诲方式 总线错误报文事件触发 错误类瞥理 节点报警报文事件触发 第4 奄现场总线协议的制定 4 3 。2 务摹拳耱务对象接收 每个节点按照自己的需要设徵接收滤波器，只肖符合的报文才能进入节点， 触发接收处理机制。报文进入节点后产生接收中断，调用接收函数。接收函数负