（电子科学与技术专业论文）变配电过程can总线时延特性分析及其节点实现.pdf

i 1 1 111i iii i i ii ii ii riil 19 0 6 5 3 8 s t u d y o nt h ed e l a yo fc a nb u sa tt h ep r o c e s sl e v e lo fs u b s t a t i o n a n dd i s t r i b u t i o na n di t sn o d e sr e a l i z a t i o n b y w us i q i b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rd a iy u x i n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特另t l d l ：i 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：鸟侈愿， 日期：加l 年月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：7 - 0ii ；年 日期：功盯年 if 月6 日 s 具“日 龟以 艮瞻 p砷嘞 变配电过程c a n 总线时延特性分析及其节点实现 摘要 c a n 总线由于其低成本、高可靠性、实施维护简单等诸多优点，是目前变配 电过程总线的很好选择。随着通信网络规模的增大和变配电自动化系统复杂性的 增加，通信系统对数据的实时性要求也越来越严格，因此分析c a n 总线的时延特 性具有非常重要的应用价值。本文在回顾与总结过程总线发展历程的基础上，借 鉴实时调度基本理论，致力于c a n 总线时延特性的分析研究工作，并设计了一种 基于表的动态优先级晋升方法的c a n 节点。 ( 1 ) 分析了变配电过程总线及c a n 总线的研究现状与发展趋势，指出了标准 c a n 协议的局限性，阐述了研究c a n 总线实时性的必要性，并介绍了变配电过程 c a n 总线实时通信技术基础。 ( 2 ) 从c a n 总线媒体访问技术入手，分析了在高总线负载率下低优先级报文存 在的实时性问题，并对数据在通信网络中传输的最糟糕响应时间进行了理论分析； 比较了基于表的静态调度方法与动态优先级晋升方法，提出了一种以静为主动静 结合的基于表的动态优先级晋升方法，并分析了该方法的理论可行性。 ( 3 ) 根据c a n 协议国际标准、企业标准及项目的功能要求，提出了c a n 节点模 块的设计要求与总体设计方案。硬件系统以l p c 2 11 9 为核心，包括了c a n 接口模 块、串行接口模块、电源模块、人机接口模块及调试模块等，详细地阐述了各模 块的电路组成原理及其实现方法；软件系统结合硬件电路，以c 语言为设计基础， 以l a v i s i o n 3 为开发平台，详细地讲述了基于表的动态优先级晋升方法的实现。 ( 4 ) 结合企业配电演示平台与智能断路器等，利用u s b j t a g 转换器对c a n 样 机进行反复调试，并给出了测试结果，验证了该c a n 节点的相关性能。 最终的测试及运行结果表明，本文所提出的基于表的动态优先级方法的工程 可行性，所设计的基于该方法的c a n 节点样机运行稳定，相关的技术功能指标达 到了预期的设计要求。 关键词：变配电过程总线；时延特性；c a n 总线；静态调度；动态优先级晋升 硕 ：学位论文 a b s t r a c t c a nb u si sag o o dc h o i c eo ft h ep r o c e s sl e v e lo ft r a n s f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o n f o ri t sl o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y ，e a s ym a i n t e n a n c ea n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e so ft h e i m p l e m e n t a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n gs i z eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n dc o m p l e x i t y o fp o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，t h er e a l t i m ed a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e q u i r e m e n t sa r ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n t ，s o i ti sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z ed e l a y c h a r a c t e r is t i c so ft h ec a nb u s o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n ga n dr e v i e w i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h ep r o c e s sb u s ，l e a r n i n gt h eb a s i ct h e o r yo f r e a l t i m es c h e d u l i n g ，t h e t h e s i sc o m m i t st h ea n a l y t i c a lw o r ko ft h ec a nb u s d e l a yc h a r a c t e r i s t i c ，a n dd e s i g n sa t a b l e b a s e dd y n a m i cp r i o r i t yp r o m o t e dc a nn o d e ( 1 ) t h et h e s i sa n a l y z e st h ep r o c e s sl e v e lo ft r a n s f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o na n d t h ec a nb u s c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d i nt h em e a n w h i l e ，i tp o i n t so u t t h el i m i t a t i o n so fs t a n d a r dc a np r o t o c o l s t h e n ，i te l a b o r a t et h a ts t u d y i n go nt h ed e l a y o fc a nb u si sv e r yn e c e s s a r y a n do nt h eb a s i so ft h i s ，t h et h e s i sm a k e sr e s e a r c ho n p o w e r d i s t r i b u t i o ns t a t i o nc o m m u n i c a t i o nr e a l t i m es y s t e mt e c h n o l o g yi n f r a s t r u c t u r e ( 2 ) f r o mm e d i aa c c e s st e c h n o l o g yo fc a nb u s ，t h et h e s i sa n a l y z e st h be x i s t i n g r e a l t i m ep r o b l e mo fl o w - p r i o r i t yp a c k e t su n d e rt h eh i g h b u sl o a d r a t e s ，a n d q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e s t h ew o r s tr e s p o n s et i m eo ft h ed a t at r a n s m i t t e di nt h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h et h e s i sa n a l y z e sa n dc o m p a r e st h et a b l e b a s e ds t a t i c p r o m o t i o nm e t h o d sa n dd y n a m i cp r i o r i t ym e t h o d s ，a t a b l e b a s e dd y n a m i cp r i o r i t y p r o m o t i o nm e t h o di sp r o p o s e d m a t h e m a t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h em e t h o dh a s t h e o r e t i c a lf e a s i b i l i t y ( 3 ) u n d e rt h ec a na g r e e m e n ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，c o r p o r a t es t a n d a r d sa n d f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，c a nn o d em o d u l ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n d o v e r a l ld e s i g na r ep r o p o s e d u n d e rt h ec o r eo fl p c 2 1 19 ，t h eh a r d w a r es y s t e mc o n s i s t s o ft h ei n t e r f a c em o d u l e ，s e r i a li n t e r f a c em o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，m a n m a c h i n e i n t e r f a c em o d u l e a n dd e b u g sm o d u l e se t c e a c hm o d u l ei sd e s c r i b e df r o mt h ec i r c u i t a r c h i t e c t u r ea n di t sr e a l i z a t i o ni nd e t a i l c o m b i n i n gh a r d w a r ec i r c u i t ，t h es o f t w a r e s y s t e mt a k e sa d v a n t a g eo fcl a n g u a g ea n dk e i l su v i s o n 3d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ， t od e s c r i b et h et a b l e b a s e dd y n a m i cp r i o r i t ya p p r o a c hi nd e t a i l ( 4 ) c o m b i n a t i o n o f e n t e r p r i s e d i s t r i b u t i o n p l a t f o r m s a n di n t e l l i g e n tc i r c u i t b r e a k e r s ，t h et h e s i st a k e sa d v a n t a g eo fu s b j a t gt or e p e a tt e s t i n go ft h ec a n p r o t o t y p e t e s tr e s u l t sa r eg i v e n t ov e r i f i ei t sp e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n a l i t y 变配电过程c a n 总线时延特性分析及其节点实现 i l li f i n a lt e s ta n do p e r a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dt a b l e b a s e dd y n a m i c p r i o r i t ya l g o r i t h mi sw o r k a b l e t h ed e s i g n e dc a nn o d ep r o t o t y p eb a s e do nt h i s m e t h o do p e r a t e ss t a b l y t h er e l e v a n ti n d i c a t o r so ft e c h n i c a lc a p a b i l i t i e sa c h i e v et h e d e s i r e dd e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p r o c e s sl e v e lo ft r a n s f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o n ；d e l a yc h a r a c t e r i s t i c s ； c a n b u s ；s t a t i cs c h e d u l i n g ；d y n a m i cp r i o r i t yp r o m o t i o ns c h e d u l i n g 硕上学位论文 目录 学位论文原斜性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 课题的研究背景1 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 3 课题研究的目的与意义3 1 4 本文的主要工作和内容安排4 第2 章c a n 总线实时通信技术基础6 2 1c a n 总线技术6 2 1 1c a n 协议概述6 2 1 2 变配电过程c a n 总线通信模型l o 2 1 3 变配电站自动化系统对通信网络的要求一1 0 2 2 实时通信系统的相关技术l l 2 2 1 实时性能评价指标l l 2 2 2 消息触发机制1 1 2 2 3 实时调度算法12 第3 章c a n 总线时延特性分析及改进1 4 3 1 标准c a n 协议时延特性分析1 4 3 1 1c a n 总线媒体访问技术一1 4 3 1 2c a n 总线存在的实时性缺陷1 5 3 1 3c a n 总线最糟糕响应时问分析1 6 3 2 基于表的静态调度方法时延特性分析1 8 3 2 1 时问触发机制在c a n 总线中的引入一l8 3 2 2 系统时钟同步的实现2 0 3 2 3 系统调度表的设计与实现2 0 3 2 4 基于表的静态调度方法最糟糕响应时问分析一2 l 3 3 动态优先级晋升方法时延特性分析2 2 3 3 1 动态优先级晋升方法思路的提出一2 2 3 3 2 动态优先级晋升方法的实现”2 2 3 3 3 动态优先级晋升方法最糟糕响应时间分析2 4 3 4 基于表的动态优先级晋升方法时延特性分析2 4 v 变配电过程c a n 总线时延特性分析及】节点的实现 3 4 1 时间窗口的分类2 4 3 4 2 仲裁时窗中晋升优先级”2 5 3 4 3 基于表的动态优先级晋升方法最糟糕响应时延分析2 6 第4 章基于表的动态优先级晋升方法的c a n 节点实现2 7 4 1c a n 节点总体设计- 2 7 4 1 1c a n 节点主要功能与性能要求2 7 4 1 2c a n 节点硬件结构框图2 7 4 2c a n 节点硬件设计一2 8 4 2 1 微处理器与c a n 控制器的选择2 8 4 2 2c a n 接口模块设计2 9 4 2 3 串行接口模块设计3 1 4 2 4 电源模块设计3 2 4 2 5 人机接口模块的设计一3 4 4 2 6 复位与调试接口模块的设计一3 5 4 3c a n 节点软件设计3 5 4 3 1c a n 节点初始化3 7 4 3 2c a n 节点数据通信一3 8 4 3 3c a n 节点算法实现4 l 第5 章配电演示系统的测试及结果分析4 7 5 1 测试平台的构建一4 7 5 1 1 通信规约4 8 5 1 2 测试工具4 9 5 2 系统通信功能测试“4 9 5 2 1 测试方法一4 9 5 2 2 测试结果及分析一4 9 5 3c a n 通信时延测试一5l 5 3 1 测试方法一5 1 5 3 2 测试结果及分析一5 3 总结与展望一5 4 参考文献一5 6 致谢5 9 附录a 攻读学位期间发表的论文一6 0 附录b 攻读学位期间参加的科研项目6 l 附录c 部分原理图6 2 v i 硕：学位论文 附录d 部分硬件检测报告一6 3 v 硕f j 学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 经济的快速发展与居民生活水平不断提高，导致供电质量和供电可靠性要求 也越来越重要了，因此变配电站难以使用传统技术，变配电站自动化系统应运而 生l lj 。根据d l t 8 6 0 的划分，变配电站的设备分成过程层、间隔层和站控层三个 层次。变配电站通信网络由此衍生成了站级总线和过程总线【2 】。一方面，目前过程 总线大部分都是采用二次电缆，这并不算真正的数据通信。且采用二次电缆接线 复杂，降低了系统可靠性，耗用了大量电缆，阻碍了降低变配电站自动化的成本 比。另一方面，电子式电流互感器及智能断路器等一次设备及其他保护设备采用 数字控制技术，慢慢向智能化、多功能及可通信化方向发展，产生了保护依赖于 通信的新观念。因此信息传输实时可靠的数字化过程总线正逐步替代传统的二次 电鲥3 1 。 过程总线上的数据流大部分是周期性采样数据，实时性要求较高。c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 是目前国际上广泛应用的现场总线之一，始于8 0 年代末， 德国b o s c h 公司为了解决汽车中电子控制设备之间的数据通信而提出来的，是一种 非常有效地支持实时控制及分布控制的串行数据通信总线1 4 1 。c a n 总线采用了许 多新型技术，它的实时性、可靠性和灵活性比较突出1 5 】。从带宽、可靠性和实时性 等各方面综合考虑，c a n 总线是作为变配电过程总线的一个很好选择1 3 j 。 c a n 总线在最高速率1 m b p s 下的最大传输距离是4 0 m 。一般情况下，变配电 站层与层之间的距离相对较远，因此c a n 总线不能在最高速率下传输数据，这也 就导致单位时间内总线上传输的数据量大大减少。由于在变配电站系统中，智能 节点数相当之庞大，因此总线上相应传输的数据量也会很大。但对c a n 总线研究 的逐步深入其局限性也同益突出。c a n 总线协议在本质上是属于事件触发方式， 采用非破坏性总线仲裁机制作为介质访问控制方式，没有为信息传输时间提供有 效地管理机制，信息的发送、传输和调度都是根据优先级进行仲裁来安排，导致 数据在总线上的传输时序难以管理，数据的传输时延不可预测。当总线上c a n 节 点数和数掘传输密度都较小时，这缺陷对系统的实时性能影响比较小，但如果节 点数和传输数据密度同时增加，即总线负载率过高时，网络带宽利用率将下降， 系统数据的实时性就会急剧恶化。在最坏的情况下，c a n 总线时延不能满足变配 电站过程总线报文传输实时性要求，这将直接影响整个变配电站的运行性能和安 全性能1 6 一引。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 变配电过程总线的研究现状与发展趋势 随着电力电子技术与现代控制技术进一步发展成熟，变配电站的运行设施、 监控系统与保护措施逐渐地由独立的硬件装置操控发展为集散控制，由此使变配 电站的运行管理自动化成为现实。变配电站运行自动化进程也经历了由全集中式 到功能分布式、再逐渐进入分层分布式阶段。现代信息网络技术不断进步，其为 分散式控制系统提供了通信功能与介质、信号传输控制等诸多技术支持，实际应 用已经表明分散式变配电系统在可维护性、易适应性、宽扩展性等众多方面比集 中式系统更加优越1 9 川0 1 。 最开始在电压等级较高的变配电站中，采用的是二次线缆来连接站内各种保 护测量设备，这些设备都是采用独立单元来完成自身所需要完成的各种的功能， 最终结合组成一个整的系统，因此这不可避免的产生了各种不可克服的弊端，如： 不同设备之间执行某个或者某几个相同功能，器件与器件之间经常重复配置，需要 消耗许多线缆。 8 0 年代，微机技术的发展大大地推进了变配电自动化的发展。远动终端的各 类保护检测设备逐步更新换代，往数字化微机化方向发展。虽然这些设备的功能 不同，但是其硬件结构非常相似，这些设备之问的通信没有设计其保护功能，且 设备之间的通信还是采用了传统的二次线缆，其使用也有很大的限制。 9 0 年代，在以前的变配电自动运行管理系统中，将微机保护系统同监控系统 单独控制，保护系统则主要由r s 2 3 2 连接的网络构成。随着系统对信号传输速率、 外界抗干扰能力、传输距离要求的提高，尔后的变配电系统设计中，保护设备与 智能测控单元由r s 4 8 5 连接的网络构成，通信管理机及微机保护同智能装置连接 采用r s 4 8 5 接口形式，通信管理机同本地监控主机连接采用r s 2 3 2 接口形式，保 护设备同其它智能装置的数据通讯由通信管理机传输至监控主机i i j 。 2 l 世纪初，先前的变配电过程总线慢慢地由现场总线替代，这样可以使网络 上全部的节点连接在一个总线上。其优点是能随时并入或删减节点，同时增加了 点对点、一点对多点以及全局广播传播信息的功能。在设计使用中，我们经常使 用l o n w o r k s 网和c a n 网，因为其传输速率较快，l o n w o r k s 网在5 0 0 m 范围内传输 速率达i m b p s ，c a n 网在4 0 m 范围内也可达到l m b p s ，而且c a n 网中节点出现错 误后，会立即切断同总线的联络，保证了信号传输的可靠性l i 。 虽然近几年国家提出了i e c 6 1 8 5 0 标准，利用t c p i p 协议实现智能电网1 1 2 , 但 是由于其实现难度大、成本高，因此选择c a n 总线作为变配电过程总线还是有很 好的发展前景。 2 c a n 总线国内外的研究现状与发展趋势 现今，在c a n 总线相关领域中，国外很多的机构和大公司对c a n 总线不仅仅 硕：l 学位论文 是积极的关注，并且投入了巨资对其进行研究开发。如美国的摩托罗拉公司、荷 兰飞利浦公司以及日本的f u j i t s u 公司等，都积极的研究c a n 总线并生产c a n 总线 相关器件，推出的c a n 总线控制器芯片的性能不断的提升。同时，著名的c a n 组 织机构c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 也一直都研究c a n 总线协议规范，不断完善c a n 协议，推进其新协议的标准化，致力于从规范上提高其实时性与可靠性【5 】。为了使 c a n 总线在某些特定领域中具备更强的控制性，b o s c h 公司领导开发了c a n o p e n 协议是在c a l 协议基础上，进一步定义了通讯协议与应用层协议，为可编程系统、 网络接口及不同器件等定义了页状态，大多是在内部控制网络中使用，现在已成 为了欧洲最为重要的网络标准协议。a l l e n b r a d l e y 公司开发的基于标准c a n 协议的 开放式网络标准d e v i c e n e t 是由抽象对象模型定义，特别适应于工厂的自动化控制 系统中。虽然，c a n 在国内的研究已经起步，但相对国外而已比较落后，相关的 设备与产品一般依赖于进口，因此急需要创新来提高其相关的技术水平。目前， 一些国内科研院所也对c a n 总线也展开了积极的研究，如清华大学、北京航空航 天大学、上海电器科学所、浙大中控、广州周立功公司等等【l3 1 。 针对c a n 总线的不足，许多国内外学者从不同的角度提出了多种提高其实时 性的方法。由b e m dm u e l l e r 博士等多位学者提出了t t c a n 与f t t c a n 协议，在c a n 总线的数据链路层上新增加了一层高层协议，它是以时间触发方式工作，这与事 件触发方式有大的不同，从而能够有效地提高c a n 总线的实时性。目前许多公司 已经在c a n 控制器中嵌入了时间触发机制操作，但是从总体上而言，这还处于研 发阶段1 1 4 - 1 引。在c a n 总线的固定优先级的设定与其实时性分析方面，约克大学的 t i n d e l l 等也作出了开创性工作，提出根据消息的相对截止期为不同的消息分配不 同标识符，并且详细分析了消息最糟糕响应时间，证明了消息是否可调度关键在 于消息的最糟糕响应时问i l6 1 。国外有的学者为了提高其动态的调整其优先级找到 了一种最优算法e d f ! 】。对非周期性实时消息的有关特点，有的国内学者提出了 动念优先级晋升方法，这种方法在保留基本c a n 协议下基础上，利用扩展格式数 据帧的结构来实现。从节点第一次尝试发送帧开始计时，根据计时的增加相应提 高该节点的优先级。针对其不足，最近几年国内也有的科研机构、高等学校通过 分析c a n 总线协议中的m a c 层的过程，提出了当发现实时性较强的数据i f 在请求 发送时而总线上有数据正在占用总线时，利用入侵帧进入总线终止正在发送的当 前数据帧，从而让实时性更强的数据帧得到优先发送的权利l 憾 19 1 。这些学者对 c a n 总线的相关研究，不但推进了c a n 总线发展而且也使得c a n 总线的应用领域 不断的扩大。 1 3 课题研究的目的与意义 1 课题来源及作者承担的科研开发任务 3 变配电过程c a n 总线时延特性分析及其节点实现 本课题是湖南大学与浙江天正电气股份有限公司共同承担的校企合作项目， 来源于浙江省第二批重大科技专项“基于现场总线的智能断路器技术研究与应用” f 2 0 0 7 c 11 0 7 2 】。该项目于2 0 1 0 年1 1 月通过浙江省科技厅验收，研究成果已投入实 际应用，开发的各种现场总线通信接口、智能控制器及智能断路器等系列化产品 已基本实现了产业化。 本文以上述课题为支撑，扩展了其研究领域，以基本c a n 协议为基础，结合 现有的各种分析调度算法与c a n 总线数据通信的特点，引入时间触发方式与动态 优先级晋升方式相结合的基于表的动态优先级晋升方法来减少c a n 仲裁机制对其 数据实时性的影响；根据系统功能要求及总体硬件结构框图，设计了一种基于表 的动态优先级晋升方法的c a n 节点，包括硬件系统与软件系统的设计与实现，详 细地阐述了该方法的实现。 2 课题意义 过程总线替代传统的二次电缆连接可以进一步提高变配电站自动化的技术水 平，是变电站自动化技术发展的重要趋势。过程总线的实用化首先必须解决的问 题是选择合适的通信技术，确保信息在网络上传输时有可预测的、确定的端对端 时延，能够满足变配电站自动化功能对信息传输提出的实时性要求。对c a n 总线 的研究表明，c a n 总线上的数据采用短帧结构，比其他一般的通信系统具有更好 的实时性，但是也存在一定的局限性。一方面，当网络负载率增加时，数据帧在 网络中的碰撞率也会增加，如果继续使用标准c a n 总线的协议，优先级较低节点 发送的数据帧的实时性会受到影响，传输的实时性也将会恶化。在其极端状况下， 低优先级节点的数据帧将不能发送。另一方面，c a n 总线协议采用固定优先级分 配方式，其地址和优先级都是通过帧结构中的仲裁场来设定，这使不同地址的c a n 节点不能公平共享总线带宽。因此研究过程c a n 总线的实时性能不但为构建合理 的c a n 总线控制系统提供依据也对c a n 总线性能指标有较清晰的掌握，为改善和 优化其性能提供理论基础，而且积累了研究c a n 总线技术的相关知识和经验，使 其更好地应用在变配电自动化系统中。 1 4 本文的主要工作和内容安排 本文在翻阅了大量的参考资料和借鉴了许多他人研究成果的基础上，结合周 期数据与非周期数据的特点，在没有改变c a n 协议的前提下，针对变配电过程 c a n 总线实时性存在的问题提出了一种基于表的动态优先级晋升方法。将设计的 基于该方法的c a n 节点应用于配电演示平台，对该方法的工程可行性与实用性进 行了验证，并对配电演示系统的通信功能进行了相关测试。 第l 章绪论。论述了该课题的选题背景，分析了该领域当自仃国内外的研究现 状和发展趋势，并阐述了课题的研究意义。 硕l ：学位论文 第2 章c a n 总线实时通信技术基础。介绍了c a n 总线的相关技术、变配电 过程c a n 总线通信网络模型及其自动化系统对通信网络的要求；给出了实时性评 价指标、消息触发机制与常见的实时调度算法。 第3 章c a n 总线时延特性分析及改进。在研究c a n 总线的媒体访问技术基 础上阐述了c a n 总线存在的实时性问题，并分析了c a n 总线最糟糕响应时延；分 析了目前存在的提高c a n 实时性的方法一基于表的静态调度方法与动态优先级晋 升方法，结合其各自特点给出了一种基于表的动态优先级晋升方法；通过最糟糕 响应时延分析来验证该方法的理论可行性。 第4 章基于表的动态优先级晋升方法的c a n 节点实现。根据系统设计要求及 总体硬件方案，给出了各功能模块的硬件设计原理及部分电路图；根据软件方案， 结合硬件电路，详细阐述了基于表的动态优先级晋升方法在c a n 节点中的实现， 并给出了系统的软件设计流程。 第5 章配电演示系统的测试及结果分析。结合企业配电演示平台与智能断路 器等，测试了c a n 节点样机的性能；并利用u s b c a n 通信转换器及c a n 监控测 试界面，对c a n 总线作为过程总线应用在配电演示系统的通信功能进行测试。 最后，对本文的研究工作进行了总结与展望。 变配电过程c a n 总线时延特性分析及其节点实现 第2 章c a n 总线实时通信技术基础 随着现场总线技术的发展及其在变配电自动化领域应用的不断深入，变配电 站自动化是电网改革发展目标。但变配电通信系统中，由于被控对象和测控装置 等地域上越来越分散、系统规模上越来越大，实时性问题也越来越突出。为了满 足层与层之间消息的实时性要求，必须对过程总线上的消息传输进行合理的规划 与调度，以保证系统的可靠性与实时性。本章在介绍变配电过程c a n 总线通信模 型及对通信网络要求的基础上对系统实时性的背景知识和基本概念进行了介绍， 包括评价指标和实时调度算法，同时对c a n 总线技术应用的关键性问题进行了介 绍。本章内容是下面各章分析和讨论的基础。 2 1c a n 总线技术 2 1 1c a n 协议概述 c a n 总线协议模型结构只有三层，建立在国际标准组织的开放型系统互连模 型基础上，取o s i 底层的物理层、数据链路层和应用层【2 0 1 。c a n 协议的分层结构 及功能见图2 1 。 图2 1c a n 的1 s o o s i 参考模型的层结构 2 1 1 1c a n 总线物理层 物理层主要用于网络中各节点之问的物理数据传输，说明了传输线和硬件接 口的机械特性、电气特性及电信号特性等等。机械特性主要指连接器的尺寸与类 6 硕 ：学位论文 型；电气特性指网络中允许传输的最大速率、信号能够传输的最大距离及信号电 平状态所表示的意义；电信号特性表示逻辑信号所表示的电平信号、数据的采样 方式、信号传输时序等。c a n 协议使用媒体访问控制方式，在传输介质上采用逐 位比较的非破坏传输机制。标识符低的高优先级报文在仲裁成功后，获得传输介 质访问权将继续传输其数据场中的位。c a n 物理层使用的传输介质都能支持显性 状态与隐性状态，且报文的显性状态优先级高于其隐性状态。因此传输介质的电 平会保持隐性状态直到有节点发送了一个显性位【2 1j 。 c a n 物理层最常用的标准是o s i1 18 9 8 标准，其主要是定义了两差分电压链路 的电气特性规范，是工业组织c i a 与国际c a n 使用商共同商议提出。在总线波特 率达到最高l m b p s ，最多可连接3 0 个节点。c a n 系统内两个任意节点之间的最大 传输距离与其位速率有关，c a n 波特率与最大传输距离的关系见表2 1 1 4 l 。 表2 1c a n 波特率和最大总线长度的关系 c a n 波特率最大总线长度 1 0 k m 3 3 k m 1 3 k m 6 2 0 m 1 3 0 m 4 0 m 2 1 1 2c a n 总线数据链路层 c a n 总线数据链路层分成逻辑链路控制子层( l l c ) 与媒体访问控制子层 ( m a c ) 。m a c 子层主要用于传送报文，完成消息成帧、总线仲裁、帧应答、错误 检测及标定等功能；l l c 子层主要用于报文的逻辑管理，如帧滤波、超载通知与 恢复管理等”j 。 1 逻辑链路子层( l l c ) l l c 子层是c a n 协议的目标层，在逻辑上实现了报文的发送与接收并对c a n 报文的状态进行了相关的处理，主要用于帧接收滤波、超载通知与恢复管理。 ( 1 ) 帧接收滤波：在l l c 子层上用标识符来描述c a n 帧的内容。c a n 的标识 符除了用来表示报文的目的地址外，还包括了节点属性、数据含义等许多其他信 息，c a n 控制器通过报文的接收滤波器束确定是否能够接收此报文。 ( 2 ) 超载通知：c a n 控制器通过向l l c 子层发送超载帧来延迟下一个数据帧或 者超载帧的到来时刻。 ( 3 ) 恢复管理：在发送时因仲裁失败或被错误干扰的报文具有自动重发的。 2 媒体访问控制子层( m a c ) m a c 子层是实现c a n 协议的关键所在，主要用于将l l c 子层发送与接收的报 7 娜一一一 变配电过程c a n 总线时延特性分析及其节点实现 文转换成m a c 帧格式。按照i e e e8 0 2 3 规定的功能模型把m a c 子层划分为发送与 接收两个完全独立的部分。 ( 1 ) 发送部分的功能 封装待发送的数据：对从l l c 子层接收的报文进行c r c 循环计算，并为l l c 帧加上帧头、帧尾等信息把l l c 帧构造成为m a c 帧。 发送媒体访问管理：如果确认总线空闲后就开始发送报文；将m a c 帧进行 串行化处理；进行位填充；丢失仲裁时退出发送状态且同时进入接收状态；检测 错误；应答校验：确认报文的超载条件，构造并且发送超载帧；构造并且发送出 错帧：往物理层输入串行化的比特流。 ( 2 ) 接收部分的功能 拆装接收到的数据：首先，为收到的帧去掉m a c 所特有的信息；然后，往 l l c 子层传送去除m a c 帧格式的接口控制信息与l l c 帧。 接收媒体访问管理：接收串行化的比特流；改变数据流的串行结构并且重 新构造帧结构；位填充检测；错误检测；发送应答信号；构造并发送错误帧；确 认超载条件，重新激活并发送超载帧。 3 数据链路层的帧结构 在分层结构中，数据链路层的位置上处于物理层之上。在数据链路层上通过 一系列的协议规定，把不可靠的物理层数据包变成可靠的数据传输。数据链路层 中包括了4 种不同类型的帧结构与帧控制。数据场中包含一个或者多个数据的数据 帧从一个节点的发送缓冲区到另一个节点的接收缓冲区；请求某个节点发送数据 帧的远程帧，其数据帧的标识符与自身发送的帧的标识符相同；当检测到总线发 送错误时节点发送的出错帧；用于为当前帧与后面的帧增加附加延迟的超载帧； 使得数据帧或远程帧与当前的其他帧隔丌的帧空间。这五种帧结构中，数据帧用 于传输有效数据，是c a n 总线最常用的帧类型l 2 1 j 。 ( 1 ) 数据帧 数据帧由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 校验场、应答场与帧结束 这7 个不同场所组成，其中数据场可能没有数据。c a n 2 0 b 协议规定了两种形式的 帧格式，通过区分仲裁场标识符的长度可以来区分这两种不同的帧格式，标准帧 有1 1 位标识符，而扩展帧有2 9 位标识符，c a n 2 0 b 数据帧格式见图2 2 。 c r c 校验场、应答场和帧结束在图中未标出。帧起始s o f 由一位显性位所构 成，代表了该数据帧的开始。仲裁场由标识符、s r r 位、i d e 位和r t r 位所组成。 对于标准帧格式而言，ll 位标识符按照高位i d l 0 到低位i d 0 的逐位发送。标识符的 最高7 位，即从i d l 0 到i d 4 ，不允许全部都是隐性位。控制场由2 个保留位r l