（系统工程专业论文）CAN总线实时性通信研究及改进.pdf

摘要 摘要 在现场总线控制系统中，c a n 总线由于其低成本、开发环境友好以及本身固 有的多主通信机制得到了高速发展。但随着网络规模和应用领域的不断扩大，这 给c a n b u s 系统通信的实时性带来严重挑战。 论文以c a n 总线的实时性问题为研究对象，在系统分析了c a n 总线协议的特 点并指出c a n 总线的主要局限性的基础上，对c a n 总线网络通信的实时性问题进 行了理论分析，说明在高负载情况下网络延时会大大增强。为此根据c a n 协议的 数据链路层特点提出了基于优先级晋升时分c a n 调度方法。该方法在调度过程中 没有增加额外的网络负载，减少了网络的信息碰撞；另一方面，保证了低优先级 信息在高负载时占有一定的带宽。最后，完成了c a n 网络控制实验平台的设计与 开发，通过实验证明了优先级晋升时分c a n 相对于基本c a n 在高网络负载下有更 小延时。 论文的研究成果表明，优先级晋升时分c a n 相对基本c a n 协议具有更小的网 络延时，并能够保证低优先级信息在高网络负载下占有一定的通信带宽。 关键词：网络控制系统c a n 总线实时性通信 b s l l r a c r a b s t r a c t i nt h ea r e ao ff c s ( f i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，丽t l il o wc o s t ，e a s yd e s i g na n d i n h e r e n tm n i t i - h o s t - c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) h a s w i t n e s s e dt h er a p i dd e v e l o p m e n t a n dw i t ht h ee x p a n s i o no ff c sn e t w o r ks c a l ea n d t h ea p p l i c a t i o n ，t h er e a lt i m ec a p a b i l i t yo fi t sc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nc h a l l e n g e d g r e a t l y f o c u s i n go nt h er e a l - t i m ec a p a b i l i t yo fc a nb u s ，b a s e do ni t sc h a r a c t e r i s t i c sa n d m a i nd i s a d v a n t a g e ，t h et h e o r yo ft h er e a lt i m ec a p a b i l i t yo fc a n - b u si sa n a l y z e d , f o l l o w e db yac o n c l u s i o nt h a tw i t hh i g hl o a dt h en e t w o r kt i m ed e l a yw o u l d 粤 c a t l y a u g m e n t a c c o r d i n gt ot h ec a nd a t al i n kl a y e rc h a r a c t e r i s t i c ，an e ws c h e d u l e a l g o r i t h mo ft i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gd e s i g nb a s e do nd y n a m i cp r ip m m o t ei s p r e s e n t e d t h i sa l g o f i t l u n 锄r e d u c et h ec o l l i s i o no fn e t w o r ki n f o r m a t i o nw i t h o u t a d d i t i o n a ln e t w o r kl o a d o nt h eo t h e rh a n d ，ag u a r a n t e et h a tt h el o wp r ii n f o r m a t i o n s t i l lo c c u p i e sac e r t a i nb a n d w i d t hu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hl o a d , i sm a d ei nt h i s a l g o r i t h m a tl a s t ，t h ed e s i g no fan e t w o r kc o n t r o le x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sd e s i g n e d ， a n dw i t ht h et e s td a t aac o n c l u s i o nc 吼b eg e tt h a tt h ed y n a m i cp i l lp r o m o t ec a nh a s l e s sn e t w o r kd e l a yo v e rb a s ec a n t h es t u d yi n t h i st h e s i si n d i c a t e st h a tt h ed y n a m i cp r ip r o m o t ec a nh a s l e s s n e t w o r kd e l a yo v e rb a s ec a na n dc a l lg r a n t e eal o w p r ii n f o r m a t i o ns t i l lo c c u p y i n ga c e r t a i nb a n d w i d t hu n d e rt h ec o n d i t i o no f h i g hl o a d 。 k e y w o r d ：n c sc a n b u sr e a l - t i m ec o m m u i c a t i o n s 创新性声明 y8 5 8 7 1 8 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 、 本人签名：鸳红2日期勉匹，立! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：盘i ! 里 导师签名：雄 日期 猢弓k f l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 现场总线及其网络控制模型 在自动化领域，伴随着4 c a ：c o m p u t e r 、c o n t r o l l e r 、c o m m u n i c a t i o n 、 c r t ( c a t h o d e r a y t e b e ) 技术的发展，控制系统历经基地式、单元组合式向全数字 式发展，从1 9 6 2 年的直接数字控制d d c ( d i r e c td i g l t a l c o n t r 0 1 ) 、1 9 7 2 年的 可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el d g i cc o n t r o l l e r s ) 到1 9 7 6 年的集散控制系 统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e r o s ) ，最后发展到1 9 9 4 年的现场总线控制系统 f c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m s ) ，其技术发展趋势为分散化、智能化、总线化。今天， f c s 作为新一代的自动化新技术，开创了自动化技术的新纪元【1 l 。 现场总线是一个开放的、数字的、可互操作互用的、现场节点智能化和强容 错的一种工业底层数据总线，是位于制造或过程区域的现场装置与控制室内的自 动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。现场装置包括各类工业 产品，如传感器、交送器、调节阀、执行器和带电子驱动的马达等。现场总线技 术的应用使得控制系统结构的简化，在设计、安装投运到正常生产运行及其检修 维护等诸多方面都体现出很多优越性，如节省硬件数量与投资、设计简单、节省 安装费用、易于重构、节省维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、系统的 准确性与可靠性高等优点【2 】。 从本质上讲，现场总线是一种控制鼹络，网络技术是现场总线的重要基础。 与i n t e m e t 、i n t r a n e t 等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此 要求拥有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性1 4 】。为满足这些特性，现 场总线对标准的网络协议作了简化，一般只包括i s o o s i7 层模型中的3 层。 此外，现场总线还要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。综合自动化是 现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，现场总线控制网络模型应 涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输过程。统一的现场总线控制 网络模型应具有三层结构，从底向上依次为：现场智能设备层、现场总线监控层、 远程监控层。 现场智能设备层 依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完 成数据采集、a d 转换、数字滤波、温度压力补偿、p i d 控制等各种功能。智能 转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。此外，总线上应有相应的 标准接口，以便于连接原有的系统。 2 c a n 总线实时性分析 现场设备是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、 可靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。 常见的现场总线网络拓扑结构有： 1 环形网，其特点是时延确定性好，重载时网络效率高，但轻载时等待令牌 产生不必要的时延，传输效率下降。 2 总线网，其特点是节点接入方便，成本低。轻载时时延小，但网络通信负 荷较重时时延加大，网络效率下降。此外传输时延不定。 3 树型网，其特点是可扩展性好，频带较宽，但节点间通信不便。 4 令牌总线网，结合环形网和总线网的优点，即物理上是总线网，逻辑上是 令牌网。这样，网络传输时延确定无冲突，同时节点接入方便，可靠性好。 q 现场总线监控层 这一层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋 势分析等功能，另外还包括控制组态的设计。监控层的功能一般由上位计算机完 成，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信： 或者通过专门的现场总线接口( 转换器) 实现现场总线网段与以太网网段的连接， 这种方式使系统配置更加灵活。这一层处于以太网中，因此，其关键技术是以太 网与底层现场设备网络问的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换， 保证数据包的正确解释和传输。监控层除上述功能外，还为实现先进控制和远程 操作优化提供支撑环境。 圆远程监控层 其主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先要将 中间监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时 通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程 监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广 域网范围内实现底层测控信息的实时传递。目前，远程监控实现的途径就是通过 i n t e r n e t ，主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。 由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、 用户身份认证以及密钥管理等。在这方面，w o r l d f i p 现场总线技术具有优势。在 整个现场总线控制网络模型中，现场设备层是整个网络模型的核心，只有确保总 线设备之间可靠、准确、完整的数据传输上层网络才能获取信息以及实现监控功 能。当前对现场总线的讨论多停留在底层的现场智能设备网段，但从完整的现场 总线控制网络模型出发，应更多地考虑现场设备层与中间监控层、i n t e r n e t 应用 层之间的数据传输与交互问题，以及实现控制网络与信息网络的紧密集成。 第一章绪论 1 2c a n 总线的起源与特点 现场总线国两；标准由i s o 和i e c 制订，i s 0 1 1 8 9 8 规定了控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 技术规范，i e c 6 1 1 5 8 规定了8 种现场总线技术规范， 包括：c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p n e t 、f fh s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) 、s w i f t n e t 、 w o r l d f i p 、i n t e r b u s 。 c a n 总线由i s 0 1 1 8 9 8 规定，最初出现在2 0 世纪8 0 年代末的汽车工业中，由 德国b o s c h 公司最先提出，采用网络技术，使得所有的外围单元可以被挂接在一 个单一的网络总线上，以解决现代汽车中众多的电子控制装置之间的通信问题， 减少不断增加的信号线且易于扩展。由于c a n 总线具有很高的实时性和可靠性， 己广泛应用于汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护和家用电器等领域。截 至目前，世界上大约有十五个大的半导体制造商开发了五十余种基于c a n 总线协 议的芯片，全世界c a n 节点总装量已超过几亿个。 c a n 总线采用i s o 0 s i 网络参考模型的物理层、数据链路层和应用层。c a n 协议采用了带优先级的c s 淞c d 协议对总线进行仲裁，即c a n 总线网络本质上采 用事件触发机制。c a n 采用多主工作方式，通过报文滤波实现点对点、点对多点 及全局广播等方式传送接收数据。当多个消息同时提出传输请求时就会出现负载 高峰，根据标识符的优先级，c a n 的非破螺性伸裁机审4 保证了信息的连续传输。 c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s 以下) ，通信速率最高可达 1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。在汽车电子网络中，采用c a n 总线时的数据传 输速率一般为1 2 5 k h p s 或2 5 0 k b p s 。c a n 总线上的节点数主要决定于总线驱动电路， 一般可达1 1 0 个。c a n 节点具有出错捡测、标定和在出现严重错误情况下自动关 闭输出功能。c a n 器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式，其通信介质可为双 绞线、同轴电缆或光纤，汽车网络中的c a n 总线大都采用屏蔽双绞线。 c a n 总线具有以下一些主要特性： 1 对等的网络结构。网络上的节点可以在任何时候向网络上其它节点发送数 据，不分主从，通信方式灵活。 2 采用非破坏性网络仲裁技术。网络上的节点可以分成不同的优先级，当多 个节点同时向网络上发送数据时。低优先级的节点主动暂停数据的发送，优先级 高的节点可以不受影响继续发送数据。之后，按优先级的高低依次重发数据，这 样有效的避免了总线冲突。 3 短帧的数据结构。每一帧的最大有效字节数为8 个，帧传送时闯短，受干 扰概率低。每一帧都有c r c 校验措施和其它检错机制，通信误码率低。 4 c a n 总线实时性分析 4 网络节点在错误严重的情况下具有自动关闭总线接口的功能，避免影响总 线上其它节点的正常操作。 5 通信速率最大可以达到1 m b p s ( 通信距离4 0 m ) 。通信距离最大可以达到 1 0 k m ( 通信速率为5 k b p s ) 。节点数最大可以达到1 1 0 个。通信介质可以为双绞线、 电缆、光缆。 1 3c a n 总线的技术局限性 c a n 总线的缺陷存在于总线的三个层次中。 首先是数据链路层。在数据链路层的m a c 子层中，c a n 总线采用了c s m a c d 技术，在此基础上，定义了一种静态的优先权。这种静态的优先权对于低优先权 的数据交换而畜能够保证其通信的实时性，并且要优于令牌环网络。但是当通信 量达到系统的额定带宽的时候，对一些节点而言，就会造成比较大的传送数据延 迟，因此就无法保证c a n 总线在这种情况下的实时性。另外，c a n 总线无法自动 的在对不同的应用设备之间合理的分配带宽，也无法对节点的传输数据的时间做 出时间上的一个约束，一旦某节点出现总线错误而要重新发送的话，就要长时间 的占用系统带宽，从而影响其它节点的数据传送嗍。这些缺陷的存在严重的影响 了c a n 总线作为短距离实时控制总线的优势，因而需要我们从理论和实践中去解 决这些存在问题。 其次，在c a n 总线的物理层中，因为c a n 总线最初是为了解决汽车中各种控 制器之间的数据通信而设计的，因此它的总线传送距离比较短。 最后，c a n 总线没有一个统一的应用层标准。 1 4c a n 总线的国内外研究动态 在理论和实验研究方面，国外的一些学者主要针对c a n 总线的数据链路层作了 实时性方面的一些理论上的研究和改进。葡萄牙学者l u isa l m e i d a 等针对t t 弋a n 的灵活性方面的欠缺提出了m q a n 协议【篮l ；德国乌尔姆大学的科研人员j o r g k a i s e r 等对c a n 协议和t c p i p 的系统集成在做了很多工作1 2 l l 。在国内，一些高等学 校、科研单位也进行了一些研究工作，其中包括西安电子科技大学信息与控制工 程研究所对c a n 总线的系统集成技术做了大量工作；北京航空航天大学7 0 6 教研室 多位老师编撰了大量c a n 总线工程实现方面的专著；浙江大学科研人员史久跟等对 于c a n 的实时性评价体系做了大量工作；广州周立功单片机公司一直致力于c a n 总 线的技术推广。这些研究工作无疑将大大推动c a n 总线在工业中的应用。 第一章绪论 i 5 论文研究内容 5 论文通过查阅大量参考资料并借鉴了他人的研究成果，针对c a n 总线的实时 性问题进行研究和实验验证。归纳起来，主要有以下几点： ( _ ) 对c a n 总线网络通信的实对性进行了理论上的描述，指出在高负载情况下 网络的延对会大大增大。在理论分析中，c a n 总线网络模型根据其基本特性可以 用经典排队理论模型中的肯达尔( k e n d a l l ) 模型m i d i o 。i f i f o 来描述，为了简 化系统模型以及考虑实际的c a n 控制器模型，将排队室的大小减缩到一格，这样 模型就简化为u d i f i f o ，其中m 表示系统为泊松到达，d 表示定长的服务时 间，l 表示只有一个队列的排队服务器。f i f 0 表示顾客按照先来先出的服务规则 接受服务。 根据c a n 总线的基本特点，提出了基于动态优先权晋升的时分c a n 协议。 对于网络负载不是很高时，传统的。心濑及其媒体访问算法是能够满足实时性的 要求的，但传统的c a n 的标示符是一种静态的方法，使得在网络阻塞时优先级相 对低的数据的等待时间很长。甚至没有发送的机会。解决问题的关键是把优先值 嵌入到信息场中，使得根据应用的定时情况相应的安排发送数据的顺序，而不受 网络负载的影响，或者影响很小。基于此，本文提出一种动态优先权晋升算法来 解决在没有定时信息对的数据的传输。动态优先权时分c a n 主要是为了达到在不 浪费带宽的前提下，为各个节点分配带宽问题，可以利用动态优先权晋升算法解 决网络的带宽的分配问题。 o 针对动态优先权晋升的时分c a n 协议搭建了c a n 总线控制网络实验平台。 由于优先权晋升时分c a n 在应用层协议的调度过程中没有引入额外的总线负载， 减少了信息碰撞，故在高负载率时优先权晋升时分c a n 的网络通信延时比基本c a n 大为减少，而在负载不是很高时两者的差异不大。由此，可以说明优先权晋升时 分c a n 相对于基本c n 减少了髓络的通信延时。 c a n 总线实时性分析 第二章0 a n 总线基本原理 2 1c a n 的基本知识 c a n 总线由汽车电子控制网络发展到遍及从高速网络到低成本的多线路网 络。如今的发动机管理系统、变速箱控制器、仪表设备、电子主干系统中，均嵌 入c a n 总线控制装置。一个由c h n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数 个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制陋】。例如，当使用 p h i l i p sp 8 2 c 2 5 0 作为c a n 收发器时，同一网络中允许挂接最多1 1 0 个节点。c a n 可提供高达1 m b i t s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件 的错误检定特性也增强了c a n 的抗电磁干扰能力。 c a n 具有十分优越的特点，包括 】： 锄低成本； 极高的总线利用率； 国数据传输距离远( 长达1 0 1 ( m ) ； 高速的数据传输速率( 高达1 m b i t s ) ； 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文； 可靠的错误处理和验错机制； 发送的信息遭破坏后，可自动重发； 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； 铷报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信 息。 c a n 有两种协议：c a n 2 o h ，c h n 2 0 b 。c a n 2 0 h 是标准c a n ，标志符长度是1 1 位，而c a n 2 o b 标识符长度可达2 9 位。c a n 中的总线数值为两种互补逻辑数值 之一：“显性”或“隐性”。“显性”( “d o m i n a n t ”) 数值表示逻辑“0 ”，而“隐性” ( “r e c e s s i v e ”) 表示逻辑“1 ”。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线 数值将为“显性”。在“隐性”状态下，v c a n h 和v c a n - l 被固定于平均电平，p o 近似为0 。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。“显性”状态 以丈于最小阎值的差分电压表示1 3 i 。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。位速率越大，传输距离越近。 第二章c a n 总线基本原理 2 2c a n 的分层结构 c a n 遵从o s i 模型，按照o s i 基准模型，c a n 结构划分两层：数据链路层 和物理层。按i e e e s 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路又划分为： 逻辑链路控制( l l c _ - l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制( 1 l i a c - - - m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 物理层又划分为： 物理信令( p l s p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 物理媒体附属装置( 跚 呻h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 媒体相关接入层( 姻i - - - 艇e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) m a c 子层运行借助称之为“故障界定实体( f e e ) ”的管理实体进行监控。故 障界定是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助 检测和管理物理媒体故障实体进行监控( 例如总线短路或中断，总线故障管理) 。 l l c 和m a c 两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据单元( p d u - - - p r o t o e o l d a t au n i t ) 相互通信。 2 2 1 逻辑链路控制( l l c ) 子层 0l l c 子层功能 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 1 帧接收滤波 在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃变无关。帧 内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接 收器通过帧滤波确定此帧与其是否有关。 2 超载通告 如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或l l c 远程帧，则通过 l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程 帧。 3 恢复管理 发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的的帧，l l c 子层具有自动重发送功 能。在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。 l l c 帧结构 l l c 帧是等同l l c 实体( l p d u ) 之间进行交换的数据单元，以下分别描述l l c 数据帧和远程帧的结构。 1 l l c 数据帧 7 8 c a n 总线实时性分析 l l c 数据帧由三个位场，既标识符场、数据长度码( d l c d a t al e n g t hc o d e ) 场和l l c 数据场。 2 l l c 远程帧 l l c 远程帧由两个位场( 标识符场和d l c 场) 组成。l l c 远程帧标识符格式与l l c 数据帧格式相同，只是不存在数据场。d l c 的数值是独立的，此数据为对应数据 帧的数据长度码。 2 2 2 媒体访问控制( l l c ) 子层 ( _ ) m a c 子层结构功能模型 , g j c 子层功能由i e e e8 0 2 3 中规定的功能模型描述。 1 发送部分功能 发送数据封装 接收l l c 帧并接口控制信息 c r c 循环计算 通过向l l c 帧附加s o f 、r t r 位，保留位、c r c 、a c k 和e o f 构造m a c 帧 发送媒体访问管理 确认总线空闲后，开始发送过程( 通过帧间空闲应答) m a c 帧串行化 插入填充位( 位填充) 在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式 错误检测( 监控，格式校验) 应答校验 确认超载条件 构造超载帧并开始发送 橱造出错帧并开始发送 输出串行位流直物理层准备发送 2 接收部分功能 接收媒体访问管理 由物理层接收串行位流 解除串行结构并重新构筑帧结构 检测填充位( 解除位填充) 错误检测( c r c 、格式校验、填充规则校验) 发送应答 构造错误帧并开始发送 第二章c a n 总线基本原理 确认超载条件 重激活超载帧结构并开始发送 接收数据御装 由接收帧中去除m a c 特定信息 输出l l c 帧和接口控制信息至l l c 子层 om a c 帧结构 c a n 系统中，数据在结点问发送和接收以四种不同类型的帧出现和控制，其 中：数摆帧将数据由发送器传至接收器；远程帧由节点发送，以请求发送具有相 同标识符的数据帧；出错帧可由任何节点发送，以检测总线错误，而超载帧用于 提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延时【9 1 。另外，数据帧和远程帧以帧 间空间隔同先前帧隔开。 1 m a c 数据帧 一个m a c 数据帧由七个不同位场构成，它们是：帧起始( s o f - s t a ro ff r a m e ) 、 仲裁场、控制场( 两位保留位+ d l c 场) 、数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f - e n d o f f r a m e ) 。 2 m a c 远程帧 激活为数据接收器的节点可以通过发送一个远程帧启动源节点发送各自的数 据。一个远程帧由6 个不同位场构成：帧起始( s o f ) 、仲裁场、控制场( 两位 保留位+ d l c 场) 、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f ) 。其中，仲裁场由来自l l c 子 层的标志符和r t r 位构成。在m a c 数据帧中，r t r 位数值为“1 ”。帧起始( s o f ) 、 控制场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f ) 等位场均与m a c 数据帧的相应位场相 同。 3 出错帧 出错帧由两个不同场构成，第一个场有来自不同节点的错误标志叠加给出， 第二个场为错误界定符。 4 超载帧 存在两类具有相同格式的超载帧：l l c 要求的超载帧和重激活超载帧，前者 为l l c 子层所要求，以表明内部超载状态，或者将有m a c 予层的一些出错条件 而被启动发送。超载帧毯括两个位场：超载标志和超载界定符。超载界定符有8 位 “隐性”位构成。发送超载标志后，每个节点均监控总线，直至检测到“隐性” 位，以完成8 位长度超载界定符。 5 帧间空间 数据帧和远程帧同前述的任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载帧) 以称 之为帧空间的位场隔开。与此相反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，并且 9 1 0 c a n 总线实时性分析 多个超载帧也不用帧间空间分隔。帧间空间包括间歇场和总线空闲场，并且对于 先前帧已发送“错误一认可”的节点还有暂停发送场。 圆m a e 帧编码和发送接收 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列帧段均以位填充方法进行编码。 当发送器在发送位流中检测到5 个数值相同的连续位( 包括填充位) 时，它在实 际发送位流中。自动插入一个补码位。数据帧或远程帧的其余位场( c r c 界定符、 a c k 场和帧结束) 为固定形式，不进行位填充。错误帧和超载帧也为固定格式， 同样不使用位填充方法进行编码。帧中的位流按照非归零方法编码。这意味着， 这就意味着一个完整位其位电平要么是“显性”，要么是“隐性”。一帧应由其s o f 场开始逐个位场进行发送。在一场内应首先发送最高位对于发送器和接收器帧 的有效时点是不同的。对于发送器。若在帧结束完成前不存在错误，则该帧为有 效。若一帧被破坏，则进行恢复处理。对于接收器，若在帧结束最后一位前不存 在错误，则该帧为有效。 媒体访问和仲裁 当检测到间歇场未被“显性”位中断后，认为总线被所有节点释放。总线一 旦释放，“错误一活动”节点可以访闯总线。总线一旦释放，接收当前或先前帧的 “错误认可”节点可以访问总线。一旦完成暂停的发送，并且其间没有其它节 点开始发送，发送当前帧或已发送完先前帧的“错误认可”节点可以访问总线。 当允许节点访问总线时，c 数据鲼和姒c 远程帧可以起始。m a c 错误帧和m a c 超载帧如上述规定被发送。发送其闻，发送数据帧或远程帧的每个节点均为总线 主站。当许多节点一起开始发送时，此时只有发送具有最高优先权帧的节点变为 总线主站。这种解决总线访阃冲突的枫理是基于竞争的钟裁。仲裁期间，每个发 送起将发送位电平同总线上监测到的电平进行比较。若相等，则节点可以继续发 送。当送出一个“隐性”电平，而监测到的为“显性”电平时，表明节点丢失仲 裁，并且不应再送更多位。当送出“显性”电平，而监测到“隐性”电平时，表 明节点检测出位错误。基于竞争的仲裁依靠标识符和紧随其后的r t r 位完成。具 有不同标识符的两帧中，优先权被标注于帧中，较高优先权的标识符具有较小的 二进制数值。若具有相同标识符的数据帧和远程帧同时被初始化，数据帧较之远 程帧具有较高优先权，它通过按照g r r 位数值标注达到f 1 0 j 。 错误检测 m a c 予层具有下列错误检测功能：监测、填充规则校验、帧校验、1 5 位循环 冗余码校验和应答校验。 1 错误类型 第二章c a n 总线基本原理 1 1 位错误 正在向总线送出位的节点同时在监测总线。但监测到的位数值与送出的位 数值不同时，则检铡到位错误。其中例外情况是：在仲裁期间，当送出隐性信息 位或a c k 间隙期间送出隐性位时，而检测到显性位不导致位错误；送出认可错误 标志，而检测到“显性”位的节点不将其理解为位错误。 填充错误 在使用位填充方法进行编码的帧场中，出现的六个连续相同的电平位的位时， 则检测到填充错误。 c r c 错误 c r c 序列由发送器的c r c 计算结过构成。接收器以发送器相同的方法计算 c r c 。当所计算的c r c 序列不等于接收到的序列时，则检测到c r c 错误。 形式错误 当固定格式位场含有一个或更多非法位时，则检测到形式错误。其中例外是： 接收器在帧结束的最后位监测到“显性”位时，不将其理解为形式错误。 应答错误 在发送器a c k 隙期间未检测到“显性”位时，则检测到一个应答错误。当检 测到以上这些错误之一il l c 子层被告之，并且，m a c 子层启动发送错误标志。 当任何节点检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由各自节点在下 一位启动发送错误标志。当检测到c r c 错误时，错误帧在仅随a c k 晃定符后的 那位启始发送，除非另一个错误条件的错误帧已经准备好启动。 2 错误界定规则 网络中的任何一个节点，根据其错误计数器数值，可能处于下列三种状态之 一o “错误激活”节点；一个“错误一激活”节点可以正常参与总线通信， 并在检测到错误时，发出一个活动错误标志。活动错误标志由6 个连续显性位组 成，并且遵守位填充规则和在规定帧中出现的所有固定格式。 “错误一认可”节点：一个“错误一认可”节点不应发送活动错误标志。 它参与总线通信，但在检测到错误时，发送一个认可错误标志，认可错误标志由 6 个连续的隐性位组成。发送后，“错误认可”节点在开始进一步发送前将等待 一段附加时间。 “总线脱离”节点：当一个节点由于请求故障界定实体而对总线处于关闭 状态时，其处于“总线脱离”状态。在“总线脱离”状态下节点既不发送，也不 接收任何帧。只有应用户请求，节点才能解脱“总线脱离”状态。 c a n 总线实时性分析 2 2 3 物理层 物理层是将e c u 连接至总线的电路实现。e c u 的总数将受限于总线上的电气 负载。c a n 的物理层划分为三部分：物理信令子层、p m a 子层、m d i 子层。物理信 令实现与位表示。定时和同步相关的功能。p m a 实现总线发送接收的功能电路并 提供总线故障检测方法。m d i 实现物理媒体和m a u 之间机械和电器接口。 2 3c a n 总线的基本特点 ( 一) 报文 总线上的信息以不同固定格式的报文发送，但长度有限制。当总线开放时， 任何连接的单元均可以开始发送一个信息报文。 报文传送由四种不同类型的帧表示和控制。数据帧携带数据由发送器至接收 器；远程帧通过总线单元发送，请求发送具有相同标示符的数据帧；出错帧由通 过检测发现总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧或 远程帧之间的附加延迟。数据帧和远程帧借助帧间空间同当前帧分开。 信息路由 在c a n 总线系统中，一个c a n 节点不使用有关系统结构的任何信息( 例如： 站地址) 。这里包含一些重要概念，主要以下三点： 第一，系统灵活性性是指节点可以在不要求所有节点及其应用层改变任何软 件或硬件的情况下，而被接入c a n 网络中。 第二，报文通信指一个报文的内容由其标识符i d 命名。i d 并不指出报文的 发送目的地，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有借助报文滤波决定是 否将它们激活。 第三，c a n 的数据传输速度在不同的系统中是不同的，然而，在一个给定的 系统中，此速率是唯一的，并且是固定的。 位速率：c a n 的数据传输速度在不同的系统中是不同的，然而，在一个给 定的系统中，此速率是唯一的，并且是固定的。 远程数据请求：通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节 点发送一个相应的数据帧。该数据帧和对应的远程帧以相同的标识符i d 命名。 多主站：当总线开放时，任何单元均可以开始发送报文，发送具有最高优 先报文的单元赢得总线的访问权。 仲裁：当总线开放时，任何单元均可以开始发送掇文，若同时有两个或更 多的单元开始发送报文，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助报文i d 解决。这 胂仲裁规则可以使信息和时间均无损失。若具有相同标识符i d 的一个数据帧和 第二章c a n 总线基本原理 1 3 个远程帧同时初始化，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送 位电平与总线上被监视电平进行比较，若相同，该单元可以继续发送。当发送一 个“隐性”电平，而监视到了“显性”电平时，该单元退出仲裁，并且不再传送后 续位。 1 4 c a n 总线实时性分析 第三章控制网络实时性分析 3 1 控制网络实时性概念 在现代工业控制系统中，由于被控对象、测控制装置等物理设备在地域上越 来越分散、系统规模愈来愈大等原因，实时性问题变得更加突出。为了完成控制 任务，系统中的信息传递必须在一定的通信延迟时间内准确到达，如何根据控制 对象的控制要求减小延迟时间，就是实时性要研究的问题。从信息传送到信息接 收之间的全部通信延迟称为端对端通信延迟，主要包括产生延迟、排队延迟、传 输延迟和发送延迟四个方面。 具体地，控制网络的实时性主要与以下几个方面有关【1 2 l ： ( 一) 网络本身的硬件性能，包括网络的拓扑结构、通信媒体、网络接口的传送 速率等等。通讯媒体的传输速率越高、网络接口的传送速率越快，网络的实时性 越高。 网络的通信协议，包括媒体的访问控制方式、网络通信协议的层次结构、 传输的可靠性、有无连接控制等等。层次结构越简单，系统得实时性越高。 网络的信息量，也称为网络的负载，是指网络在一定时间内需要传送的信 息的多少。网络传送信息量越少，其实时性越高。 实时性与通信子网的信道利用率是相互矛盾的。在控制网络中，为了提高 网络的实时性，不得不牺牲一部分信道利用率。 3 2 控制网络协议的实时性指标 不同种类协议性能是不同的，而针对不同的应用对网络的性能要求也不同。 为了分析网络性能，需要针对具体应用确定特定种类网络性能指标，以便能够精 确、全面地反映网络协议的性能。 i s 0 于1 9 8 6 年颁布了i s 0 0 s 1 8 0 7 2 ，在七层模型的数据链路层至应用层，定 义了一组服务质量参数q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，作为其性能指标体系。主要 有以下参数： 吞吐量 单位时间内( 通常为秒) 节点之间成功传送的无差错的字符数量。包括网络 总吞吐量、节点吞吐量和特定连接或会话吞吐量。 容量( 信道容量或带宽) 单位时间内网络传输的数据量，通常以每秒传输比特数来度量。 第三章控翻网络实时性分析 利用率 在特定的时间段内所使用容量占全部可用容量的百分比。 最优利用率 网络饱和之前的最大平均利用率。 圆负载能力 在某一特定时间，准备发送的所有网络节点的所有数据的数量。 网络效率 相对于全部通信量，正确传送的有用的通信数量的比例。 延迟 从报文开始进入网络节点连路到它开始离开网络节点链路之间的时间， 分别称为网络延迟、节点延迟或链路延迟。 建立连接延迟 用户发出连接请求到接收连接确认之同的时间间隔。 释放连接时间 一方发出释放请求到对方执行释放的时间间隔。 传输失败率 由于没有符合建立连接时协商的吞吐量、传输延迟等要求而造成失败的信息 占总信息的比率。 对于工业环境应用，“实时性”是评价控制网络综合性能的一项十分重要的指 标，与网络响应时间、网络延迟、吞吐量、利用率等参数有密切的关系。在具体 分析时，应以这些参数为主，兼顾其他的相关指标。 3 3 控制网络协议实时性分析模型 3 3 1 控制网络协议的典型结构 与局域网、i n t e r n e t 等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程， 要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。要满足这些新的特性，首先， 协议的模型要简化，所以目前多数现场总线协议采用简化的i s o o s i 模型，一般 只包括其中的三层或四层，如物理层、数据链路层和应用层，以减少数据打包的 次数，节省时间。其次，链路层协议要特殊设计，因为链路层与实时性密切相关【1 4 1 。 3 3 2 控制网络的数据类型和延迟模型 ( _ ) 数据类型 c a n 总线实时性分析 在控制网络中需要传输的数据既包括实时数据，又包括非实时数据。 1 实时数据 包括传感器和执行器的i o 信号，控制单元之间的互锁信号，部分系统状态 监视数据以及系统的报警信息等。实时数据对时间要求苛刻，一般延迟不允许超 过秒级，在某些特殊情况下甚至不允许有毫秒级的延时。对大多数实时数据而言， 只有最新数据是有意义的，如果在某一段时间段内，某一数据由于某种原因未能 作用，而此时下一个数据已经产生，则该数据将被丢弃，而弃用最新的数据，因 此实时数据般不要求重发。 2 非实时数据 如用户编程数据、组态数据、部分系统状态监视数据等。非实时数据对时间 要求不是很苛刻，允许有相对较长的延时，但这种数据的长度较长且不定，数据 量相对较大，对带宽的占用率较高，它们一般以小型或微型文件的形式出现。对 绝大多数非实时数据而言，传送的数据都是有意义的，一般不允许丢失，需要擦 搓控制和重发机制保证数据的完整和准确。 实时通信报文延迟模型 按照报文类型的不同，实时数据m 可以分为周期性实时数据肌和突发性实 时数据幔，两种。周期性实时数据包括传感嚣的定时采样信号、控制器的定时控 制信号等。通信的特点是单次通信数据量较小，占用固定的带宽。突发性实时数 据如系统的报警信息、紧急控制命令等，特点是突发性强，要求最高等级的优先 级别