CAN總線網(wǎng)絡(luò)的實時性研究和改進(jìn)

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(luò)復(fù)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(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議進(jìn)行比較，得出網(wǎng)絡(luò)延時特征。
關(guān)鍵詞：實時性；動態(tài)優(yōu)先級；TTCAN；網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(luò)。盡管CAN最初是為汽車電子系統(tǒng)設(shè)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(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)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(jī)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(jī)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(luò)負(fù)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(dǎo)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(xiàn)的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)CAN進(jìn)行比較，得到網(wǎng)絡(luò)延時特性。

1 CAN協(xié)議幀及仲裁機(jī)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(dāng)總線上2個不同節(jié)點在同一位時間分別強(qiáng)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(yù)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(biāo)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(yù)發(fā)幀的字節(jié)，當(dāng)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(biāo)識符字段在總線同時相遇，借助總線使標(biāo)識字段逐位“線與”，根據(jù)其結(jié)果進(jìn)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(biāo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式。這兩種幀格式的主要區(qū)別在于標(biāo)識符的長度，標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀具有11位標(biāo)識符，擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀具有29位標(biāo)識符。本文以擴(kuò)展格式為例進(jìn)行論述。幀的開始有起始標(biāo)志位表示，它僅由一個顯位組成；接下來是仲裁場，當(dāng)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(dāng)出現(xiàn)優(yōu)先級不同位時，標(biāo)識符位為0的勝出，獲得總線使用權(quán)，所以標(biāo)識符數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。

    目前有很多文獻(xiàn)關(guān)于CAN協(xié)議的改進(jìn)，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(kuò)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(kuò)展幀的格式，所以能與其他CAN系統(tǒng)兼容，如圖3所示。擴(kuò)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(nèi)優(yōu)先級域(8b)、內(nèi)容標(biāo)示域(20b)。

    圖3中，類間優(yōu)先級域為1 b，在實際應(yīng)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(nèi)優(yōu)先級域為8 b，用于標(biāo)示同種類型消息的優(yōu)先級大小，數(shù)值越小，優(yōu)先級越高；內(nèi)容標(biāo)識符域為20 b，可以根據(jù)實際的需要對其進(jìn)行定義，在類間優(yōu)先級和類內(nèi)優(yōu)先級大小都一樣的情況少，也可進(jìn)一步起到輔助仲裁的作用。

2 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)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(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，就要通過非破壞性仲裁機(jī)制進(jìn)行仲裁來競爭總線的使用權(quán)，標(biāo)識符數(shù)值小的站點即優(yōu)先級較高的站點可以獲得總線使用權(quán)，競爭失敗的站點則需等待下次重新競爭，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(shù)據(jù)不能及時發(fā)送，或有時發(fā)送產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)負(fù)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(quán)，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(shù)據(jù)的傳送。當(dāng)發(fā)生沖突之后，高優(yōu)先級站點可以順利完成數(shù)據(jù)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(quán)并順利完成數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
    如果把CAN總線上要發(fā)送數(shù)據(jù)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(nèi)優(yōu)先級分配了8位，當(dāng)優(yōu)先級最低時，P0=28-1=255；f(n)為優(yōu)先級晉升項，為關(guān)于競爭失敗次數(shù)n的函數(shù)，可取正比例函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等。在本文中取的為正比例函數(shù)，即f(n)=kn，k為系數(shù)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(shù)。由此可得：
    Pj=28-1-kn=255-kn
    采用該算法還可以避免當(dāng)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(wǎng)絡(luò)中節(jié)點個數(shù)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(chǎn)生相應(yīng)的錯誤。該算法的實現(xiàn)流程圖如圖4所示。

    CAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有很多控制芯片?？刂菩酒梢酝瓿蒀AN協(xié)議轉(zhuǎn)換。要想通過動態(tài)優(yōu)先級來改進(jìn)CAN實時性，就要針對不同芯片的應(yīng)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(kuò)展，它依賴一個靜態(tài)的TDMA時間表來保證確定的響應(yīng)時間。將系統(tǒng)中所有發(fā)送周期型數(shù)據(jù)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(nèi)。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(jié)束。在每個基本周期內(nèi)，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(nèi)進(jìn)行傳輸，避免了信號之間的干擾，其結(jié)構(gòu)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(yù)留的特定時問窗口，只有特定的信號才能在該時間窗口內(nèi)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(nèi)可以重復(fù)出現(xiàn)，但是為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，CAN幀的自動重發(fā)功能在獨占窗口內(nèi)被禁止。分配給隨機(jī)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(shù)據(jù)碰撞采用CAN的位仲裁機(jī)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(jī)制決定網(wǎng)絡(luò)中哪個信息幀取得總線的訪問權(quán)?；诤酮氄即翱谙嗤脑颍珻AN的自動重發(fā)機(jī)制也被禁止。自由窗口是為網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)展預(yù)留的窗口。

4 仿真實驗及結(jié)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(shè)計了如圖6所示的實驗平臺。分析網(wǎng)絡(luò)延時時間，并進(jìn)行兩種算法的性能分析。仿真系統(tǒng)設(shè)計8個節(jié)點，每個節(jié)點由AT89S52單片機(jī)、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(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的情況下，分別在標(biāo)準(zhǔn)CAN，TTCAN、動態(tài)優(yōu)先級算法3種調(diào)度算法下進(jìn)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(jié)果如表2所示。

    通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著負(fù)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(fù)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(diào)度算法相對于標(biāo)準(zhǔn)CAN調(diào)度算法，在網(wǎng)絡(luò)實時性方面有了一定的提高，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的增加，低優(yōu)先級節(jié)點獲得總線使用權(quán)的幾率增加。TTCAN調(diào)度算法能明顯降低周期型信息的延遲時間。

5 結(jié)語
    本文通過分析CAN協(xié)議、分析CAN總裁機(jī)制，提出了動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和TTCAN調(diào)度算法。通過搭建仿真平臺，比較數(shù)據(jù)幀在標(biāo)準(zhǔn)CAN、動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法、TTCAN調(diào)度算法3種算法下的傳輸延遲時間得出如下結(jié)論：相同負(fù)載率下，TTCAN調(diào)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(diào)度算法下周期型消息的延遲時間??；相同負(fù)載率下，動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法下事件型消息的傳輸延遲時間要比TTCAN調(diào)度算法下事件型消息的傳輸延遲時間小。TTCAN調(diào)度算法適合于確定性硬實時系統(tǒng)的消息調(diào)度；動態(tài)優(yōu)先級算法可以靈活適應(yīng)系統(tǒng)的變化，提高CAN網(wǎng)絡(luò)實時性的要求，減小優(yōu)先級較低站點的數(shù)據(jù)傳輸延遲。