CAN總線網(wǎng)絡的實時性研究和改進

摘要：由于CAN總線的獨特優(yōu)勢，CAN已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一，這就要求它具有良好的實時性和可靠性。但是隨著CAN總線控制網(wǎng)絡復雜化，控制節(jié)點的增多，帶寬分配不均問題也隨之凸顯，使得總線上低優(yōu)先級的站點數(shù)據(jù)傳輸延時增加。提出了動態(tài)優(yōu)先級算法，它能夠動態(tài)改變站點優(yōu)先級，解決帶寬分配不均問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸；簡要介紹時間觸發(fā)CAN(TTCAN)協(xié)議，并通過實驗與動態(tài)優(yōu)先級算法和標準CAN協(xié)議進行比較，得出網(wǎng)絡延時特征。
關(guān)鍵詞：實時性；動態(tài)優(yōu)先級；TTCAN；網(wǎng)絡延時

0 引言
控制局域網(wǎng)(Controner Aera Net，CAN)是德國Boasch公司于1983年為汽車應用而開發(fā)的一種有效支持分布式控制的串行控制網(wǎng)絡。盡管CAN最初是為汽車電子系統(tǒng)設計的，但由于它在開放性和技術(shù)方面的獨特優(yōu)勢，在航天、電力、石化等領域都得到了廣泛應用。在火車、輪船、樓宇自動化、過程自動化儀表中，都有CAN技術(shù)的身影。CAN已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。
CAN總線具有多主發(fā)送、采用確定性的優(yōu)先級仲裁機制等特點，保證了CAN總線數(shù)據(jù)通信的可靠性、實時性和靈活性。在數(shù)據(jù)通信過程中，如果出現(xiàn)碰撞，低優(yōu)先級的節(jié)點會主動退出，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可以不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，保證了傳輸數(shù)據(jù)的實時性。但是這種靜態(tài)優(yōu)先級機制的一個缺點就是不能均等地為高優(yōu)先級和低優(yōu)先級站點分配帶寬，在網(wǎng)絡負載很大時，低優(yōu)先級站點會在多次競爭總線使用權(quán)時失敗，從而導致低優(yōu)先級站點消息傳輸產(chǎn)生不確定的延時，甚至無法發(fā)送。本文針對CAN的這個問題，在參考文獻的基礎上，結(jié)合消息型和事件型消息，提出了動態(tài)優(yōu)先級算法和基于時間觸發(fā)的TTCAN靜態(tài)調(diào)度算法。通過仿真實驗，將動態(tài)優(yōu)先級算法、靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和標準CAN進行比較，得到網(wǎng)絡延時特性。

1 CAN協(xié)議幀及仲裁機制
為了提高CAN總線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和傳輸距離，CAN采用差分方式輸出。雙絞線的一根為CANH，另外一根為CANL。CAN總線具有兩種邏輯電平：顯性電平和隱性電平。在傳輸一個顯性位時，總線呈現(xiàn)顯性狀態(tài)；在傳輸一個隱性位時，總線呈現(xiàn)隱性狀態(tài)。隱性狀態(tài)時，CANH和CANL兩條線之間的差分電壓Vdiff近似為0；顯性狀態(tài)時，CANH和CANL兩條線之間的差分電壓Vdiff的幅值一般為2～3 V，明顯高于隱性狀態(tài)時的差分電壓值。CAN總線上的位電平如圖1所示。

在CAN總線上，顯性位可以改寫隱性位。當總線上2個不同節(jié)點在同一位時間分別強加顯性和隱性時，總線上呈現(xiàn)顯性位，即顯性位可以覆蓋修改隱性位。顯性位一般表示邏輯0，隱性位一般表示邏輯。
CAN采用載波監(jiān)聽多路訪問、逐位仲裁的非破壞性總線仲裁技術(shù)。按CAN總線上節(jié)點對實時性要求的緊急程度，可預先將節(jié)點分成不同的優(yōu)先級。優(yōu)先級編號越大，其站點的優(yōu)先級越低。優(yōu)先級編號作為標識符的組成部分被置于報文仲裁場。在總線仲裁期間，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，簡化了總線的沖突仲裁過程，在一定程度上提高了通信的確定性和實時性。其仲裁規(guī)則為：
(1)預發(fā)幀的字節(jié)，當總線在空閑時同時發(fā)送幀且同步于SOF的上升沿；
(2)各幀的標識符字段在總線同時相遇，借助總線使標識字段逐位“線與”，根據(jù)其結(jié)果進行沖突仲裁；
(3)如果發(fā)送節(jié)點沒有檢測到?jīng)_突，則繼續(xù)發(fā)送下一位；
(4)如果發(fā)送節(jié)點檢測到?jīng)_突，則立即中斷，不再繼續(xù)后面位的發(fā)送；
(5)各標識字段逐位“線與”結(jié)束后，未監(jiān)測到?jīng)_突的字節(jié)便獲得優(yōu)先發(fā)送權(quán)，可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀后邊的字段；如檢測到?jīng)_突的節(jié)點，則不能發(fā)送后邊的數(shù)據(jù)字段，而等待下一次發(fā)送。
CAN數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場和幀尾。數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)場的長度可以為0。數(shù)據(jù)幀的位場排列如圖2所示。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)有兩種格式，即標準格式和擴展格式。這兩種幀格式的主要區(qū)別在于標識符的長度，標準格式數(shù)據(jù)幀具有11位標識符，擴展格式數(shù)據(jù)幀具有29位標識符。本文以擴展格式為例進行論述。幀的開始有起始標志位表示，它僅由一個顯位組成；接下來是仲裁場，當發(fā)生沖突時，兩個不同優(yōu)先級站點同時競爭總線的使用權(quán)，并且由高位開始，逐位比較下去，當出現(xiàn)優(yōu)先級不同位時，標識符位為0的勝出，獲得總線使用權(quán)，所以標識符數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。