摘要：由于CAN總線的獨特優(yōu)勢，CAN已成為工業(yè)數據通信的主流技術之一，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)先級的站點數據傳輸延時增加。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)數據實時傳輸；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，得出網絡延時特征。
關鍵詞：實時性；動態(tài)優(yōu)先級；TTCAN；網絡延時
0 引言
控制局域網(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技術的身影。CAN已成為工業(yè)數據通信的主流技術之一。
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總線數據通信的可靠性、實時性和靈活性。在數據通信過程中，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)傳輸數據，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，保證了傳輸數據的實時性。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，在網絡負載很大時，低優(yōu)先級站點會在多次競爭總線使用權時失敗，從而導致低優(yōu)先級站點消息傳輸產生不確定的延時，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)先級調度算法和標準CAN進行比較，得到網絡延時特性。
1 CAN協(xié)議幀及仲裁機制
為了提高CAN總線傳輸數據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。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)傳輸數據，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”，根據其結果進行沖突仲裁；
(3)如果發(fā)送節(jié)點沒有檢測到沖突，則繼續(xù)發(fā)送下一位；
(4)如果發(fā)送節(jié)點檢測到沖突，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”結束后，未監(jiān)測到沖突的字節(jié)便獲得優(yōu)先發(fā)送權，可以發(fā)送數據幀后邊的字段；如檢測到沖突的節(jié)點，則不能發(fā)送后邊的數據字段，而等待下一次發(fā)送。
CAN數據幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、應答場和幀尾。數據幀中數據場的長度可以為0。數據幀的位場排列如圖2所示。數據幀的結構有兩種格式，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，標準格式數據幀具有11位標識符，擴展格式數據幀具有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，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，所以標識符數值越小，優(yōu)先級越高。
目前有很多文獻關于CAN協(xié)議的改進，基本都是局限于周期型消息的處理，但是在實際工業(yè)現(xiàn)場有很多諸如報警、故障等突發(fā)型消息，這些都是事件型消息，都未能有效處理?；诖耍疚募骖欀芷谛秃褪录拖?，以CAN 2．0B擴展幀格式為例，通過重新定義ID字段的含義來解決帶寬分配不均的問題。這種重新定義的幀并未改變擴展幀的格式，所以能與其他CAN系統(tǒng)兼容，如圖3所示。擴展格式幀的ID字段被重新定義為3個部分：類間優(yōu)先級域(1b)、類內優(yōu)先級域(8b)、內容標示域(20b)。
圖3中，類間優(yōu)先級域為1 b，在實際應用中將0分給事件型消息，使其具有最高優(yōu)先級，將1分給周期型消息；類內優(yōu)先級域為8 b，用于標示同種類型消息的優(yōu)先級大小，數值越小，優(yōu)先級越高；內容標識符域為20 b，可以根據實際的需要對其進行定義，在類間優(yōu)先級和類內優(yōu)先級大小都一樣的情況少，也可進一步起到輔助仲裁的作用。
2 動態(tài)優(yōu)先級調度算法
CAN總線的特點之一就是多主發(fā)送，各個站點在任何時候都可以隨機發(fā)送數據，如果在某一個時刻有2個或都2個以上的站點要發(fā)送數據，就要通過非破壞性仲裁機制進行仲裁來競爭總線的使用權，標識符數值小的站點即優(yōu)先級較高的站點可以獲得總線使用權，競爭失敗的站點則需等待下次重新競爭，當網絡負載較大時，優(yōu)先級較低的站點很可能在多次競爭中失敗，從而數據不能及時發(fā)送，或有時發(fā)送產生沖突有時順利發(fā)送，造成發(fā)送延時的不確定性，這就是帶寬分配不均所造成的。為了解決隨著網絡負載增加所造成的帶寬分配不均，本文提出了動態(tài)優(yōu)先級算法。動態(tài)優(yōu)先級算法是一種隨著時間推移動態(tài)改變各個站點優(yōu)先級的算法，與原有的靜態(tài)分配優(yōu)先級算法相比，該算法可使每個站點均等地競爭總線的使用權，即能夠均等地分配帶寬，從而保證消息的實時傳輸。方法如下：初始情況下各個站點均有事先分配好的優(yōu)先級，在不發(fā)生沖突的情況下，按原有優(yōu)先級來完成數據的傳送。當發(fā)生沖突之后，高優(yōu)先級站點可以順利完成數據發(fā)送，為了能讓競爭失敗的站點在下次競爭中成功的概率變大，可以將競爭失敗的站點提高一個優(yōu)先等級參加下次競爭，即使失敗了若干次，這時該站點的優(yōu)先級也很高了，競爭勝出的概率會很大。但是需要注意的是優(yōu)先級較低的站點在提高優(yōu)先級的情況下獲得總線使用權并順利完成數據發(fā)送之后，需要將優(yōu)先級降低為初始優(yōu)先級，以保證網絡的正常運行。
如果把CAN總線上要發(fā)送數據的站點看成一個隊列，某個節(jié)點j在隊列的位置可表示為：
Pj=P0-f(n)
式中：Pj為節(jié)點j某時刻在隊列中的位置，即節(jié)點在此時刻的優(yōu)先級；P0為節(jié)點j在隊列中的初始位置，即初始優(yōu)先級。圖3中類內優(yōu)先級分配了8位，當優(yōu)先級最低時，P0=28-1=255；f(n)為優(yōu)先級晉升項，為關于競爭失敗次數n的函數，可取正比例函數、指數函數等。在本文中取的為正比例函數，即f(n)=kn，k為系數項，決定著晉升優(yōu)先級的快慢程度，一般取為CAN系統(tǒng)中節(jié)點的個數。由此可得：
Pj=28-1-kn=255-kn
采用該算法還可以避免當節(jié)點優(yōu)先級提高之后出現(xiàn)2個或2個以上優(yōu)先級相同的情況，例如，在某個網絡中節(jié)點個數為5，即k=5，所以Pj=255-5n，則各站點初始及晉升之后優(yōu)先級如表1所示。
可見，在競爭失敗提升優(yōu)先級的情況下，不會出現(xiàn)優(yōu)先級相同的情況，因此不會產生相應的錯誤。該算法的實現(xiàn)流程圖如圖4所示。
CAN網絡已經有很多控制芯片?？刂菩酒梢酝瓿蒀AN協(xié)議轉換。要想通過動態(tài)優(yōu)先級來改進CAN實時性，就要針對不同芯片的應用特性來實現(xiàn)。本文的仿真是利用Philips公司的SJA1000來實現(xiàn)的。
3 TTCAN協(xié)議
TTCAN(時間觸發(fā)CAN)是CAN協(xié)議的另外一種擴展，它依賴一個靜態(tài)的TDMA時間表來保證確定的響應時間。將系統(tǒng)中所有發(fā)送周期型數據的節(jié)點至少發(fā)送1次的時間稱為系統(tǒng)周期，系統(tǒng)周期又由n個基本周期組成。TTCAN中一個特殊的節(jié)點即時間主控節(jié)點周期性地發(fā)送使各個節(jié)點同步的消息，并且將CAN的通信分割在基本周期內。每個基本周期開始于一個參考消息，并且由下一個參考消息的開始作為結束。在每個基本周期內，主定時器又將每個基本周期的信道使用時間分為一個個的時間窗口，分給不同的信號，特定的信號只能在特定的時間窗口內進行傳輸，避免了信號之間的干擾，其結構如圖5所示。參考信息是由主定時器發(fā)送的，控制基本周期的時態(tài)，它的發(fā)送表明一個基本周期的開始；獨占窗口是為特定信號預留的特定時問窗口，只有特定的信號才能在該時間窗口內傳輸，為了使系統(tǒng)具有一定的靈活性，獨占窗口在一個基本周期內可以重復出現(xiàn)，但是為了保證數據傳輸的確定性，CAN幀的自動重發(fā)功能在獨占窗口內被禁止。分配給隨機發(fā)送信息的時間窗口叫競爭窗口，一個競爭時窗可以分配給多個信息幀，競爭時窗的數據碰撞采用CAN的位仲裁機制，在這里發(fā)送的每個信息幀都具有固定的優(yōu)先級，位仲裁機制決定網絡中哪個信息幀取得總線的訪問權。基于和獨占窗口相同的原因，CAN的自動重發(fā)機制也被禁止。自由窗口是為網絡的進一步擴展預留的窗口。
4 仿真實驗及結果分析
為了驗證動態(tài)優(yōu)先級算法和TTCAN算法在提高CAN總線實時性方面的性能，設計了如圖6所示的實驗平臺。分析網絡延時時間，并進行兩種算法的性能分析。仿真系統(tǒng)設計8個節(jié)點，每個節(jié)點由AT89S52單片機、SJA1000和PCA82C250組成，通過向每個節(jié)點發(fā)送消息型和時間型消息，在改變網絡負載率的情況下，分別在標準CAN，TTCAN、動態(tài)優(yōu)先級算法3種調度算法下進行實驗，比較節(jié)點的延遲時間。
向各個節(jié)點發(fā)送消息型和事件型信息幀各200幀，得到各幀的延遲時間，以其中一個節(jié)點為例，統(tǒng)計結果如表2所示。
通過實驗數據可以看出，隨著負載率的升高，動態(tài)優(yōu)先級下周期型消息的延時時間也隨之增加，TTCAN下周期型消息的延遲時間很穩(wěn)定；隨著負載率的升高，動態(tài)優(yōu)先級下事件型消息的延遲時間增加較小，TTCAN下事件型消息的延遲時間明顯增加。動態(tài)優(yōu)先級調度算法相對于標準CAN調度算法，在網絡實時性方面有了一定的提高，隨著網絡負載率的增加，低優(yōu)先級節(jié)點獲得總線使用權的幾率增加。TTCAN調度算法能明顯降低周期型信息的延遲時間。
5 結語
本文通過分析CAN協(xié)議、分析CAN總裁機制，提出了動態(tài)優(yōu)先級調度算法和TTCAN調度算法。通過搭建仿真平臺，比較數據幀在標準CAN、動態(tài)優(yōu)先級調度算法、TTCAN調度算法3種算法下的傳輸延遲時間得出如下結論：相同負載率下，TTCAN調度算法下周期型消息的傳輸延遲時間要比動態(tài)優(yōu)先級調度算法下周期型消息的延遲時間??；相同負載率下，動態(tài)優(yōu)先級調度算法下事件型消息的傳輸延遲時間要比TTCAN調度算法下事件型消息的傳輸延遲時間小。TTCAN調度算法適合于確定性硬實時系統(tǒng)的消息調度；動態(tài)優(yōu)先級算法可以靈活適應系統(tǒng)的變化，提高CAN網絡實時性的要求，減小優(yōu)先級較低站點的數據傳輸延遲。
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