一種CAN息線報(bào)文優(yōu)先級(jí)產(chǎn)生與檢測(cè)方法
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作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898和IS011519的控制器局域網(wǎng)CAN，雖然最初是為汽車的監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，但由于它在性能、可靠性等方面的突出優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。在CAN總線技術(shù)中，MAC機(jī)制是基本的和關(guān)鍵的部分之一。在CAN的技術(shù)規(guī)范中首先提到的就是仲裁，而仲裁規(guī)則是通過報(bào)文優(yōu)先級(jí)體現(xiàn)的。目前國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)CAN報(bào)文優(yōu)先級(jí)有一些理論研究和分析，但尚未見到有文獻(xiàn)介紹有效的方法或手段來(lái)產(chǎn)生和檢測(cè)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。這在很大程度上阻礙了CAN總線的進(jìn)一步研究與應(yīng)用。本文給出了一種CAN報(bào)文優(yōu)先級(jí)的產(chǎn)生與檢測(cè)方法，清晰地解析了CAN總線的非破壞性逐位仲裁機(jī)制。
1 CAN的MAC機(jī)制分析
CAN技術(shù)規(guī)范中的MAC機(jī)制是指對(duì)媒體訪問的控制／仲裁機(jī)制。CAN網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文可被網(wǎng)絡(luò)上所有其他節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽并應(yīng)答。當(dāng)總線開放時(shí)，任何CAN節(jié)點(diǎn)均可開始發(fā)送報(bào)文；若多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始發(fā)送報(bào)文，總線訪問沖突借助標(biāo)識(shí)符進(jìn)行逐位仲裁來(lái)解決。仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都將發(fā)送的位電平與在總線上監(jiān)視到的電平進(jìn)行比較。若相同，則該單元可以繼續(xù)發(fā)送；若不同，則該單元丟失仲裁，且須退出而不再發(fā)送后續(xù)位。
對(duì)于多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送情況下總線訪問的仲裁，CAN采用的是帶優(yōu)先權(quán)的非破壞性逐位仲裁機(jī)制來(lái)解決總線沖突的；對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送而另一個(gè)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送的總線訪問情況，CAN采用的是載波監(jiān)聽技術(shù)。這二者共同的基礎(chǔ)是CAN總線上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文可被所有節(jié)點(diǎn)(包括自身)監(jiān)聽。帶優(yōu)先權(quán)的非破壞性逐位仲裁機(jī)制所依賴的其他基礎(chǔ)是顯性位(“O”)的優(yōu)先權(quán)高于隱性位(“l(fā)”)，即當(dāng)一個(gè)隱性位和一個(gè)顯性位同時(shí)被發(fā)送至總線上時(shí)，總線上所出現(xiàn)的結(jié)果為一個(gè)顯性位，“非破壞性”即是對(duì)高優(yōu)先權(quán)的“O”而言的。參與逐位仲裁的位為仲裁場(chǎng)(11位標(biāo)識(shí)符和RTR位，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)格式)，如圖1所示。
2 硬件支持
CAN報(bào)文優(yōu)先級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)由4個(gè)CAN通信節(jié)點(diǎn)組成，通過各節(jié)點(diǎn)的CAN―H和CAN―L端口并聯(lián)到總線上，總線兩端各接上一個(gè)120Ω左右的終端電阻，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。4個(gè)節(jié)點(diǎn)的主體結(jié)構(gòu)是基本相同的，根據(jù)系統(tǒng)功能的需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)在硬件結(jié)構(gòu)上又有所差別。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有鍵盤和顯示單元；節(jié)點(diǎn)1、2、3為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有“啟動(dòng)發(fā)送”按鈕；節(jié)點(diǎn)1還有“停止發(fā)送”按鈕，并可對(duì)CAN總線電平進(jìn)行檢測(cè)，亦即可對(duì)CAN總線MAC(媒體訪問控制)幀進(jìn)行檢測(cè)；節(jié)點(diǎn)4為接收節(jié)點(diǎn)，可顯示接收到的報(bào)文。
3 CAN報(bào)文優(yōu)先級(jí)的產(chǎn)生與檢測(cè)方法
3．1 基本原理
根據(jù)CAN的MAC機(jī)制及仲裁規(guī)則，如果高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文一直占用著總線，則其他低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文將無(wú)法獲得仲裁，但是會(huì)嘗試重新發(fā)送。只有當(dāng)高優(yōu)先級(jí)報(bào)文不再占用總線時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文才可能發(fā)送成功。因此，檢測(cè)報(bào)文優(yōu)先級(jí)的前提和關(guān)鍵是如何讓不同優(yōu)先級(jí)的報(bào)文同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線。
為方便說(shuō)明，首先命名標(biāo)識(shí)符。節(jié)點(diǎn)1要發(fā)送兩種報(bào)文，將其發(fā)送報(bào)文標(biāo)識(shí)符分別命名為SENT_ID_11和SENT_ID_12，將節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3發(fā)送報(bào)文標(biāo)識(shí)符分別命名為SENT_ID_2和SENT_ID_3。報(bào)文的優(yōu)先級(jí)順序：SENT_ID_11>SENT_ID_2，SENT_ID_11>SENT_ID_3，SENT_ID_12>SENT_ID_2，SENT_ID_12>SENT_ID_3，SENT_ID_11不同于SENT_ID_12，SENT_ID_2不同于SENT_ID_3。使節(jié)點(diǎn)1連續(xù)發(fā)送標(biāo)識(shí)符為SENT_ID_11的報(bào)文，目的是讓高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文占用總線，使總線一直處于“忙”的狀態(tài)。然后使節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3分別開始發(fā)送標(biāo)識(shí)符為SENT_ID_2和SENT_ID_3報(bào)文，節(jié)點(diǎn)2、3發(fā)送的報(bào)文優(yōu)先級(jí)不同且均比節(jié)點(diǎn)1優(yōu)先級(jí)低。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)2和3監(jiān)聽總線的結(jié)果是：發(fā)現(xiàn)有比其本身優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文正在發(fā)送，因此要邊監(jiān)聽邊等待。這時(shí)節(jié)點(diǎn)l停止發(fā)送后，節(jié)點(diǎn)2和3會(huì)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線，從而創(chuàng)造了使不同優(yōu)先級(jí)的報(bào)文同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線的條件。根據(jù)節(jié)點(diǎn)4接收到報(bào)文的先后順序即可驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3所發(fā)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)了，并且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文都被成功接收，也驗(yàn)證了CAN總線的非破壞性仲裁機(jī)制。另外，通過節(jié)點(diǎn)1檢測(cè)到的MAC幀也能確定節(jié)點(diǎn)2和3的報(bào)文優(yōu)先級(jí)。這里要注意的是，SENT_ID_12的報(bào)文作為檢測(cè)開始的標(biāo)志。使節(jié)點(diǎn)l停止連續(xù)發(fā)送報(bào)文，讓節(jié)點(diǎn)1再發(fā)送1幀ID為SENT_ID_12的報(bào)文，同時(shí)開始檢測(cè)總線電平，捕捉MAC幀。在第3次檢測(cè)到連續(xù)11個(gè)“l(fā)”時(shí)停止檢測(cè)，即第3幀報(bào)文結(jié)束時(shí)停止檢測(cè)。節(jié)點(diǎn)1將檢測(cè)到的MAC幀的各位值通過顯示單元順序地顯示出來(lái)，并與節(jié)點(diǎn)2和3發(fā)送的MAC幀相比較，可體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)2和3的報(bào)文優(yōu)先級(jí)。這就雙方面驗(yàn)證了報(bào)文優(yōu)先級(jí)，保證了準(zhǔn)確性和可信度。
評(píng)論