（电工理论与新技术专业论文）microcanopen协议栈的实现及应用研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r kb u s ) i saw i d e l yu s e ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nb u s b a s e do n m u l t i p l eh o s ts t r u c t u r e s h o w e v e r , a c c o r dn g t ot h eo p e n s y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ( o s i i s o ) m o d e l ，t h ep r o t o c o lo fc a nm e r e l yd e f i n e sp h y s i c sl a y e r a n dd a t al i n kl a y e r , s oi ti sq u i t en e c e s s a r yt ors e a r c ht h eh i g h e rl a y e rp r o t o c o lo f c a n t h i st h e s i s m a i n l y c o n c e r n st h er e s e a r c ha n d m p l e m e n t a t i o n o f m i c r o c a n o p e n ac a n b a s e da p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ，w h i c hi su s e dw i d e l yi n a u t oi n d u s t r y , i n s t r u m e n t sa n da u t o m a t i z a t i o n sd u et oi t se x c e l l e n tf e a t u r e ss u c ha s o p e n i n g ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o r e a lt i m ep e r f o r m a n c e b a s e do nf u r t h e rs t u d yo nm i c r o c a n o p e n ，t h ep r o g r a m m i n go fm i c r o c a n o p e n p r o t o c o ls t a c kf o r t h ec a n b a s e de x p e r i m e n t a lp l a to r mi sa c c o m p l i s h e d i no r d e rf o r t h em i c r o c a n o p e np r o t o c o ls t a c kt ob ei m p l e m e n t e d ，t h ee l e c t r i c a l v e h i c l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r km o d e lw h i c hi n c l u d e sp o w e r t ri nc o n t r o l l e r , m o t o rc o n t r o l l e r a n db a t t e r yc o n t r o l l e rn o d e si se s t a b l i s h e d o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gi su s e d ，a n d f u n c t i o n ss u c ha sp r o t o c o li n i t i a l i z a t i o n s ，n e t w o ra d m i n i s t r a t i o n s ，a c c e s so fo b j e c t d i c t i o n a r y , p r o c e s sd a t at r a n s p o r t a t i o n s ，a sw e l la ss e r v i n gdt at r a n s p o r t a t i o n sa r e r e a l i z e d c o n s i d e r i n gt h ei n s u f f i c i e n ta d a p t a b i l i t ya n di n e fi c i e n c yo ft h es t a t i cs c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，t h ed y n a m i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi s i n t r o d u c e dt ot h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ko fe l e c t r i cv e h i c l e e e d fd y n a m i ca l l o c a t i n gp r ii sa s s i g n e dt ot h em e s s a g e s i no r d e rf o rt h ef u r t h e ro p t i m i z a t i o no ft h en e t w o r k ，a n dav i s u a lb a s i cb a s e d s c h e d u l a b i l i t ya n a l y s i ss o f t w a r ei sd e s i g n e d t h el g o r i t h ms c h e d u l a b i l i t ya n a l y s i so f d ma n de e d fa r ep e r f o r m e d ，w h i c ht u mo u tt op r o v et h a tr e a lt i m ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mh a sb e e ni m p r o v e db yu s i n ge e d fs c h e d u ln ga l g o r i t h m k e y w o r d s ：m i c r o c a n o p e n ，e l e c t r i cv e h i c l e ，e e d fa l g o r i t h m 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，也不包含为获得叁盗叁茎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： 爰褊 签字日期： 词年) 月) 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗态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： 襄稻 签字日期： 吲年j 月抛日 导师签名： 钊够渤 签字日期：u 历7 年良月砑日 | 第一章绪论 第一章绪论 1 1c a n 及c a n o p e n 协议的发展历程 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通领域正在迅速 的覆盖从工厂的现场设备到控制管理的各个层次。信息技术的发展，引起了自动 化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。 现场总线技术就是顺应这种形势发展起来的【l 】。 现场总线控制系统( f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 既是一个开放的通讯网络， 又是一个全分布的控制系统。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程 现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。这项以智能传感、控制、 计算机、数据通信为主要内容的综合技术已受到世界范围的关注而成为自动化技 术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r ) 总线属于现场总线的范畴，是现场总线的 一种。1 9 8 年月，r o b e r tb o s c h 公司在s a e ( 汽车工程协会) 大会上介绍了 一种新型的串行总线一a n 控制器局域网，那是c a n 诞生的时刻【2 j 。c a n 适用于工业控制系统，具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性能价格比高等 诸多特点。c a n 总线的诸多优点使它在最近几年得到广泛应用。世界上一些著 名的汽车制造商均采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统及各检测和执行机构 间的数据通信。 c a n 总线在欧洲应用比较早，1 9 9 年就已经进入了自动化市场。2 世纪 9 年代初期在欧洲深受重视，成为研究开发的热剧3 1 。在美国，也于1 9 9 年由 s a e 采纳作为现场总线网络中数据链路层的推荐标准。h o n e y w e l l 公司的分布式 控制系统( s d s ) 就是采用其作为底层协议的。为了促进c a n 以及c a n 协议的 发展，1 9 9 年在欧洲成立了国际用户和厂商协会( c a ni n a u t o m a t i o n ，简称c i a ， 在德国e r l a n g e n 注册，c i a 总部位于e r l a n g e n 。c a n 接口已经被公认为微控制 器( m i c r o c o n t r o l l e r 的标准串行接口，应用在各种分布式内嵌系统。该协会已经为 全球应用c a n 技术的权威。支持c a n 协议的芯片不断推出，给c a n 总线用户 带来了极大的方便1 4 】【5 】。 c a n o p e n 协议是建立在c a n 协议上的物理层和数据链路层基础上的一种标 准化的对外开放的应用层协议，定义了基于c a n 的分佰式工业自动化系统的应 第一章绪论 用标准以及c a n 应用层通信标准。c a n o p e n 的标准化是指设备接口和通讯协 议( c t hd s _ 4 x x 定义了标准化的应用对象和基本功能。1 9 9 年，由c i a 提出并 制订，并且在发布后不久就获得了广泛的承认，目前成为欧洲嵌入式网络的主要 标准协议( e n 5 0 3 2 5 - 4 。仅仅用了 年的时间，它已成为全欧洲最重要的嵌入式 网络标准 7 1 。c a n o p e n 最初主要用于嵌入式工业控制系统，因其协议精练、透明、 便于理解，又具有较高的实时性和可靠性、数据传输速率高，组网成本低等优点， 近年来，在公共交通、楼宇自动化、医疗设备以及海事电子、食品加工、汽车工 业等领域获得大量应用【6 】。 c a n o p e n 采用c a n 芯片作为物理层和数据链路层的硬件，其协议可以从 c i a 协会的网站免费下载，控制设备制造商可以自行开发c a n o p e n 设备，此时 会涉及到产品的协议一致性( c o n f o r m a n c e 测试问题，即所开发产品是否完全符 合c a n o p e n 协议。在欧洲，c a n o p e n 被认为是在基于c a n 的工业系统中占领 导地位的标准。c a n o p e n 协议集基于所谓的“通信子集”，该子集规定了基本的 通信机制及其特性。大多数重要的设备类型，例如数字和模拟的输入输出模块， 驱动设备，操作设备，控制器，可编程控制器或编码器，都在称为“设备子集” 的协议中进行描述。设备子集定义了不同类型的标准设备及其相应的功能1 7 】。依 靠c a n o p e n 协议集的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。 1 2 本论文的主要研究内容 1 2 1 相关技术的研究现状 本论文选择一种有前途的现场总线c a n 总线进行开发研究，掌握开发应用 现场总线的关键技术，并尽力解决现场总线应用中存在的一些问题。与一般的通 讯总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特 点可概括如下j ： ) c a n 总线是由德国的b o s c h 公司于8 年代提出，并已在汽车及其它各个 领域应用，是一种发展成熟的现场总线，其总线规范已被i s o 国际标准组织 制定为国际标准； ) c a n 总线设计独特，可靠性高，被公认为是最有前途的现场总线之一； ) c a n 总线应用十分广泛，且应用的数量和范围有不断增长的趋势； ) c a n 总线协议完全公开且易于获得，协议只包括物理层和数据链路层两个底 层协议，应用层协议可以由用户根据具体应用自己定义，也可以采用几种己 成为标准的高层协议，留给用户自主开发设计的余地很大； ) 支持c a n 总线的大公司很多，产品种类十分丰富，而且已有许多厂家把c a n 2 第一章绪论 控制器嵌入到微处理器或d s 中，使应用更为方便； ) 开发c a n 总线产品时不需要专门的开发工具，用户无须在开发工具上做额 外的投资。 由于c a n 总线最初出现于汽车制造业，并非专门为自动化控制而设计，因 此起先的基本c a n 总线版本在自动化系统中并不能很好的发挥出作用。缺少对 应于i s o o s 三至七层协议的定义，使得用户使用时在每个系统都要进行相应规 范的制订，系统的可移植性和操作性较差。同时，基于优先级的竞争机制还不够 完备，在通讯堵塞等最坏情况时，报文传输的延迟将严重降低传输速率。所以有 必要对c a n 总线的高层协议的内容进行研究。 在c a n 总线的高层协议中c a n o p e n 和d e v i c e n e t 应用较为广泛，d e v i c e n e t 和c a n o p e n 是两个定位于不同市场的标准应用层协议( e n 5 0 3 2 ) 。d e v i c e n e t 适合于工厂自动化控制；c a n o p e n 适合于所有机械的嵌入式网络。本文选择 m i c r o c a n o p e n 作为c a n 总线高层协议，是因为c a n o p e n 与其他现场总线协议 标准相比有以下几个特尉9 1 ： ) c i a 是非赢利组织。c a n o p e n 是公共和开放的协议，不代表个别公司的利益； 免费发布全部技术资料。例如从c i a 网站可以随时获得最新的c a n o p e n 协 议文本： ) 物理层采用c a n 芯片。由于其应用领域广泛、产量大，实际上已经成为一 种通用芯片，使采购方便，不受其他人限制； ) 协议精练、透明、便于理解；降低了驱动程序的开发难度。 针对目前国内大多把精力放在硬件之上的底层软件开发，使应用水平难以提 高的问题，文献 1 0 结合工业控制中的饲服电机控制模块，开发了基于p i c l 8 f 2 5 微控制器的c a n 总线高层协议c a n o p e n ，使模块具有较强的在线可控性、可扩 展性和通用性：文献l l 采用基于c a n 总线的c a n o p e nl i f t 电梯专用高层协议 提高通讯的效率和可靠性；文献 1 2 用c a n o p e n 协议开发了车载平台数据通讯 系统，并验证了系统的可靠性；文献 1 3 采用c a n o p e n 通讯协议实现了c a n 总 线d s 系统与上位机c a n 卡之间的通讯，并通过测试实验验证了信息传递的可 靠性，保证了全数字网络化伺服驱动系统中对电机控制的准确性和实时性。切实 的掌握c a n 总线的硬件和软件的开发应用技术，为形成产品化的c a n 总线控 制系统打下了坚实的基础，并将研究成果推广到其它类型的现场总线中，对于促 进现场总线在我国的应用和推广，摆脱国外大公司对现场总线领域的垄断，具有 较大的理论和实际意义。 1 2 2 主要研究内容 由于。般c a n 芯片只提供开放系统互连参考模型( o s ) 中的物理层乘1 数 3 第一章绪论 据链路层功能，用户必须直接用驱动程序操作链路层，因此本文着力于研究c a n 总线的应用层协议通讯。 本文选取m i c r o c a n o p e n 协议进行研究，并结合纯电动汽车网络系统模型， 以此为标准编写其应用层协议，实现高效的数据通讯，完善的网络管理，并使网 络中的数据通讯和网络管理标准化模块化。另外，在c a n 总线通信网络中，为 了满足系统中报文的实时性要求，有必要对总线中的报文传输进行合理的规划与 调度，以保证系统的稳定性。由于在c a n 总线的数据帧组成中，通过标识符可 以确定报文的优先级，解决报文冲突，控制报文在一定时间精度上的准时发送。 标识符既可以静态绑定，也可以动态设定，即利用标识符可以实现固定的或者动 态的报文优先级。针对上述问题，为了进一步改善网络协议，提高通讯效率，本 课题最后将e e d 改进型动态调度算法引入到所构建的基于m i c r o c a n o p e n 协议 的纯电动汽车系统模型中，进一步优化网络，提高m i c r o c a n o p e n 网络系统中报 文传输的实时性。 归纳起来，本文的主要研究内容有以下几个方面： ) 研究和分析m i c r o c a n o p e n 高层协议，通过对其进行详尽分析，深入了解该 协议在执行过程中的一些特征，实现m i c r o c a n o p e n 协议栈在c a n 总线通 信实验平台中各节点之间的通讯； ) 以此为标准编写基于纯电动汽车模型的应用层协议，软件上实现s j a l 0 0 驱 动程序模块、m i c r o c a n o p e n 协议初始化模块、网络管理模块、组建及访问 对象字典模块、过程数据通讯模块等； ) 将e e d 改进型动态调度算法引入到所构建的基于m i c r o c a n o p e n 协议的纯 电动汽车系统模型中，进一步优化网络； ) 设计系统可调度分析软件，通过对模型中数据报文进行d m 算法及e e d 算 法的可调度性分析，说明引入e e d 算法后系统性能得到较大的改善，有效 地提高m i c r o c a n o p e n 网络系统中报文传输的实时性。 4 第二章c a n 总线相关技术及实验平台介绍 第二章c a n 总线相关技术及实验平台介绍 2 1c a n 总线技术介绍 控制器局域网c a n 是由德国的b o s c h 公司8 年代初提出的用于汽车控 制，并有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。它是一种多主总线，通 信速率最高可1 mb p 。最大通信距离可达5 0 0 0 m 。c a n 具有优先权和仲裁功能， 多个单片微机可以通过c a n 的控制器挂到c a n 总线上，形成多主机的局部控 制器。c a n 总线的技术规范包括c a n2 0 a 和c a n2 0 b 两部分，c a n 协议只 有物理层和数据链路层两个底层协议，规定了对数据通讯的成帧处理，包括位填 充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作标准7 】【1 4 1 。 2 1 1 连接和传递方式 c a n 是一个多主机局部网，它的串行通信链路采用一个多个单元均可连接 的总线。理论上，单元数目是无限的，实际的单元总数受限于延迟时间和总线的 电气负载。该总线可用各种方法实现，如差分驱动平衡双绞线、单线、光线等， 其中常用的为第一种【1 5 1 。总线上的数据可具有两种互补的逻辑值之一：主控 ( d o m i n a n t ) 和隐性( r e c e s s i v ) 。在两个单元同时分别发送主控和隐性电平时， 总线上的数据将是主控电平。在总线采用线与操作方式时，主控电平用逻辑 表示，而隐性电平为逻辑。 c a n 总线中，各节点应使用相同的位速率。它的每位时间由同步段、传播 段、相位缓冲段和相位缓冲段组成。发送器在同步段前改变输出的位数值。 接收器在两个相位缓冲段之间采样位输入位值。而两个相位缓冲段长度可自由控 制，以保证采样的可靠性。除此之外，由于各节点的时钟总有小的差异，c a n 总线使用时钟同步技术来保证通信的同步性，并在实际传送中，遇到连续发送的 五位相同时，将自动插入一个补码位( 除了发送固定格式字段时) 。 2 1 2c a n 报文格式【1 6 】【1 7 】 c a n 总线上的信息以报文的形式进行传输，报文传输分为四种不同类犁的 帧：数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展 第二章c a n 总线相关技术及实验平台介绍 帧两种格式，它们用一个帧时间间隔与前面的帧分开。 数据帧从一个发送器承载数据到一个接收器。根据c a n 规范，有两种数据 帧格式：c a n 标准帧( 也称为c a n 2 0 a ，支持1 位长度的标识符) 和c a n 扩展 帧( 也称为c a n 2 0 b ，支持2 位长度的标识符) 。远程帧是由一个接收c a n 节 点发送，用来请求带有远程帧中规定的标识符的数据帧。错误帧将任何总线错误 通知其它单元，在接收到这个帧时发送器会自动进行报文重发。过载帧由一个忙 的c a n 节点送出，以请求在前后数据帧之间增加一个额外的延迟。 图2 是标准格式的数据帧，开始是帧起始s o ( s t a r t o f - f r a m ) ；其后是l 位标识符和远程发送请求位r t r ( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) ，这两部分构成 了仲裁场；控制场由位组成，它表示了后面数据场中的字节数目；数据场由数 据帧里发送的数据组成可为一个字节；数据场后面是循环冗余码c r c ( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k s u m ) ，它用于接收器检验所接受到的位序列；两位的应答域 a c k ( a c k n o w l e d g m e n t ) 用于发送器接收任意接收器所发出的应答；最后是帧结 尾e o ( e n d o f - f r a m ) 它包括个位。 图2 1 标准格式的数据帧 在标准格式中报文的起始位称为帧起始，然后是由1 位标识符和远程发送 请求位组成的仲裁场。r t r 位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据 字节。 控制场包括标识符扩展位( i d e ) 指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一 个保留位( r o ，为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长 度( d l c 。数据场范围为个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检 查( c r c 。 应答场( a c k 包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平 逻辑l ，这时正确接收报文的接收站发送主控电平逻辑0 覆盖它。用这种方法， 发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。 报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文问有一很短的间隔位，如果 这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。 2 1 3 位仲裁 1 】 3 】【1 8 】 要对数据进行实时处理就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输 通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。 实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。 6 第二章c a n 总线相关技术及实验平台介绍 c a n 总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在1 位标识符中， 具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确 立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。比如，当几个站同 时发送报文时，站的报文标识符为0 1 1 l l ；站的报文标识符为0 1 0 0 1 l ；站 的报文标识符为0 1 0 0 1 1 。所有标识符都有相同的两位0 ，直到第位进行比 较时，站的报文被丢掉，因为它的第位为高，而其它两个站的报文第位为 低。站和站报文的、 位相同，直到第位时，站的报文才被丢失。 总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中，站的报文 被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络最终确定哪一个站的报文 被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站 都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。 c a n 具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用， 这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载 较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可 以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。 对于主站的可靠性，由于c a n 协议执行非集中化总线控制，所有主要通信， 包括总线读取许可控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信 系统的唯一方法。 c a n 实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进 行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问 题。不同于e t h e m e t 网络的报文仲裁，c a n 的非破坏性解决总线存取冲突的方法， 确保在不传送有用报文时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以报文内 容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足，所 有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在c s m a c d 这样的网络中，如 e t h e r n e t 系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在c a n 中不会发生。 2 1 4 数据错误检测3 】【1 8 】 不同于其它总线，c a n 协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的 任何错误用信号发出。c a n 协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基 于报文内容检查。 ) 循环冗余检查 在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过c r c 可判断报 文是否有错。 ) 帧检查 7 第二章c a n 总线相关技术及实验平台介绍 这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式 上的错误。 如前所述，被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收 到应答，那么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，a c k 场已损坏或网络中 的报文无站接收。c a n 协议也可通过位检查的方法探测错误。 ) 总线检测 有时，c a n 中的一个节点可监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可 以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。 ) 位填充 一帧报文中的每一位都由不归零码表示，可保证位编码的最大效率。然而， 如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。为保证同步，同步 沿用位填充产生。在五个连续相等位后，发送站自动插入一个与之互补的补码位； 接收时，这个填充位被自动丢掉。例如，五个连续的低电平位后，c a n 自动插 入一个高电平位。c a n 通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有个 相同位，c a n 就知道发生了错误。 如果至少有一个站通过以上方法探测到一个或多个错误，它将发送出错标志 终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文，并保证网络上报文的一致 性。当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。作为规则，在探 测到错误后2 个位周期内重新开始发送。在特殊场合，系统的恢复时间为3 个位周期。 2 1 5c a n 总线调度相关问题 在c a n 总线的数据帧组成中，标识符在实时性分析中起着重要的作用，通 过标识符可以确定报文的优先级，解决报文冲突，控制报文在一定时间精度上的 准时发送。如何设置c a n 的标识符以确定报文的优先级，来改善c a n 的时间确 定性能力，支持实时通信，是c a n 协议实时性研究中最重要的问题。标识符既 可以静态绑定，也可以动态设定，即利用标识符可以实现固定的或者动态的报文 优先级。 在c a n 的固定优先级设定和实时特性分析方面，约克大学的t i n d e l l 等人作出 了开创性工作。文献 1 9 提出利用报文的相对截止期，为不同的报文分配不同的 标识符，并且给出详细的报文最糟糕响应时间分析。其中，得出报文的最糟糕响 应时间是判断报文是否可调度的关键。 根据动态优先级调度具有高的带宽利用率和静态优先级调度具有可预见性 的特点，文献 2 0 提出按照任务的绝对截止期为报文分配标识符，并设计出一种 混合通信调度器( m t s 。m t s 调度器的核心思想是，充分利用报文的标识符反映 8 第二章c a n 总线相关技术及实验平台介绍 报文的截止期的变化。m t s 调度器可调度分析与动态调度算法可调度分析方法完 全相同。由于每个报文必须有唯一的标识符，把标识符分成三个域，使标识符既 反映截止期的变化，又能保证唯一性【2 1 1 。 动态优先级调度是目前效率最高但也是实现最困难的调度思想，完全利用最 小截止期优先( e d f 调度算法来提高报文的实时性，并成功地解决了截止期编码 问题，把变化范围比较大的截止期用两级编码方案表示出来。在涉及到编码动态 更新和尽量减少优先级逆转的问题上，文献 2 2 分析了处理器的开销，仿真表明 该算法比混合调度算法性能有较大的提高。 2 2c a n 通信实验平台介绍 本节将阐述c a n 总线通信实验平台。该实验系统是一个完善的基于c a n 总线的系统，如图2 一所示，根据网络模型所需的拓扑结构，选择c a n 通信节 点的个数，配置各个节点的相关参数。 主节点 2 2 1 硬件组成 图2 - 2 c a n 通信实验平台 硬件电路的设计主要是c a n 通信控制器与微处理器之间和c a n 总线收发 器与物理总线之间的接口电路的设计。c a n 通信控制器是c a n 总线接口电路的 核心，主要完成c a n 的通信协议，而c a n 总线收发器的主要功能是增大通信 距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰( r f ) ，实现热防 护等f 2 3 】。 实验系统中各节点的硬件电路主要由以下几个部分组成： 9 = 章c a n 总线# * 技术& 实女平自升目 ) 主c p u 及外围电路：该部分包括主c p u ( 5 单片机p 8 9 c 5 ) 、外部r a m ( h m 6 2 2 5 ) 、外部e e p r o m ( c a t 2 4 w c 0 ) 和看门狗电路( m a x 8 1 3 l ) ， 主要负责节点管理、总线通信的实现等： ) c a n 通信接口模块：该部分包括c a n 控制器( s j a l 0 0 0 、c a n 收发器 ( p c a 8 2 c 2 5 0 和高速光耦隔离器件( 6 n 1 3 7 主要实现c a n 协议的数据通信： ) r s 4 8 通信接口模块：该部分包括r s 4 8 总线通信芯片( m a x l 4 8 ) ，主要 实现r s 4 8 串行通信协议的数据通信； ) 键盘输入和液晶输出模块：该部分包括液晶模块( h d 7 2 7 9 a 、作为输入接口 的三忐缓冲器( 7 4 l s 2 4 ) 和个键盘，主要实现人机接口操作。 2 22 c a n 数据分析工具 u s b c a ni 智能c a n 接口卡是与u s b i 总线兼容的，带有路c a n 接 e l 的智能型接口卡。如图2 一所示采用u s b c a ni 接口卡p c 可以通过u s b 总线连接一个标准c a n 网络构建现场总线测试实验室、工业控制、智能楼宇、 汽车电子等领域中数据处理、数据采集、数据通讯网络的c a n 核心控制单元。 u s b c a ni 智能c a n 接口卡可用作为一个标准的c a n 节点，是c a n 产品开 发、c a n 数据分析的强大工具：同时，u s b c a ni 接口卡具有体积小、即插即 用等特点也是便携式系统用户的晟佳选择； u s b c a ni 智能c a n 接口卡采用通用的z l g v c 驱动库支持w i n 9 、 w i n 2 0 0 和x 操作系统。片j 户通过随机提供的z l g v c 动态开发库可以方便 快捷的开发出c a n 系统应用产品。u s b c a ni 接口卡提供简单的函数调用v c 例程和二次开发接口库文件z l g v c ，用户可捆绑u s b c a n 智能c a n 接口卡 自南发放相应的驱动程序及应用程序文件。 一 圈2 - 3 u s b c a n 1 智能c a n 接口卡 镕= c a n * $ 女十自 c a n - b u s 通用测试软件足一个专门用来对所有的z l g c a n 系列板卡进行钡4 试的软件工具此软件操作简单，容易上手，通过运用此软件可以非常方便的对 板卡进行测试，从而熟悉板# 的性能，其主界面如图2 ： 罔2 4 c a n _ b 吣通用测试软件主界面 2 23c a n 接口硬件电路介绍 c a n 通信接u 模块足竹点的核心部分，其硬件电路酷计如罔2 所示。其 中，s j a l 0 0 是种独立的c a n 控制器】，它土要是在原有c a n 操作模式 b a s i c c a n 的基硎；上增加r 种新的操作模式p e l i c a n ，这种模式支持c a n 20 b 胁议，埘丁微处理器来说，e 竹l 当丁一个存储器映象设备。s j a l 0 0 片内 有控制寄存器、命令寄存器、状态寄存器、中断寄存器和收、发寄存器等，单片 机就是通过读写这衅寄存器来实现对s j a l 0 0 的控制。p c a 8 2 c 2 5 是c a n 控制 器与物理总线之阃的接u ，可以提供对总线的差动发送和接收功能口”。由于工 业现场会有各种并样的下扰在c a n 控制器和收发器之间加r 高遮光耦隔离器 第二章c a n 总线相关技术及实验平台介绍 件( 6 n 1 3 7 ，这样就很好地实现了总线上各c a n 节点问的电气隔离。 以卜 懈 r 1 日唰 p c 黻2 5 0 勰 刀入啤一 、， 早片移l 、” 么、 过程数据通讯( p d o ：用于传输正常网络操作中的实时数据。 网络管理( n m t ：用于网络中主节点对从节点的监控和管理。 预定义数据对象：定义了三个用于同步、应急指示和时间标记的特定对象。 下面详细介绍各个通讯模式，首先是服务型数据通讯模式( s d o ) 。 1 服务型数据的通讯( s d o ) 服务型数据( s d o ) 通讯用于对对象字典进行读写访问，它的优先级较低， 但可以实现可靠的数据传输，通过传输对象字典的索引以及子索引，可以定位相 应的对象字典入口，以实现对节点参数的设置、下载程序、定义p d o 通讯的类 型和数据的格式等。s d o 通讯协议需建立起两个c a n 对象在两个网络节点间点 对点的通讯。允许传送任意长度的数据，可以多于个字节不受长度的限制，但 传送的s d o 报文需要额外的协议开销。传输中使用客户和服务器的概念，两节 点中主动的节点是客户，被动的节点是服务器。客户要通过申请命令从服务器的 对象字典中读取或写入数据。传输的数据结构如图3 一。 i b y t e 0b ”e l 一2 b ”e 3 b v t e 4 7 s d o 椭f -对象索引对象子索引 奎幸 图3 - 3s d o 数据格式 s d o 的操作内容由c a n 芯片的数据段d a t a d a t a 传递，由三部分组成： 1 8 第三章m i c r o c a n o p e n 协议栈的研究 夺操作方式：主站s d o 的这部分表示对从站的操作命令，例如：向从站写参数、 从从站读参数、参数的特征等；从站s d o 的这部分表示从站对主站s d o 操作 命令的应答。 夺参数号：表示被操作的参数号；m c i r o c a n o p e n 通过参数号规定应用层的通 讯实体内容，例如：从站的设备特征、生产厂家、参数读取、参数设置、p d o 的数据格式规定等。 夺参数值：表示被操作参数的数值。 每一段数据的传输都需要客户发出申请和服务器响应确认两个过程。客户申 请用于建立点对点的连接，启动s d o 通讯。数据的发送和接收需要服务器确认。 发送和确认的数据帧具有不同的标识符。 2 过程数据的通讯( p d o ) 过程数据的通讯用于实时数据传输。优先级较高，数据的长度不得多于 个字节。p d o 通讯可以由任意节点发送数据。由任意数目的其它节点接收。p d o 的相关参数可以选择对象字典中的默认值，也可以由s d o 通讯动态配置。 表3 - 3p d o 传输类型定义 传输类型触发p d o 的条件p d o 传输 ( b = b o t hn e e d e d ：o = o n eo rb o t ) s y n c i u re v e n t obb 同步，非循环 一2 4 0o 同步，循环 2 4 2 5 l 保留 2 5 2b b同步，在r t r 之后 2 5 30 异步，在r t r 之后 2 5 4oo 异步，制造商特定事件 2 5 5o o异步，设备子协议特定事件 说明： s y n c 一接收到s y n c o b j e c t r t r 一接收到远程帧 e v e n t 一例如数值改变或者定时器中断 传输类型为：到2 4 时，该数宁代表两个p d o 之间的s y n c 对象数目。 表3 给出了由传输类型定义的不同p d o 传输模式，其中传输类型为p d o 通讯参数对象的一部分，由位无符号整数定义。 a 同步通讯模式 同步通讯模式要求在同步时间窗内周期性的发送数据。主要应用。了：运动控 1 9 第三章m i c r o c a n o p e n 协议栈的研究 制。同步报文( s y n c 在网络上周期性发送，同步p d o 传输过程如图3 所示， s y n c 的发送频率由对象字典中的“传输类型”的参数定义。 同步报文同步报文同步报文同步报文同步报文同步报文 z1了irz土z，i 、， ，i i ，1 l 。 i ii - ， 同步p d o异步p d o 图3 4 同步通讯模式 b 查询模式 网络中的节点可以通过查询模式从其它任意节点上读取过程数据。该节点发 送一个c a n 远程帧，当其它节点收到此远程帧时，就会向总线发送相应的p d o 数据。 c 事件驱动模式 由某一事件触发。例如数字i o 口状态改变，超过预先设定的值都会触发节 点发送一个状态短信。这种模式可使总线负载达到最小，在相对低波特率下获得 比较高的通讯特性。事件驱动模式和同步通讯模式可以在网络中自由的混合使 用。 综上，p d o 通讯和s d o 通讯的特点总结如表3 所示： 表3 _ 4 p d o 通讯和s d o 通讯的特点 p d o 通讯s d o 通讯 传输实时数据 以索引和子索引的方式访问和设置对象字典 传送优先级较高的信息传送优先级较低的信息 分为同步和非同步两种传送模式非同步传送模式 分为周期和非周期两种传送模式 非周期传送模式 数据内容可南s d o 设置数据内容由c m s 协议决定 可在c a n 总线上任意两节点进行只限于主节点和从节点问进行 一次町传送一个字节一次可传送任意多个字节 ) 网络管理( n m t ) n m t 用于管理和监控网络中的各个节点。网络中确定一个节点为n m t 主 站即网络管理员，主站作为主站时不和其它节点一起参与仲裁，只具有管理功 2 0 第三章m i c r o c a n o p e n 协议栈的研究 能，不执行管理功能时主站也可以运行应用程序参与s d o 和p d o 通讯，n m t 可以进行以下几种网络管理： 状态管理 状态管理控制m c i r o c a n o p e n 网络中节点的初始化、预操作和操作状态的转 换。如图3 所示： 初始化 通讯对象标识符初始化应用数据初始化 自动进入 弋7 预操作状态 只能进入s d o 通讯 么1 q m t 报文：启动远程节点 n m t 报文：进入预先操一 弋7 操作状态 p d o 通讯s d o 通讯 图3 5 节点的操作状态及相互转换 状态 各个状态可以在主站的控制下进行转换。初始化状态中不允许传输数据，预 操作状态中，通过s d o 通讯可进行系统的参数的设置，不允许p d o 通讯。操作 状态是正常的工作状态，允许进行p d o 和s d o 两种通讯 节点保护 通过节点保护，主站可以确定从站是否被激活以及从站所处的状态。其实现 方式是：主站向所保护的从站周期性的发送远程帧，从站则向主站发送一个包括 其状态信息的字节作为响应。若从站没有在规定的时间内响应或其操作状态不正 确，则有可能从站发生错误。同样的，从站也可通过检测主站发送的远程帧之间 的时间间隔来确定主站是否发生错误。 分配特定标识符( d b t 服务) 一般情况下，数据帧的标识符都采用对象字典定义的默认值。当有特殊需求 时，节点进入预操作状态，由s d o 通讯申请它的标识符，包括s d o 、p d o 报文 的标识符、特殊信息如同步信息的附加c a n 标识符。当这一设置过程完成以 后，节点又可以进入操作状态。这种模式允许m c i r o c a n o p e n 节点在现存的c a n 网络的中运行，但需要附加的内存窄问和代码。 2 l 第三章m i c r o c a n o p e n 协议栈的研究 禁止时间服务 应用禁止时间服务可以避免由于高优先级信息的数据量太大，始终占据总 线，而使其它优先级较低的数据无力竞争总线的问题。禁止时间服务在对象字典 中定义一个时间域。当某种标识符的数据的传输