（电力电子与电力传动专业论文）can总线实时性研究与电机监控系统设计.pdf

a b s t r a c t t h i s p a p e rw o r k so nc a n b u st e c h n o l o g y t h eb u sr e a l t i m ep e r f o r m a n c ei s s t u d i e dt h e o r e t i c a l l y ad i s t r i b u t e dq u e u ef r a m ea n dd y n a m i cp r i o r i t ya l g o r i t h ma r e p r o p o s e da g a i n s tt h ef l a wo f s t a t i cp r i o r i t ym e d i aa c c e s sm e c h a n i s m t h es y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o nc i r c u i to fm o t o rc o n t r o l l e ri s d e s i g n e db a s e do nc a n 2 0 bp r o t o c 0 1 t h e m o n i t o r i n g s o f t w a r ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt oc a n o p e n p r o t o c 0 1 i nt h e a n a l y s i s o fc a n b u sr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e ，b ya p p l y i n gc o m p u t e r c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt h e o r y , s o m en e t w o r kp a r a m e t e r sr e l a t e dw i t hr e a l t i m ea r e a n a l y s e da n dd i s c u s s e d ，ad i s t r i b u t e dq u e u ef r a m ea n dd y n a m i cp r i o r i t ya l g o r i t h ma r e p r o p o s e dt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo f n o n p e r i o d i cd a t at r a n s m i t i nt h ed e s i g no fc a n b u sm o t o r s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，b ya d o p t i n g ac o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rw h i c h c o n f o r m i t yw i t hc a n 2 0 bp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ， t h ei n t e r f a c ec i r c u i tt op la n dd l li s d e s i g n e d ，r e a l i z i n g r e a l t i m es e r i a ld a t a t r a n s m i t i nt h e d e s i g n o fm o n i t o r i n g s o f t w a r e ，b yu s i n gc o m m u n i c a t i o no b j e c ta n d m e c h a n i s mc o m p a t i b l ew i t hc a n o p e n p r o t o c o l ，t h er e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yo fd a t a t r a n s m i ta r eg u a r a n t e e d t h es o f t w a r ec o n t a i n sa b u n d a n tf u n c t i o n ，r e a l i z i n gc o n t r o l a n dm o n i t o rm o t o ro n p c ，t h eh mi n t e r f a c ei sc l e a ra n de a s y t h r o u g hc o m b i n e de x p e r i m e n t so fm o n i t o r i n gc o m p u t e r , i n t e r f a c ec a r d ，m o t o r c o n t r o l l e r , t h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fc a n b u si st e s t e d ，s o m ec r i t i c a lp a r a m e t e r s a r eo b t a i n e d ，t h er a t i o n a l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h ed e s i g n a r ev e r t i f i e d k e y w o r d s ：c a n b u sd i s t r i b u t e dq u e u ef r a m e d y n a m i cp r i o r i t ym e c h a n i s m c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r m o n i t o r i n gs o f t w a r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盔鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月开 灭滓大学预：b 学位论文第一章绻论 第一肇绪论 1 1c a n 总线的起源与特点 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 控铡器羁域瓣，是内德国b o s c h 公镯予， 年代为汽车中毒遥鲶越米熬雾的控裁嚣耨提出亲豹一静蕊囊总线标准，由于其 优越的性能和较高的可靠性而越来越受到了人们的重视。它现在不仅用在汽车当 中，电用予其它的工韭控制镢域中，甚至鞠予家魄领蠛。嚣前毽界上大约商十五 个大豹半导体露8 造巍开发了聂十余种的基于c a n 掘议的芯片，截。l 也到1 9 9 9 雩垒邀瑟憨莛装煮1 ，5 亿个c a n 节点。琶藏在汽车没诗矮壤孛，c a n 死乎畿走 了静爨缀袋爝黪技术手段。茏箕东欧溅，热奔骢、宝马、大众，蒸 墩公司如沃 尔沃也都将c a n 作为控制器联网手段。c a n 总线采用了i s o o s i 网络参考模型 懿蘩瑾瑟、数撂链薅凄彝寝瓣豢吒貔理豢察数掇链路是翁关系霸安瑗的功辘冕 t l 强。 图1 - 1c a n 总线的分联缁构 天津大学硕十学位论文第一章绪沧 c a n 协议的最初版本为1 0 版，1 9 9 0 年推出1 2 版，1 9 9 1 年推出2 0 版。 日前，固际标准化组织i s o t c2 2 技术委员会已制订了c a n 办议的国际标准 i s o d i s l l 8 9 8 ( n ，f g n 率小于等于1 m b p s ) 平l l i s o d i s l l 5 1 9 ( 通信速率小于等于 1 2 5 k b p s ) 。c a n 协议被国际标准化组织承认，进一步促进了c a n 总线在各种测 控领域中的应用。 c a n 总线具有以下一些主要特性1 j 2 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。 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 点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动暂停数据的传送，优先级高的 节点可以不受影响继续传送数据，之后，按优先级的高低依次序重发数据，这样 有效的避免了总线冲突。 短帧的数据结构。每一帧的有效数据字节数为8 个，帧传送时间短，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。 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。 通信速率最大可以达到l 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、光纤。 1 2c a n 总线的技术缺陷 c a n 总线的缺陷存在于总线的三个层中，首先是数据链路层。在数据链路 层中的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，c a n 总 线采用了位仲裁技术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 的数据交换而言能够保证其通信的实时性，并且要优于令牌环网络引。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，也无法对节点的传送数据的时 间做出时间上的一个约束，所以一旦某一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。这些缺陷的存在严 天津大学硕士学位论文第一章绪论 重的影响了c a n 总线作为短距离实时控制总线的优势，是需要理论和实践去解 决的个重要的问题。 c a n 总线的第二个缺点是物理层的缺点。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。按照 i s 0 1 1 8 9 8 标准，c a n 的两个节点之间的最大传输距离是l k m ，对应的值速率是 5 0 k b p s 。相比较而言，用于电气传动中的p r o f i b u s f m s 的最大传送距离为 1 2 0 0 m ，在1 0 0 0 m 时的位速率也高达18 7 5 k b p s 。c a n 的最高传送速率也只有 1 m b p s 对应的传输距离为4 0 m ，而p r o f i b u s f m s 的最高位速率可高达 1 2 m b p s ，对应的传输距离为1 0 0 m 。从以上的对比可以看出p r o f i b u s f m s 在 传送距离和位速率上都要优于c a n 。这样一来，对于过程控制，因为要连接现 场的各个设备，这些设备在物理上距离比较分散，用c a n 总线连接就比较困难， 虽然可以加中继器提高通信距离，但这样势必增加费用。所以c a n 总线的通信 距离和速度限制了它在一些领域中的应用。 c a n 总线的第三个缺点是没有一个统一的应用层标准。i s o 目前只是把 c a n 总线的物理层和数据链路层进行了标准化，形成了i s 0 1 1 8 9 8 国际标准。该 标准由道路运载工具技术委员会i s o t c 2 2 电气和电子总装备分委员会s c _ 3 拟 定，标准遵照i s 0 7 4 9 8 总规定的开放系统互连i s o 基准模型，以分层层次形式 描述了c a n 的一般结构。数据链路层和物理层分别遵照i s 0 8 8 0 2 2 和i s 0 8 8 0 2 3 制定。国际标准i s 0 1 1 8 9 8 除了对c a n 的基本概念、c a n 的分层结构、逻辑链 路控制子层、逻辑链路控制和媒体访问控制之间的接口阻及媒体访问控制子层进 行了描述外，特别对服务及其源语格式以及物理层和监控进行了描述和规范。虽 然c a n 没有一个统一的高层协议，但一些国际组织制定了的一些标准得到了大 家的广泛认同，逐渐的在应用中遵循。其中主要的有两个，一个是由c i a ( c a n i na u t o m a t i o n ) 制定的c a n o p e n 协议。c a n o p e n 协议是基于c a n 的个协议， 它最初是为工业控制系统而设计的。该协议的家族还包括了不同的设备协议以及 针对特定应用的规范。c a n o p e n 协议的主要的特点是【4 l ： 自动配置网络 - 易于获取所有设备的参数 设备的同步通信 天津大学硕十学位论文第一章绪论 周期的和时间触发的数据传送 对输入、输出及参数的同步读或设置 另外一种比较有影响的是d e v i c e n e t 协议。d e v i c e n e t 由开放式设备网供货 商协会o d v a 组织和管理。o d y a 是一个负责d e v i c e n e t 协议的制定和修订工作 的国际组织。d e v i c e n e t 在c a n 总线的基础上又增加了面向对象、基于连接的 现代通信技术理念，并开发了应用层。其应用层规定了c a n 数据帧的使用方法、 重复节点地址检测机制、对象类型及设备的标准化。d e v i c e n e t 现场总线是一种 开放的、低成本的网络解决方案，它将可编程控制器、操作员终端、传感器、光 电丌关、电动机起动器、驱动器等现场智能设备连接起来，减少了i o 接口和 布线数量，实现了工业设备的网络化和远程管理。由于采用了许多新技术及独特 的设计，与其它现场总线相比，它具有突出的高可靠性、实时性和灵活性。 还有c a nk i n g d o m 也是一种c a n 的高层协议，它为使用者提供了更大的 自由度去构建自己的网络。以上所提到的这些高层协议，可以看作是c a n 的一 个扩集，各有各的优点，不同的厂商都在生产基于以上这些协议的产品，极力保 持对其它协议的兼容。所以亟待解决的问题是在不同的协议的基础上取长补短制 定统一的标准，只有这样才能真j 下的推动c a n 技术的推广和应用。 1 3c a n 总线国内外研究动态 c a n 总线自诞生以来，以其独特的设计思想，优良的性能和较高的可靠性 越来越受到了工业界的青睐。c a n 国际标准的制定，更加推动了它的发展与应 用。在国外，尤其是美国及欧洲，c a n 已被广泛的应用于汽车、火车、轮船、 机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、医疗器械、农用机械、液压传动、传 感器、自动化仪表等领域。目前，支持c a n 协议的有i n t e l 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、 s i e m e n s 、n e c 、h o n e y w e l l 等百余家的国际著名大公司。 在广泛的工业领域，c a n 总线可作为现场设备级的通信总线，并且与其它 的总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。例如，瑞士一家公司开发的轴控 制系统a c s e 就带有c a n 接口。该系统可作为工业控制网络中的一个从站，用 于控制机床、机器人等。一方面通过c a n 总线与上位机通信；另一方面可以通 过c a n 总线对数字式伺服电机进行控制。通过c a n 总线最多可以连接6 台数 字式伺服电机。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 在国内，北京华控技术公司基于c a n 协议开发了s d s 智能分布式系统，该 系统内最多可以配置4 台计算机，6 0 个r s m 智能模块。北京和利时系统工程公 司丌发的h s 2 0 0 0 系统的内部网络就是应用c a n 。c a n 总线技术被引入到 h s 2 0 0 0 系统之后，使得主控模块和i o 模块的冗余和带电插拔功能变得很容易 实现，大大提高了系统的可靠性和可维护性。 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 做了实时性方面的一些理论上的研究和改进。在国内，一些高等院校，科研单位 也进行了一些实验上的研究工作，其中包括天津大学，东北大学、北京航空航天 大学7 0 6 教研室、中国微计算机学会单片机公共实验室、上海自动化研究所等单 位。这些研究主要是探索c a n 总线在楼宇自动化、机器人控制、过程控制等领 域的应用，还有一部分研究c a n 协议，因为应用层没有一个统一的协议标准， 因此这一部分研究工作有非常实际的价值，许多研究机构针对不同的协议作一些 改进工作，以使得c a n 总线能够成为一个实时行和开放性很好的协议。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。 1 4 论文研究内容 本论文通过查阅大量参考资料并借鉴了他人的研究方法，研究了c a n 总线 的实时性问题，实现了p c 机监控下的电机c a n 总线通信。归纳起来，主要有 以下几点： 1 研究了c a n 总线的媒体访问技术，从理论上分析和验证了针对不同网络通 信流量c a n 总线的实时特性，提出了分布式队列帧和动态优先权算法改善 总线在高网络负载下传输非实时数据的时间响应。 2 设计了符合c a n 2 o b 协议的变流控制器c a n 总线同步通信电路。实现了 c a n 总线与d s p 之间的硬件接口设计。 3 设计了符合c a n o p e n 协议的p c 机监控软件，该软件包括了常用的电机控 制功能，整个监控软件界面友好，操作简单，功能完备。 4 以p c 机及c a n 总线接口卡，变流控制器，感应电机，p c 机监控软件构成 了一个系统，在p c 机上对电机的参数进行修改，电机的一些运行参数实时 的传送给p c 机，并以曲线的形式动态的予以显示。通过系统的测试，验证 了c a n 总线在额定带宽和不同带宽条件下的工作情况。 天津人学硕+ 学位论文第二章c a n 总线技术简介 第二章c a n 总线技术简介 控制器局域网是一种具有很高保密性、有效支持分布式控制和实时控制的串 行通信网络。c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。制定c a n 技术规范的目的是使任意两个c a n 执行过程达到兼容。1 9 9 1 年p h i l i p s s e m i c o n d u c t o r 制定并颁发了c a n 技术规范2 0 版，该技术规范包括a 和b 两部 分。版本2 0 a 描述在c a n 技术规范1 2 中定义的报文格式，版本2 0 b 描述标 准和扩展格式两种报文格式。引入了第二种报文格式( 扩展格式) ，它可以提供 由2 9 位定义的更大的范围。本章介绍c a n 总线的一些基本概念及协议主要内容。 2 1c a n 总线基本概念7 1 1 8 1 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。 信息路由：在c a n 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，主要有以下的三点： 第一，系统灵活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，被接于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，作为报文滤波概念的结果，任意数目的节点均可接收，并且同时被相同的 报文激活。 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，发送具有最高优先权报 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报文，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。这种仲 6 天津大学硕_ 上学位论文第二章c a n 总线技术简介 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 的一个数据帧和一个 远程帧同时初始化，数据帧优先于远程帧。仲裁其问，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，则该单元可以继续发送。当发送一 个“隐性”电平( r e c e s s i v el e v e l ) ，而监视到了“显性”电平( d o m i n a n tl e v e l ) 时，该单元退出仲裁，并且不应再传送后续位。 安全性：为获得尽可能高的数据传送安全性，在每个c a n 节点中，均设有错误 检测、标定和自检的强有力措施。为检测错误，采取的措施包括：监视( 发送时 对发送位电平与总线上监视到的位电平进行比较) 、循环冗余检验、位填充和报 文格式检查。错误检测具有下列特性：所有全局性错误均可被检测；发送器的所 有局部错误均可被检测；报文中的至多五个随机分布错误均可被检测到；报文中 长度小于1 5 的突发性错误均可被检测以及报文中的任何奇数个错误均可被检 测。对于未检出的已损报文的剩余错误概率小于4 7 xl o 1 1 。 出错标注和恢复时间：已损报文由检出错误的任何节点进行标定。这样的报文将 失效，并自动进行重新发送。自检出错误至下一个报文开始发送的恢复时间，如 果不存在新的错误最多为2 9 个位时间。 连接：c a n 串行通信链路是一条众多单元均可被连接的总线。理论上，单元数 目是无限的，实际上，单元数目受限于延迟时问和总线的电气负载。 单通道：由单一双向进行位传送的通道组成的总线。c a n 技术规范中，实现这 种通道的方法不是固定的，例如可以是单线( 加接地线) 、两条差分连线、光纤 等。 总线数值表示：总线可以具有两种互补逻辑数值之：显性电平或隐胜电平。在 总线的线“与”操作情况下，“显性”电平由逻辑“0 ”表示，而“隐性”电平以 逻辑“l ”表示。在“显性”和“隐性”位同时发送期间，总线的最后数值将是 “显性”。 应答：所有接收器均对接收报文的相容性进行检查，回答一个相容报文，并标志 一个不相容报文。 2 2 报文传送与帧类型8 】o 】 在进行数据传输时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该单元在总线空 闲或该单元丢失仲裁场前恒为发送器。若一个单元不是报文发送器，并且总线不 7 天津大学硕士学位论文第二章c a n 总线技术简介 是出于空闲状态，则称该单元为接收器。 对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时点是不同的。对于发送器而言， 如果直到帧结束末尾一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，将允 许按照优先权次序自动重发送，为了能同其它报文访问总线进行竞争，总线一旦 空闲重发送立即开始。对于接收器而言，如果直到帧结束的最后一位一直未出错， 则对于接收器报文有效。 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列均借助位填充规 则进行编码。当发送器在被发送的位流中检测到五位连续的相同数值时，将自动 地在实际发送的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧( c r c 界定符，应答 场和帧结束) 的其余位场均采用固定格式，不进行位填充。出错帧和超载帧同样 是固定格式，并且也不用位填充方法编码。 报文中的位流按照非归零( n r z ) 码方法编码，这意味着一个完整位其位电 平要么是“显性”，要么是“隐性”。 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识符的数据帧；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。 2 2 1 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成：即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场、帧结束。数据场长度可为0 。数据帧如图2 1 所示。 一 n a t 1 。一 帧间空间帧问空j 或超载1 i 仲裁场控制场数据场c r c 场 i 帧结束 帧起始应答场 图2 1 数据帧组成 帧起始( s o f - - s t a r to f f r a m e ) 标志数据帧和远程帧的开始，它仅有一个“显性” 位构成，只在总线处于空闲状态时，才允许站开始发送。所有站必须都同步于首 天津大学硕上学位论义第二章c a n 总线技术简介 先丌始发送的那个站的起始前沿。 ( 1 ) 仲裁场由标识符和远程帧发送请求位( r t r ) 组成。仲裁场组成如图2 2 所示。 一标识符 一r t r , l k - 图2 2 仲裁场组成 标识符的长度在c a n 2 0 a 中为l l 位，在c a n 2 0 b 中为2 9 位。在2 0 a 中这些 位以i d 一1 0 至i d 一0 的顺序发送，最低位为i d 0 ，其中最高7 位( i d 一1 0 m d 一4 ) 必须不全是“隐性”。r t r 位在数据帧中，必须是“显性”电平，而在远程帧中， r t r 位必须是“隐性”电平。 ( 3 ) 控制场由6 位组成，如图2 3 所示。 仲i 喇 7 一】ir 口0 一 r 1r 0d l c 3d l c 2d l c ld l c 0或c r c g f 哥 j 图2 3 控制场组成 由图可见其包括数据长度码和两个保留位，这两个保留位必须发送“显性”电平， 但是接收器认可“显性”和“隐性”位的全部组合。数据长度码d l c ( d a t a l e n g t h 表2 1 数据长度码数据字节数目编码 数据字节数数据长度码 0d l c 3d l c 2d l c ld l c 0 ldddd 2dddr 3dd rd 4ddrr 5d rdd 6 drrd 7d rrr 8rdd d c o d e ) 数据字节数目编码如表2 - 1 所示， 数据中数据字节的允许数目为0 ，1 ， 9 其中：d 表示“显性”，r 表示“隐性”。 ，7 ，8 ，不能使用其他数值。 天津大学硕上学位论文第二章c a n 总线技术简介 ( 4 ) 数据场由数据帧中被发送的数据组成，它可以包括从0 到8 个字节，每个 字节包括8 位，其中首先发送最高有效位。 ( 5 ) c r c 场包括c r c 序列、c r c 界定符。c r c 场组成如图2 - 4 所示。 c r c 序列由循环冗余码求得帧检查序列，最适合用于位数小于1 2 7 ( b c h 码) 的帧。为了实现c r c 计算，被除的多项式系数包括帧起始、仲裁场、控制 场、数据场( 如果有) ，填充位流除外，其1 5 个最低位的系数为o 。将此多项式 与发生器产生的下列多项式除( 系数为模2 的运算) ： x 1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + 1 该多项式除法的余数即为发向总线的c r c 序列。为完成此功能，可以使用一个 1 5 位移位寄存器c r c r g ( 1 4 ：0 ) 。若以n x t b i t 标记该位流的下一位，它由从帧 起始至数据场结束的没有填充位的序列给定。 r 一l n l 删 r 或 空制场 c r c 序歹卜_ ! ! c c l 。 图2 - 4c r c 场组成 c r c 序列的算法如下： c r c r g = 0 r e p e a t c r c n x t = n x t b i te x o r c r c - r g ( 1 4 ) ： c r c r g ( 1 4 ：1 ) = c r c r g ( 1 3 ：0 ) ； c r c - r g ( 0 ) = o ： i fc r c n x tt h e n c r c r g ( 1 4 ：0 ) 2 c r c r g ( 1 4 ：0 ) e x o r ( 4 5 9 9 h ) e n d i f u n t l l l ( c r c 序列开始或者存在一个出错状态) 发送接收数据场的最后一位后，c r c r g 包含有c r c 序列。c r c 序列后随c r c 界定符，它只包括一个“隐性”位。 ( 6 ) 应答场为两位，包括应答间隙和应答界定符。应答场的组成如图2 5 所示。 l o 天津大学碗士学位论文第二章c a n 总线技术简介 在应答场中发送站送出两个“隐性”位。个正确地接收到有效报文的接收器 在应答间隙( 送“a c k ”) 期间，将此信息通过传送一个“显性”位报告给发送 结束 图2 5 应答场组成 器。所有接收到匹配c r c 序列的站，通过在应答间隙内把“显性”位写入发送 器的“隐性”位来报告。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是“隐性”位， 因此，应答间隙被两个“隐性”位( c r c 界定符和应答界定符) 包围。 ( 7 ) 帧结束：每个数据帧和远程帧均由7 个“隐性”位组成的标志序列来界定 一个帧的结束。 2 2 2 远程帧 激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化各自源节点数据 的发送。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、 应答场和帧结束。同数据帧相反，远程帧的r t r 位是“隐性”。远程帧不存在数 甄 帧结束 超载4 伸裁扬粹 i ；i | ：翰e r e 场 帧起始a c k 场 图2 - 6 远程帧组成 据场。d l c 的数据值是独立的，它可以被标注为允许范围0 8 中的任何数值。 这一数值为对应数据帧的d l c 。远程帧组成如图2 - 6 所示。r t r 位极性指出所 发送帧是数据帧( r t r 位为“显性”) ，还是远程帧( r t r 位为“隐性”) 。 2 2 3 出错帧 出错帧出两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，后随 天津大学硕士学位论文第二二露 c a n 总线技术简介 酶第二令场是出镥界定德。为了正确缝终止滋镶梭，一耱“镶误认可”萤点可以 蘧想绒处于“总线空阙”状态至少三位露闽( 翔聚在“镑谈认可”袋投嚣存在本 地错误) ，因而总线不被加载歪1 0 0 。错误标志有两种形式：一种是活动错误标 志( a c t i v ee r r o rf l a g ) ，另一耱楚议霹罐误标悫p a s s i v ee r r o rf l a g ) 。活动缝误标 志出6 个连续翡“嚣蛙”经缀戏，褥认可辖谈拣志囊6 令连续鹃“隐性”位缀戒， 除非它由来自其它节点的“翌梭”位冲掉重霹。 一个捻测努出镄袋传的“错瀑激活”站通遥发送一个活动错误标志避彳亍标注， 这出错标注形式遗膂适用于幽赖起始至c r c 界定祷所有场的填充蕊剿躐者破 坏了应答场或帧结荣扬的圃定澎斌，因丽，戴他站将检测到出错条件，并且开始 壶它船瓣豁侮发送浅键标志。遮榉，在总线。蔹簸褫弱“嚣镶”位廖戮实辩上e 羹 各个举独站发送静不溺出错标悫藏船丽彤或。该露确静怠长壤在最小氇6 粒最大 值1 2 位之间变化。 一令检测裂爨镳条磐憝“鼗误谈露”节熹试懑发送一，氐试霹镶误掭恚遴嚣标 注。该“错误认可”站自谈磁镄误标志为超患等待6 个穗瓣缀往的连续位。当检 测到6 个相飚位后，认可错瀑橱；忠即告完成。当错误界定符识括8 个“隐性”位。 错误标志发送蜃，每个站郝送爨“憋性”位，若魅援总线，嶷至检测到“隐缝” 位。此后，开始发送剩余的7 个“黪性”位。 2 2 4 超载峻 怒鼗枣蠢龟囊嚣令链爨：越羧拣惑移超载努定键。尝在嚣糖导致发送趱鼗耩志 的超载条件：一个怒要求延迟下一个数据帧绒远程帧的接收器的内部条件；另一 个怒在阆歇场检测剡“显性”位。由i 西一个越载条件引起的超载帧起点，仅允许 在麓凝阕歇场翡第一霞对闻浮始，瑟垂磊一个怒载蘩锌雩l 熬静超载籁农竣渊翻 “攮性”锿后一位歼始。在大多数情况下，为诞迟下一次数攒帧或远程帧，两种 超载帧均可产生。 麓载棘悫出6 令“委氇”稳缀或。全帮澎式露应予滔动辩误标悫澎式。超载 标惑怒破坏了间歇场的固定形式。因而，所肖其它站都将检测到一个超载条件， 并量露它嚣i 麓部 孛嚣始发送越载豁志。( 在瓣歇场第三位期惩捡测到“鼷蛟”位 静滂獯下，节点褥誉缝王确遴薅麓载籁蠢恚，嚣褥6 令“鑫赣”整豹繁一袋淫鼹 为帧起始) 第6 个“显性”位违背引起出错条件的位填充规则。 1 2 天津大学硕士学位论义第二章c a n 总线技术简介 超载界定符由8 个“隐性”位组成。超载界定符与出错界定符有相同的形式。 发送超载标志后，站监视总线直至检测到由“显性”到“隐性”位的发送。在此 时点上，总线上的每个站均完成送出其超载标志，并且所有站一致地丌始发送剩 余的7 个“隐性”位。 2 3 错误类型和界定 c a n 总线中存在5 种不同的错误类型，分别是位错误、填充错误、c r c 错 误、形式错误和应答错误。 向总线送出一位的某个单元同时也在监视总线，当j l 茳视到的总线位数值与送 出的位数值不同时，则在该位时刻检出一个位错误。例外情况是，在仲裁场的位 填充流期间或应答间隙期间送出“隐性”位，而检测到一个“显性”位时，不视 为位错误。送出认可错误标志的发送器，而检测到“显性”位时，也不视为位错 误。在应使用位填充方法进行编码的报文中，出现了第6 个连续相同的位电平时， 将检出一个位填充错误。c r c 序列是由发送器c r c 计算结果组成的。接收器以 与发送器相同的方法计算c r c 。如果计算结果与接收到的c r c 序列不相同，则 检出一个c r c 错误。当固定形式的位场中出现一个或更多非法位时，则检出一 个形式错误。在应答间隙期间，发送器位检测到“显性”位，则由它检出一个应 答错误。 检测到出错条件的站通过发送出错标志进行标定。当任何站检测出位错误、 填充错误、形式错误或应答错误时，由该站在下一位开始发送出错标志。当检测 到c r c 错误时，出错标志在应答界定符后面那一位开始发送，除非其它出错条 件的错误标志已经开始发送。 在c a n 总线中，任何一个单元可能处于下列三种故障状态之：“错误激 活”( e r r o r a c t i v e ) 或“错误认可”( e r r o r p a s s i v e ) 或“总线关闭”。检测到出错 条件的站通过发送出错标志进行标定。对于“错误激活”节点，其为活动错误标 志，而对于“错误认可”节点，其为认可错误标志。 “错误激活”单元可以照常参与总线通信，并且当检测到错误时，送出一个活 动错误标志。不允许“错误认可”单元送出活动错误标志。它可以参与总线通信， 但当检测到错误时，只能送出认可错误标志，并且发送后仍为“错误认可”，直 到下一次发送初始化。“总线关闭”不允许单元对总线由认可影响( 例如：输出 天津大学硕士学位论文第= ：带c a n 总线技术简介 驱凌嚣关溺) 。 为了辫定鼓障，在每个总溅荤元中蘸没有两静计数：袭送密铸计激鞠接牧篷 错计数。避魈计数按照不同的规则进行计数。 天津大学硕士学位论文第三章c a n 总线实时性分析 第三章c a n 总线实时性分析 3 1 控制网络实时性概念 实时性是指信号的输入、运算和输出都要在极短的时间内完成，并根据生产 过程工况变化及时地进行处理。而实时系统指在事件或数据产生的同时，能够在 规定的时间内给予响应，以足够快的速度处理，及时地将处理结果送往目的地的 一种处理系统j 。这里的实时与快速并非是相同的含义，不论网络的传输速度有 多快，只要在规定的响应时间内发生响应动作，则称系统具有实时性。而实时网 络是指网络中数据传输的时间是确定的，即是可以预测的。也就是说，实时网络 中的数据传输是具有时限的。 其实实时性是将系统对输入信息做出响应的时间加以约束，即系统的正确性 不仅与系统处理信息结果的正确性有关，而且还与系统得到结果的时间有关，只 有系统处理信息的结果正确并在规定的时间范围内完成，系统才是实时系统。当 信息输入系统后，系统必须在一定的时间内做出响应，如果反应结果正确，但超 过了时限，就认为系统失败。满足一项任务的实时性是指其响应时间小于规定的 时限。 一般实时应用要求有两个突出特点：一是其中的活动时间性强，要求在一定 的时刻和一定的时间内自外部环境收集信息，按彼此联系存储己获得的信息和处 理收集的信息，再及时做出响应；二是它们要处理“短暂”数据，这种数据只在 一定的时间范围内有效，过时则无意义了。 控制系统实时性有两层含义：一是指基本控制器的实时性。一般来说，每一 台控制器所要承担的任务不止一项，但每一项任务对实时性都有一定的要求，且 可能会各不相同。每项任务对实时性的要求将由配置在基本控制器中的“实时多 任务管理程序”来承担；二是指通信网络的实时性。控制系统具有通信功能的基 本单元通过通信子网联系在一起，这些单元称为“站”，当某站向通信子网请求 通信时，它对“响应时间”是有要求的，不同的站对实时性的要求可能不同，同 一站中不同通信任务对实时性的要求也可能不同。 通信网络的实时性主要与以下几个方面有关【l “： ( 1 1 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 天律犬学硕上学位论文第三章c a n 总线寅时性分析 率等簿。通信媒体的传输逡搴越毫、圈终孩翻麴传送速率越快，粥终瓣实时 靛越搿。 ( 2 ) 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、的 健簸可靠性、鸯无连接羧测等簿。层次缝秘越麓擎，琴统弱实辩性越藏。瑟 可靠性与实露瞧是耜互矛藩懿，对于无逶接、无应答豹遇信方式癸鞠：鸯连接、 有应替的通信方式的实对性离。其中媒体访问控制方式是控制网络备站点向 媒体发送信息的时刻，它魁影响网络实时性各因素中最为关键的豳豢。 f 3 ) 潮络的信息量，也称为阐络的负载，是指网络在一定嚣寸问内需蘩传送的信息 的多少。网络传送信息量趟少，其实时性越高。 f 4 ) 嶷时瞧与送信予网豹信道测翔搴是相互矛| 蠡戆。在控制网络中，为了提毫网 络的实时往，不得不牺毪一都分信道剥髑率。 3 2c a n 总线网络负载分类与实时性缺陷 我织可敬对实际建蠲中鹣数据逶信按照突辩犍予戮分类，第一类怒实游静羧 据通信，另一类是稚实时的数据通信。实时憔的数据通信又可以分为潮髑性的和 非周期性的数据交换，其中周期性的是指数据的通信是在定的传送率下进行 弱，这耱遥僖模式农建瑶串怒大豢豹，翔黄懑器按照一定熬袋祥频率将袋集至l 爨 现场变景送到控制器中进行逡算。非周期的数据交换通常包括零散的数据交换并 主簧瘸在基于事 孛触发的系绞中，滋用在热蠢警髂号懿传送。实时性数撬的数握 量鞠嚣窭露熬数据爨礁晓逡霉_ 粪不丈。婺实瓣夔数瓣簧浚邋褰臻奁一夔送缀功能 中的消息服务中，如远程编程，诊断，维护以及管理功能，这种系统成用中通常 对数搌健送的延迟时间没有像实时系统中要求那样严格。一个设计良好的现场总 线藏该麓对支籍实辩麓器# 嶷辩豹数据传送。这藏要求它能保证设餐程传送紧急 消息豹时候具有一个限定髀等待时间，对非实时的数据传输情况下能够穰不同的 节点之间合理的分配带宽。 c a n 控捐阏络支持c s m a i c d 媒薄谤麓按零，潜i e e e s 0 2 。x 标准魄羧，c a n 具有非破坏的总线仲裁技术。c a n 另外一个熏要的优点悬它的检错算法和处理 方法。这_ 耱算法不嚣予h d l c 域其它鲮逶傣协议中是受控予监督犊静发送，蠢 翼楚遴知c a n 秘议麓蓿惫璐然瓣爨动重蒙稳阕豹椟。嗣辩麓了给系统渡一定豹 灵活性而使用寻址原则，但c a n 不是基于源目的编址，而是基于消息内密本身 1 5 天津大学硕士学位论文第三章c a n 总线实时忭分析 的编址。 以上所讲的特征基本上保证了当有多个发送请求进入了总线访问竞争时使 得传输具有相对较为固定的时间延迟。从而使c a n 网络能够满足实时应用场合。 本文将在第三节分析c a n 总线在不同的网络负载率下的时间响应问题。以验证 总线的实时性。 由于c a n 总线的基于位的仲裁解决方案，在总线访问时，标识符实际上定 义了一种静态的优先权，一般而言，都要在一个应用开始之前事先分配给通信对 象标识符，因此，每一个通信对象的优先权是固定的和不能动态改变的。这样会 带来以下几个问题。第一个问题在于这种给通信对象分配标识符的方法，由于对 非周期的数据传送缺乏定时的信息，所以无法给通信对象分配静态的标识符以保 证应用的时限要求。第二个问题是当系统出现了暂时的过载，也就是当提供的通 信量达到了系统的额定带宽时，基本的c a n 算法是不允许具有高的标识符的大 量的通信对象通信。第三个问题是当多个站使用同一个标识符的时候，由于所有 的站都将赢得总线仲裁并发送数据。在某些情况下，数据将发生错误，在这种情 况下，所有的站都将撤回并重发数据，这将造成网络的阻塞。 基于此，文献【1 4 】【1 5 1 提出了一种标识符的分配办法使得通信对象的等待时间 能够达到应用的要求。但是这种方法主要是针对周期性的通信流量情况，同时对 于零散的通信通过周期服务器消息加以解决，该服务器消息收集并携带异步消 息。这种解决方案，要求对于零散消息的产生周期存在一个下限。 但是我们知道，虽然在前面指出过大量的数据通信是周期性的，但考虑到其 它一些情况时，例如：在事件触发的系统中，受控设备可以向控制器提出通信请 求并异步的传送数据，由于传送相同数据之间的时间间隔可能会比有效查询周期 要短的多，所以这些系统很难用周期性的系统建模思想来建立模型。又例如，突 发型的通信流量中，可能在一个短时间内产生通信的数据之后有一段较长时间的 无活动期，