（电路与系统专业论文）can总线通信实时性研究与实现.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：堕l 竺 日期： 论文使用授权声明 j 口7 岁 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，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、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：! 受堕导师签名日期：兰堕： c a n 总线通信实时性研究与改进 摘要 在现场总线控制系统中，c a n 总线由于其低成本、高可靠性、实施维护简单 等优点成为目前应用最为广泛的现场总线之一。然而，随着网络规模和控制系统 复杂性的增加，对通信实时性的要求越来越高，因此，研究c a n 总线通信实时 性能，提高c a n 总线通信实时性能具有重要的应用价值。 论文以c a n 总线的实时性问题为研究对象。首先分析了c a n 总线协议的特 点，指出在高网络负载时低优先级节点的通信实时性存在闯题；接着借鉴国内外 学者在提高c a n 总线实时性方面取得的研究成果，讨论了两种典型的提高c a n 总线实时性的改进方法：时分复用方法和动态优先级分配方法，通过对它们各自 特点的分析比较，提出了一种新的结合时分复用和动态优先级分配方法的改进方 法，该改进方法针对时间触发的周期性实时信息和事件触发的非周期性实时信息 的特点，能有效地提高c a n 总线通信的实时性能；然后通过数学分析和软件仿 真比较了改进方法与其他几种典型方法的实时性能，验证了该改进方法的实时性 能优于其他几种典型方法；最后建立系统实验平台，以五个c a n 总线节点组成 c a n 总线通信硬件实验系统，通过硬件实验验证了改进方法能有效地提高c a n 总线通信的实时性能。 论文的研究成果表明，采用时分复用和动态优先级分配相结合的改进方法能 够保证低优先级实时信息在高网络负载下的通信实时性。 关键词：现场总线控制系统，c a n 总线，通信实时性 c a n 总线通信实时性研究与改进 r e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n b a s e do nc a n b u s a b s t r a c t b y x u z h o u a t 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 f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f m a s t e r o f s c i e n c e i n t h e s c h o o lo f i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o f t h e f u d a nu n i v e r s i t y i nt h ea r e ao f f i e l d b u sc o n 臼o is y s m m , c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) b u sh a sb e e n w i d e l yu s e df 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 yd e s i g na n ds i m p l em a i n t e n a n c e w i t ht h e e x p a n s i o no f n e t w o r ks c a l ea n dt h ei n c r e a s i n gc o m p l i c a c yi nf i e l d b u s c o n n o l s y s t e m , r e a lt i m ec o m m u n i c a t i o ne a l p a b i f i t yo o m e $ t ob eap r o b l e m s oi ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yt h er e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i co fc a nb u sp r o t o c o la n di m p r o v ei t s r e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nc e p a b i l i q , t h i sp a p e rf o c u s e do l lt h er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t yo f c a nb u s f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc a nb u sp r o t o c o l ，a n di n d i c a t e dt h a tl o w p r i o r i t yc a n b u sn o d e sh a ds o m er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o np r o b l e m sw h e nt h e yw e r c u s e di nh i g hn e t w o r kl o a d t h e nas m m n a r yo fi m p r o v e m e n to fc a nb u sp r o t o c o l w a sm a d e , w h i c hh a db e e nr e s e a r c h e db ys c h o l a r si n - c o u n t r ya n do v e r 翻冶5 a n dt w o t y p i c a lm e t h o d sw e d i s c u s s e dh e r e ：t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gm e 也o da n dd y n a m i c o r i t ya l l o c a t i o nm e t h o d a c a ：o r d i n gt ot h e i rc h 缸a c 硎，al l c wm o t h e do ft i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gd e s i g nu s i n gd y n a m i cp r i o r i t ya l l o c a t i o nw a sp r e s e n t e d n 坞 n f a vm o t h e dc s ni m p r o v et h er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t ye f f e c t i v e l yb y o p l i n l i z i n gb o t hl i m e - t r i g g e r e dr e a lt i m ei n f o r m a t i o na n de v e n t - t r i g g e r e dr e a lt i m e i n f o r m a t i o n s e c o n d l y , t h en 鲫m o t h e dw a sp r o v e de f f e c t i v e l yb y m a t h e m a t i c 2 c a n 总线通信实时性研究与改进 锄d a s y $ a n ds o i t w a l - es i m u l a t i o nf i n a l l y , a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw a se s t a b l i s h e x l w h i c h 髑c o m p o s e do ff i v ec a nb u sn o d e s a g a i n , t h en e wm o t h e dw a sp r o v e d e f f e c t i v e l yt oi m p r o v et h er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t yo fc a nb u sp r o t o c o l a f t e rr u i n i n gt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h es t u d yi nt h i s 牟l p c ri n d i c a t e dt h a tt h e 翦wt o o t h e do ft i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n gd e s i g nu s i n gd y n a m i cp r i o f i t ya l l o c a t i o ng r a n t e e dl o wp r i o r i t y i n f o r m a t i o nr e a lt i m ec a p a b i l i t yu n d e rt h ec o n d i t i o no f h i g hn e t w o r kl o a d k e y w o r d s ：f i e l d l m sc o n t r o ls y s t e m , c a nb u s ，r e a lt t m ec o m m u n i c a t i o n 3 c a n 总线通信实时性研究与改进第一章概述 第一章概述 1 1 课题的研究背景 随着电子技术和信息化技术的飞速发展和日益成熟，自动化控制技术已深入 到生产、生活中的每个领域，从汽车电子、航空电子、工业控制到和生活息息相 关的智能数字家庭、智能楼宇、安防系统都离不开自动化控制技术的支持。我国 正处于信息化、现代化的技术变革之中，自动化控制领域的技术发展有着广泛的 市场应用前景。 目前，自动化控制系统的体系结构向分散化、模块化发展的格局已基本形成。 一般，控制系统由上位监控设备和下位终端设备组成，上位监控设备主要完成逻 辑控制、网络通信、人机交互、数据处理与存储功能，而下位终端设备主要完成 测量、监控、数据传送功能。随着设备间通信的信息量的增加和通信实时性要求 的提高，作为设备问信息纽带的通信总线技术成为自动化控制领域的研究热点。 现场总线作为第五代控制系统总线得到了越来越广泛的应用。现场总线技术摒弃 了传统集散控制系统中通信协议的专用性、封闭性，实现通信协议的公开化、标 准化，它采用智能设各，各现场执行设备可以独立进行各种控制、维护、出错管 理等工作，实现了智能化控制。现场总线的应用减少了投资成本和运行费用，同 时提高了系统的可靠性。 1 2 现场总线技术的发展 现场总线是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制 造自动化、楼字自动化等领域的智能设备互连通信网络。从本质上说，现场总线 是一种数字通信链路，是连接智能现场终端设备和自动化系统的数字式、全分散、 双向传输、多分支结构的通信网_ 络。它采用了开放式、新型全分布控制系统，要 求其通信协议简单、容错能力强、安全性好、成本低，具有一定的时间确定性和 较高的实时性要求 现场总线系统一般认为为第五代控制系统。2 0 世纪5 0 年代以前的基于气动 信号标准的为第一代控制系统，随后的第二代控制系统基于4 - 2 0 m a 的模拟信号 标准，到了7 0 年代，在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了数字计算机，由 此产生的第三代控制系统使用集中式控制模式，2 0 世纪8 0 年代，现场终端设备 中普遍使用了微处理器，产生了第四代集散控制系统。集散控制系统将主控机的 部分功能分散到多个微处理器来完成，分散了主控机的部分工作，另外，集散控 制系统广泛采用数字信号通信。虽然集散控制系统相对于集中式的控制系统有很 4 c a n 总线通信实时性研究与改进第一章概述 大优势，但随着集散技术的普及，其通信没有统一标准、系统缺乏互联性等缺点 也逐渐暴露出来。现场总线控制系统作为新一代控制系统，采用公开化、标准化 的通信系统，克服了集散控制系统的缺点。 现场总线系统是一个开放性的系统，其通信协议公开、标准化，各不同厂家 的设备之间可以进行互连并实现信息交换，任何一个遵守了相同现场总线标准的 设各都可以连接入现场总线网络，与其他设备互连。现场总线系统具有智能化， 它将传感器测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场终端设备中完 成，仅靠现场终端设备即可以完成自动控制的基本功能。同时，现场总线系统结 构高度分散化，由于现场终端设备本身可以完成自动控制的基本功能，使得现场 总线构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，简化了系统结构，提高了可靠 性。 正由于现场总线技术的上述特点，在过去的近2 0 年中，现场总线技术高速 发展，现在有f o u n d a t i o n f i e l db u s ( f f ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 等 几种成熟的现场总线技术。其中c a n 总线在世界范围内应用的数量最大，备受 业界关注。 c a n 是英文c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 的缩写，即控制器局域网络。c a n 总线 协议最初是在8 0 年代由德国b o s c h 公司提出的，并成为国际标准。当时为了解 决汽车中庞大的电子控制设备之间的通信，减少不断增加的连接信号线，设计出 一种单一的网络总线，所有的设备器件都可以被挂到该总线上，该网络总线就是 c a n 总线。由于c a n 总线良好的性能，譬导到了业界的广泛关注和研究，各种 c a n 总线协议相继提出：c a n 2 0 a 、c a n 2 o b 、c a n o p e n 、n e t d e v i c e 协议等 作为一种日趋成熟的协议，c a n 总线已从最初应用于汽车电子系统，转向应用 于多种领域。标准的c a n 总线协议【i 】参考国际化标准组织的开放系统模型o s i ， 实现了o s i 的最底两层；物理层和数据链路层。 c a n 总线特性总结如下： 通信速率最高可达1 m b p s ，此时传输距离最远为4 0 m 。 传输距离最远可达l o k m ，此时通信速率为5 k b p s 。 c a n 总线物理层传输介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，一般采用双绞线 作为物理介质。c a n 总线传输采用差分信号，具有高抗电磁干扰能力。 c a n 总线的传输报文采用短帧结构，每一帧报文最长有限数据字节数为8 字节，所以传输时间短，受干扰的概率降低，同时短帧结构有利于提高实时 性能。 c a n 总线支持多主工作方式，网络上任何节点都可以在任何时刻主动向其它 节点发送信息，支持点对点、一点对多点和广播式通信。 5 c a n 总线通信实时性研究与改进第一章概述 c a n 总线采用非破坏性位仲裁方式进行总线通信。当两个节点同时发送消息 产生冲突时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受 影响地继续传送数据，确保了消息传输的时延有界性。 当某个节点发生严重错误时，该节点将自动切断与总线连接，具有自动关闭 功能。 从上述c a n 总线的特性可以看到，c a n 总线有较多技术优势和较成熟的技 术背景，其已广泛应用于汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等诸多领域。 1 3 课题的研究现状和意义 目前，随着现场总线的普及，对现场总线可靠性和实时性的研究也越加深入。 对于应用最广泛的现场总线c a n ，发现虽然c a n 总线协议采用短帧结构，传输 时间短，最高传输速率可以高达i m b p s ，这使c a n 总线网络系统比一般的通信 系统具有更好的实时性能。但是，当网络负载增加时，消息帧在网络中的碰撞几 率也随之增加，如果仍然沿用c a n 总线规定的协议，较低优先级的协议帧发送 的实时性就会受到影响，低优先级的协议帧的传输实时性将恶化，在极端情况下 低优先级的协议帧将不能发送信息 4 4 1 c a n 总线协议采用静态固定的优先级分 配方式，并且其优先级功能和地址功能都通过协议帧结构的仲裁场绑定，使不同 地址的c a n 总线节点很难公平地共享总线带宽。c a n 总线协议的这些问题制约 了其在汽车电子等领域的发展 2 9 1 。 在c a n 总线控制系统中，我们可以将传送的实时信息分为两类，一类是周 期性定时发送的实时信息，即时间触发的实时信息；另一类是非周期性发送的实 时信息，即事件触发的实时信息。针对周期性信息和非周期性信息的特点，国内 外的一些学者在c a n 总线实时性方面提出了一些理论上的研究和改进。德国 b o s c h 公司针对周期性实时信息的特点提出了时分复用的r r c a n 协议圈：葡萄 牙学者l u i sa l m c i d a 等针对1 r i a n 协议的灵活性方面的缺乏提出了改进的 f t r c a n 协议刚；国内的学者针对非周期性实时信息的特点提出了动态优先级晋 升的算法刚；一些高等学校、科研机构根据动态优先级晋升的算法改进了其调度 机制l 习嘲这些研究工作无疑将推动c a n 总线在控制系统领域的推广与发展。 1 4 论文的主要工作和内容安排 本论文通过查阅大量参考资料并借鉴了他人的研究成果，结合了周期性实时 信息和非周期性实时信息的特点，在不改变c a n 总线协议标准的前提下，提出 了针对c a n 总线实时性问题的改进方法。通过系统实验平台的建立，验证了改 6 c a n 总线通信实时性研究与改进第一章概述 进方法的实时性能和工程可行性。 本论文的工作归纳起来主要有以下几点： 分析了标准c a n 总线协议的实时性能，引入了提高实时性的时分复用方法 和动态优先级分配方法，分析了这两种方法的特点并结合这两种方法的优点 提出新的改进方法。通过数学分析和软件模拟实验验证了该改进方法的实时 性能优于其他两种方法。 建立了系统实验平台用于验证改进方法的实时性能。系统实验平台由一个上 位监控设备和多个下位终端设备组成，通过c a n 总线连接各设备组成一个 系统。上位监控设备需要强大的信息处理能力，采用嵌入式a r m 技术和 l i n u x 操作系统来设计实现 使用系统实验平台设计实验，模拟了车载电子控制系统，验证了改进方法的 实时性能，说明了改进方法可以有效解决c a n 总线在汽车电子应用中的实 时性问题。 ， 本文内容的具体安排如下： 第二章：c a n 总线基本原理 第三章：c a n 总线实时性研究与改进 第四章：c a n 总线系统实验平台设计 第五章：c a n 总线的实验设计与实验结果 第六章：总结和展望本文的工作 7 c a n 总线通信实时性研究与改进 第二章c a n 总线基本原理 第二章c a n 总线基本原理 2 1 本章概述 本章主要介绍了c a n 总线协议与基本原理。 2 2c a n 总线的发展与特点 c a n 总线协议最早由德国b o s c h 公司在1 9 8 6 年提出。当时为了解决现代汽 车中庞大的电子控制设备之间的通信，减少不断增加的连接信号线，设计出一种 单一的网络总线，所有的设备器件都可以被挂到该总线上，该网络总线就是c a n 总线。1 9 9 1 年，b o s c h 公司的c a n 总线协议正式成为国际标准，这就是c a n 2 0 a 协议。1 9 9 5 年，国际标准化组织公布了2 9 位c a n 总线扩展标识符的c a n2 0 b 协议。经过十多年的发展完善，c a n 总线在汽车工业、航空工业、工业控制、 安全防护等诸多领域得到了广泛应用。 c a n 总线是一种多主方式的串行通信总线，它具有传输位速率高、传输距离 远、可靠性高和实时性好等优点，下面介绍下c a n 总线协议。 2 3c a n 总线协议f 1 j 【7 】 c a n 总线协议主要描述设备之间的信息传递方式。国际标准化组织提出的开 放系统互连模型( o s i ) 分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会 话层、表示层和应用层，c a n 总线协议规定了最下面两层；物理层和数据链路 层。 物理层的作用是在物理传输介质上传输各种数据比特流，规定了位同步、位 编码等功能。c a n 总线可以使用多种物理传输介质，最常用的是双绞线。信号 采用差分电压传输，两条差分信号线分别被称为“c a n _ h ”和“c a nl ”，静态 时c a nh 和c a nl 均为2 5 v 电平，此时状态表示为逻辑“1 ”，或者叫做“隐 性”；c a n _ h 比c a n _ l 高时表示逻辑“0 ”，或者叫做“显性”，通常c a n _ h = 3 5 v 电平。c a nl = 1 5 v 电平，如图2 1 所示。因此，采用差分传输，c a n 总线具有 较高的抗电磁干扰能力 s c a n 总线通信实时性研究与改进第二章c n 总线基本原理 v 3 5 2 5 图2 1 c a n 总线电平 t c a n 总线协议规定了传输最高速率为1 m b p s ，其传输速率与传输距离有一定 比例关系，主要和介质的频谱和阻抗有关系。 位速率最大总线长度 1 m b p s 4 0 m 5 0 0 k b p s 1 3 0 m 1 0 0 k b p s 6 2 0 m 5 0 k b p s 1 3 k m 2 0 k b p s 3 3 k m 5 k b p s 1 0 k m 表2 ic a n 总线位速率和最大总线长度关系 数据链路层基于物理层之上，通过一系列的协议，在不可靠的物理层上实现 可靠的数据传输。数据链路层包括两个子层：介质访问控制子层m a c 和逻辑链 路控制子层l l c 。m a c 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定；l l c 予层负责处理报文过滤、过载通知和恢复报文的管理。 数据链路层同时定义了c a n 总线帧结构，c a n 总线有四种不同的帧类型： 数据帧：用来将数据从发送端传送到接收端； 远程帧：请求发送具有同一标识的数据帧； 错误帧：在任何单元检测到总线错误就发出错误帧； 过载帧：用于在相邻数据帧和远程帧之间提供附加的时延。 9 c a n 总线通信实时性研究与改进 第二章c a n 总线基本原理 这四种帧结构中，数据帧用于传输有效数据，是c a n 总线最常用的帧类型。 下面介绍下c a n 总线各帧结构。 ( 1 ) 数据帧 数据帧由七个不同的位场组成，分别是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、 c r c 场、应答场和帧结尾。 图2 2 数据帧结构 帧起始表示数据帧的起始，由一个单独的“显性位”组成。只在总线空闲时， 才允许节点发送帧起始。， 仲裁场分为标准帧格式的仲裁场和扩展帧格式的仲裁场。在标准帧格式中， 仲裁场由1 1 位标识符和远程发送请求( r t r ) 位组成。在扩展帧格式中，仲裁 场由2 9 位标识符、替代远程请求( s r r ) 位、识别符扩展( m e ) 位和远程发送 请求( r 1 r ) 位组成。 i 帧起始卜一仲裁场叫 ll l l 位标识符 l r t r l 图2 3 标准帧仲裁场结构 j 懒卜一俩铴一 堕巫 三巨 二堕匠 图2 4 扩展帧总裁场结构 控制场由6 个位组成。其中2 位是保留位，必须为“显性”；剩下4 位是数 据长度代码，由于数据帧最多允许发送8 个字节长度数据，所以4 位数据长度代 码从0 x 0 到0 x 8 卜一控制场一 图2 5 控制场结构 c a n 总线通信实时性研究与改进第二章c a n 总线基本原理 c r c 场由循环冗余码求得为进行c r c 计算，被除的多项式系数由无填充 位流给定，组成这些流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场，而1 5 个 最低位的系数是0 用此多项式除以下面的多项式： 善”+ + x ”+ 善+ x 7 + 一+ x 3 + l ，得到的余数就是发送到总线上的c r c 序列 c r c 序列之后是c r c 界定符，它是一个单独的“隐性”位。 应答场由应答间隙和应答界定符组成。在应答场里，发送节点发送两个“隐 性”位，当接收器正确地收到有效的报文，接收器就会在应答间隙期间向发送器 发送一“显性”的位以示应答。 帧结尾用连续7 个“隐性”位表示帧的结尾。 ( 2 ) 远程帧 远程帧由6 个不同场构成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧 结尾，除远程帧中r t r 位为“显性”位外，其余各位场与数据帧的相应位场相 同。 ( 3 ) 出错帧 出错帧由出错标志和出错界定符组成。错误帧检测c a n 控制器的出错状态 及出错类型，作为检测出错条件的信号 ( 4 ) 过载帧 过载帧由过载标志和过载界定符组成。当接收器在接收下一格帧前需要更多 的时间处理当前数据，即接收器未准备好，将发送过载帧。 2 4c a n 总线仲裁方式 c a n 总线网络采用载波监听多路访问避免碰撞( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c 豁s c o l l i s i o n a v o i d a n c e c s m a c a ) 的介质访问控制方式。每个在c a n 总 线上发送的报文都有仲裁场，仲裁场的1 l 位或2 9 位标识符表示了该报文的传输 优先级。c a n 总线的状态取决于逻辑0 而不是逻辑1 ，所以标识符越小，则报文 拥有越高的优先级，因此一个为全0 标识符的报文具有总线上的最高优先级。 当两个c a n 节点同时发送数据发生冲突时，如果第一个节点发送显性0 。而 另外的节点发送隐性l ，那么总线状态为显性0 ，第一个节点读回总线状态，发 现和自己的发送位相同，都是显性0 ，那么它继续发送后面的位，而另外的节点 读回总线状态，发现读回状态是显性0 雨发送的是隐性l ，那么它就知道另一个 具有更高优先级的节点正在访问总线，它会停止发送报文。这是一种无损的仲裁 c a n 总线通信实时性研究与改进 第二章c a n 总线基本原理 方式，它能保证高优先级节点赢得仲裁，并在一个保证的时间限度里发送完报文。 看下面的例子：假设节点a 和节点b 同时发送数据，节点a 的仲裁场的前5 位为0 1 0 1 0 1 ，节点b 的冲载场的前5 位为0 1 0 1 0 0 。由于仲裁场前4 位相同，各 节点一直发送数据位，当发送到第5 位后，节点b 发送逻辑0 赢得仲裁，而节点 a 发送逻辑1 丢失仲裁，随后节点a 自动退出总线，丽节点b 继续发送第6 位 数据位。仲裁过程如图2 6 所示 帧起始0 0 0 10 2 0 30 40 5 黼 厂 厂 匠。丢舯载 献8 厂 厂厂 t 图2 6 仲裁过程 2 5 总结 本章介绍了c a n 总线协议与其无损仲裁机制，下章我们研究c a n 总线实时 性能和改进方法。 c a n 总线通信实时性研究与改进第三章c a n 总线实对性研究与改进 第三章c a n 总线实时性研究与改进 3 1 本章概述 本章首先分析了c a n 总线实时性能，然后研究了针对周期性信息和非周期 性信息的实时性提高方法，并提出了新的改进的方法，最后通过数学分析和实验 比较验证了改进方法对c a n 总线实时性能的提高。 衡量网络实时性能的指标是通信的延迟时间，即从消息产生时刻到将消息提 供给目标任务的时刻差。首先让我们了解下标准c a n 总线协议的实时性能。 3 2c a n 总线的实时性分析 网络系统根据系统应用场合，对网络的可靠性和实时性都提出了一定的要 求。为了提高网络通信的可靠性，典型的网络系统一般增加通信的纠检错能力、 冗余能力、容错能力等技术来提高可靠性；而网络的实时性能一般与网络所采用 的通信协议、网络的负载情况、网络的传输速率和通信报文的大小等因素有关， 特别是通信协议中的介质访问控制方法对网络的实时性能影响较大田。 通信协议中介质访问控制方法主要提供了协议或算法，如何将通信频带的带 宽有效合理地分配给各用户，它要保证在相同的优先级下对各用户公平合理地分 配通信带宽，并尽可能提高通信带宽的使用效率。介质访问控制方法一般分为同 步和异步两种实现技术，典型的方法有争用方式，所有的用户都能同时争用介质 通信，哪个用户获得介质由仲裁算法给出。以太网络和c a n 总线网络都采用争 用方式 以太网采用载波监听多路访问碰撞检测( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ， c o l l i s i o nd e t e c t i o n c s m a c d ) 的介质访问控制方式。其工作原理如下；发送 节点检测介质状态，如果介质空闲则可以发送数据，如果介质忙碌贝q 等待到空闲 才能发送数据：如果发送数据时检测到介质通信冲突，则立即终止数据发送，并 发送一段干扰信息后，进入退避状态，再经过一段随机的等待时间后，再重新发 送，如果再次检测到冲突，继续退出、等待、重新发送，在多次( 1 6 次) 发送 失败后将放弃数据的发送该算法的缺点是，当网络负载比较高时，通信冲突是 不可避免的，由于算法的随机性和不确定性，数据传送的时延也随之不确定，很 难保证每个数据时延的有界性。 c a n 总线网络采用载波监听多路访问避免碰撞( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e c s m a c a ) 的介质访问控制方式。c s m a 触可以 认为是对c s m a c d 介质访问控制方式的改进，它规定了优先级字段，当通信冲 c a n 总线通信实时性研究与改进 第三章c a n 总线实时性研究与改进 突发生时，低优先级节点会自动退出发送，只有高优先级节点才能发送数据，和 c s m a ，c d 介质访问控制方式相比是一种无损的仲裁方式：其工作原理如第二章 所述如下：发送节点检测介质状态，如果介质空闲则可以发送数据，如果介质忙 碌则等待到空闲才能发送数据；如果发送数据时发生介质通信冲突，进入仲裁阶 段，如果节点发送一个隐性位而在总线上检测到显性位，则说明这时总线上有优 先级更高的数据正在同时发送，所以该节点优先级较低，失去了仲裁，立即终止 发送，等介质空闲再试图重新发送，而优先级较高的节点顺利发送数据。 c s m a c a 方式可以保证高优先级数据不受任何干扰地完成数据发送，数据的时 延有确定性，其无损的仲裁方式有效提高了带宽效率，而且c a n 总线采用短帧 结构，传输时间短 所以，c a n 总线网络以其高可靠性和实时性广泛用于现场总线系统，在汽车 电子、工业控制中有着广泛应用。 3 3c a n 总线实时性问题 通过上节的分析，我们知道c a n 总线网络系统作为多主通信系统，采用了 c s m 们a 介质访问控制协议。该协议规定了无损的仲裁方式，在仲裁过程中， 具有较高优先级的协议帧赢得仲裁，不受影响地发送数据：较低优先级的协议帧 退出发送等待。并且，c a n 总线协议采用短帧结构，传输时问短，最高传输速 度可以高达1 m b p s 。这使c a n 总线网络系统比一般的通信系统具有更好的实时 性能。 对于低网络负载的c a n 总线网络系统，c a n 总线规定的协议可以很好的工 作，因为这个时候协议帧在网络中碰撞的概率很小，网络的实时性比较好。然而， 随着网络载荷的增加，协议帧在网络中的碰撞也随之增加，如果仍然沿用c a n 总线规定的协议，较低优先级的协议帧发送的实时性就会受到影响。当碰撞概率 达到一定的程度，由于c a n 的仲裁协议，网络中的较低优先级的协议帧就不能 发送成功，而发送这些低优先级协议帧的节点会因为多次发送错误而很快关闭节 点退出总线。所以在高网络负载情况下，高优先级的协议帧的传输实时性没有受 到太大影响，低优先级的协议帧的传输实时性恶化，其可能多次失去仲裁，使重 新发送的次数增加，传输时延变大，在关闭节点退出总线这种极端情况下，其传 输时延将变为无穷大 4 - 6 1 一个实时系统中，c a n 总线上的实时数据帧大致可以分为两类：周期性发送 的实时数据帧和非周期性发送的实时数据帧。周期性发送的实时数据帧以时间为 触发，每到特定的时间点发送数据，如上位监控设备请求下位终端设备采集数据 并返回上位监控设备的数据帧就是周期性发送的实时数据帧；非周期性发送的实 1 4 c a n 总线通信实时性研究与改进第三章c a n 总线实时性研究与改进 时数据帧以事件为触发，当某个事件发生时发送数据，所以为突发数据发送，如 下位终端设备探测到工作状态超过了某个限制值向上位监控设备报警的数据帧 就是非周期性发送的实时数据帧。 针对时间触发的周期性数据和事件触发的非周期性数据的特点，学者提出了 时分复用的方法f 2 j 【9 j 【1 川和动态优先级分配的方法鳓f 5 】嘲来提高c a n 总线的实时 性。 3 4 时分复用方法 3 4 1 时分复用基本原理 对于周期性强的数据，可以采用时分复用的方法。时分复用概念最早出现在 通信技术中，指将信道划分成多个连续的时隙，这些时隙在时间域中完全正交， 将不同用户的通信信号分配到不同的时隙中，以达到信道共享的目的。 同样，对于时间触发的周期性很强的数据传送，我们也可以把时分复用的概 念用到c a n 总线通信中，将c a n 总线上所有节点动作时间划分成多了连续的 在时域上正交的时隙，每个时隙分配给不同的c a n 总线节点，各c a n 总线节 点只有在自己时隙内允许发送数据帧。所以，各c a n 总线节点的动作是时间触 发的，适用于时间触发的周期性数据传送。通常各c a n 总线节点都有一个统一 的参考时闻，各c a n 总线节点的动作都依据一个预定的时间调度表，当预定的 时间调度表时刻到来时，菜个c a n 总线节点做相应地动作。如，按预定的时间 调度表规定，当时刻l 到来时，a 节点动作；当时刻2 到来时，c 节点动作：当 时刻3 到来时，b 节点动作等等。所以，只要时间调度表是确定的，c a n 总线 通信的时延也是可以预测的，采用时分复用方法数据传送的时延是确定的，有利 于提高c a n 总线的实时性 腮： 时间调度表 、 时刻 图3 1 时间调度表与时间触发动作图 c a n 总线通信实时性研究与改进第三章c a n 总线实时性研究与改迸 3 4 2 时分复用结构 c a n 总线的时分复用系统由一个时间主节点和若干从节点组成。主节点的时 钟被定义为全局时钟，所有从节点的时钟被定义为本地时钟，时间调度表中每个 节点动作的时刻被定义为时标。为了同步全局时钟和本地时钟，用一个时间主节 点发送参考消息，这个参考消息实际上是一个具有特殊i d 的数据帧。各节点每 收到一次参考消息，本地时钟被同步一次。 参考消息由时间主节点定时发出，连续的两个参考消息之间的时段称为基本 周期。多个基本周期组成了系统周期，系统周期即为一张时间调度表完成操作所 需时间，时间调度表可以用一个系统矩阵表示，系统就根据该系统矩阵周期性地 调度各节点发送数据帧。在基本周期内的时段，分为不同的对闯窗口( 时隙) ， 根据所要传送的信息长度的不同，时闻窗口的长度也可以不同。时间窗口是最小 的时间单位，时间窗口的长度要保证能够发送一帧c a n 数据帧。各节点的c a n 数据帧就在每个时间窗口中发送，该数据帧遵守标准c a n 总线的协议，即也由 起始场、仲裁场、控制场、数据场、c r c 校验和结束场组成。各时间窗口在时 域上正交保证相邻时间窗口的数据帧不会冲突干扰。时分复用结构如下图： t 系 统 周 期 上 li 卜一基本周期叫 - - 时阅窗口 图3 2 系统矩阵或对分结构图 3 4 3 系统时钟同步 时分复用技术的关键在于使所有时间窗口( 时隙) 在时域上保持正交，也就 是同步主节点的全局时钟和各从节点的本地时钟。为此，引入参考消息帧，参考 1 6 c a n 总线通信实时性研究与改进 第三章c a n 直线实时性研究与改进 消息是一个具有特殊i d 的数据帧，在每个基本周期的开始由主节点发送。各节 点每收到一次参考消息，本地时钟被同步一次。 我们可以参照时间触发控制器局域网( t h n e - t r i g g e r e dc a n ，t r c a n ) 协议中 的l e v e ll 方式同步时钟：本地时钟由时钟晶振和计时器组成，在每个计时器的 中断后，本地时钟计数器加l ，计数器溢出后重新开始计数。将各节点设置成捕 捉数据帧的起始位( s o f ) ，当数据帧到来检测到起始位( s o f ) 时，将本地时钟 存到同步标志寄存器( s y n c _ m a r k ) 中，判断该数据帧是否为一个有效的时间参 考消息帧，如果是参考消息帧，则将同步标志寄存器( s y n c _ m a r k ) 中的值导入 参考标志寄存器( r e f _ m a r k ) 中。通过对参考标志寄存器( r e f _ _ m a r k ) 的值和本 地时间的比较就可以得到同步的时间，即z k = 7 l 耐- r e f m a r k 如果硬件不支 持检测起始位( s o f ) ，我们可以通过软件的方式同步时间，但这样会牺牲同步的 精度。 本地时间 3 4 4 系统调度 同步标志寄存器 参考标恚寄存器 同步时间 图3 3时钟同步图 系统中需要有一个调度器来安排系统内所有节点的发送时间。通常时间主节 点设计为这个调度器，它根据时间调度表( 系统矩阵) 来安排各个节点的动作时 间，而各个从节点一般没有时间调度表( 系统矩阵) ，它们不理会其它从节点， 只听从主节点的调度安排，知道本身在某个时刻应该做什么动作。主节点调度各 从节点的调度信息也是通过参考消息帧传送的。标准的c a n 总线协议支持最长 8 个字节的数据长度，可以设计成将每个字节代表一个从节点的标识，那么在一 1 7 c a n 总线通信实时性研究与改进第三章c a n 总线实时性研究与改进 个基本周期内最多有8 个从节点可以发送信息，即有8 个时间窗口。例如，假设 每个时间窗口的长度都是一样的，时间调度表在第二个基本周期内的调度计划 是：节点2 在第一个时间窗口中动作；紧接着在第二个时间窗口中节点5 动作： 接下去的顺序依次为节点l 、3 、8 、6 、2 、l l ，那么参考消息帧的数据场为0 x 0 2 、 0 】【0 5 、0 x 0 1 、0 x 0 3 、0 x 0 8 、0 x 0 6 、0 x 0 2 、0 x 0 b 。当标识为2 的节点收到该参考消 息帧，就获悉自己在时隙l 和时隙7 中可以动作。 控制域数据域crc ：匝正丑亘正亚圈匝巫珀： 参考消息帧 图3 4 时间调度表与参考消息帧图 系统调度方法一般有两种：静态调度算法和动态调度算法。静态调度算法的 时间调度表根据系统需求预先设计生成，存储在主节点非易失性存储介质中，系 统初始化时从非易失性存储介质中获得时间调度表，系统工作时主节点按照时间 调度表的要求调度各从节点作相应动作。静态调度算法优点是实现简单，占用系 统资源少，缺点是灵活性小。一旦生成了调度表，在系统运行时就没有办法改变。 如果系统有从节点加入或退出c a n 总线，都要停止系统的运行，生成新的时间 调度表加载，才能使用。动态调度算法与静态调度算法正好相反，时间调度表可 以在系统运行时生成，可实时跟踪系统要求的改变，优点是灵活机动，缺点是算 法复杂并且占用大量系统资源 3 5 动态优先级分配方法 上节介绍了针对时间触发为主的周期性数据传送可以采用时分复用的结构 提高c a n 总线的实时性，本节介绍针对事件触发为主的非周期性数据传送的实 时性提高方法 i s c a n 总线通信实时性研究与改进第三章c a n 总线实时性研究与改进 3 5 1 问题分析 c a n 总线协议定义了c a n 的数据链路层中的媒体访问( m a c ) 子层和逻辑 链路控制( l l c ) 子层。c a n 总线的实时性是通过c a n 协议帧中特殊的场 “标识场”支持的。标识场被m a c 子层和l l c 子层共用，但作用和功能各不相 同。在逻辑链路控制( l l c ) 子层中，标识场用来表示c a n 总线节点的标识或 地址；在媒体访问( m a c ) 子层中，标识场用来表示优先级，通过c s m a c a 中的仲裁协议，标识场越小的协议帧的优先级越高，在仲裁中更容易赢得仲裁。 传输的节点标识和充数的优先级这两个不同的功能都要通过标识场来标示并绑 定在一起，这带来了问题：在一个c a n 总线网络中有多个节点，每个节点都有 各不相同的标识或地址，那么具有小标识的节点的标识场小，传输优先级高，所 以占用的网络带宽就要多；而具有大标识的节点的标识场大，传输优先级低，所 以占用的网络带宽就要少。在一个c a n 总线的系统中，一般总有很多节点它们 的优先级是相同的，需要共享带宽，而它们的标识不一定相同。 另外，在一些分布式控制的c a n 总线系统中，从节点的报警信息一般要求 优先级比较高，因为需要得到主节点的及时反馈。这时，如果采用固定优先级的 方式并且从节点发送信息的优先级比较低时，那么报警信息很