系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法CAN通信設(shè)計(jì)分析

CAN通信設(shè)計(jì)的方法主要有兩種：一種是依靠工程經(jīng)驗(yàn)的投票法或試錯(cuò)法，一種是基于系統(tǒng)工程技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。試錯(cuò)法是通過(guò)將零部件供應(yīng)商在不同項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn)集成到一起的方法設(shè)計(jì)CAN通信協(xié)議。系統(tǒng)工程法是基于一定的理論思路，考慮通信的系統(tǒng)級(jí)需求對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在試錯(cuò)法中，由于各個(gè)零部件供應(yīng)商都是基于自己的零件的需求出發(fā)考慮對(duì)協(xié)議的需要，無(wú)法從整個(gè)系統(tǒng)的角度考慮零部件之間的相互影響和作用。所以將不同需求集成的結(jié)果存在潛在設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，而這些錯(cuò)誤在仿真過(guò)程中難以發(fā)現(xiàn)，也無(wú)法通過(guò)測(cè)試的手段解決。

系統(tǒng)工程法則從系統(tǒng)級(jí)需求出發(fā)，充分考慮零部件之間的相互作用和需求，在系統(tǒng)層面對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。下面的內(nèi)容就對(duì)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

CAN協(xié)議設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是創(chuàng)建消息、分配消息優(yōu)先級(jí)并確定消息的周期。下面對(duì)CAN通信的基本原理進(jìn)行分析，分別說(shuō)明其重要性。

CAN總線采用多主結(jié)構(gòu)，CSMA/CA(Carrier Sense MulTIple Access/Collision Avoidance)和按位仲裁機(jī)制決策訪問(wèn)總線的節(jié)點(diǎn)。CSMA/CA指節(jié)點(diǎn)在發(fā)送的同時(shí)也在監(jiān)聽總線，已避免沖突的發(fā)生，按位仲裁則規(guī)定了顯性信號(hào)比隱性信號(hào)優(yōu)先，顯性信號(hào)和隱性信號(hào)同時(shí)往總線上發(fā)送時(shí)，總線上是顯性信號(hào)。在本文以顯性信號(hào)用“0”表示，隱性信號(hào)用“1”表示。在下面的例子，我們也用低電平表示顯性信號(hào)，高電平表示隱性信號(hào)。

為了說(shuō)明設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題，下面以有3個(gè)節(jié)點(diǎn)的總線通信為例。如圖1所示有3個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線相互連接。

　　每個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部程序決定了何時(shí)需要通過(guò)總線發(fā)送數(shù)據(jù)，消息有固定的格式。如圖2所示，CAN消息由起始位SOF、ID域、control域等字段組成。其中的ID域代表了消息的優(yōu)先級(jí)，在有總線競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候，根據(jù)按位仲裁原理，ID小的優(yōu)先級(jí)高，消息被優(yōu)先發(fā)送。圖3是仲裁的一個(gè)例子，假設(shè)在某一時(shí)刻，三個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)往外發(fā)消息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息ID(二進(jìn)制格式)分別為：ID1=11001101010，ID2=11001011011，ID3=11001011001。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以發(fā)送SOF位開始，然后逐位發(fā)送ID域。不發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)，監(jiān)聽到SOF位后自動(dòng)轉(zhuǎn)為接收節(jié)點(diǎn)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的仲裁發(fā)生在ID發(fā)送的過(guò)程，發(fā)送過(guò)程中發(fā)送節(jié)點(diǎn)同時(shí)在監(jiān)聽總線上的信號(hào)，只要發(fā)送信號(hào)與監(jiān)聽到的信號(hào)一致，發(fā)送過(guò)程將繼續(xù)，否則停止。如圖所示，節(jié)點(diǎn)1在第6位上發(fā)送的是隱性信號(hào)，但是總線上的信號(hào)是顯性信號(hào)。節(jié)點(diǎn)1停止發(fā)送，轉(zhuǎn)為接收節(jié)點(diǎn)。在第10位的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)2發(fā)送隱性信號(hào)，但是總線是顯性信號(hào)，所以節(jié)點(diǎn)2又停止發(fā)送，轉(zhuǎn)為接收節(jié)點(diǎn)。至此仲裁結(jié)束，節(jié)點(diǎn)3仲裁勝利，繼續(xù)發(fā)送消息余下的數(shù)據(jù)位。

從這個(gè)過(guò)程可以看出，由于消息ID3優(yōu)先級(jí)高，所以優(yōu)先發(fā)送。ID1和ID2均需要等待下次仲裁決定是否發(fā)送。也就是說(shuō)每次仲裁的結(jié)果是有的消息的發(fā)送要被延遲。

另外，CAN協(xié)議規(guī)定，消息沒有發(fā)送完畢不會(huì)釋放總線。因此有低優(yōu)先級(jí)的消息在發(fā)送的時(shí)候，高優(yōu)先級(jí)的消息也會(huì)被延遲。

延遲也是影響CAN通信性能的主要問(wèn)題，如果消息延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將影響接收節(jié)點(diǎn)的功能，嚴(yán)重的還可能造成事故。因此CAN協(xié)議設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一是控制消息的延遲時(shí)間在合理水平。

而消息優(yōu)先級(jí)和周期是設(shè)計(jì)中影響延遲的主要因素，合理分配ID和確定消息的周期可以對(duì)延遲進(jìn)行有效控制，因此CAN協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容就是如何合理分配消息ID和確定消息的周期。創(chuàng)建消息也是重要的內(nèi)容之一，但是對(duì)延遲的影響相對(duì)較小。

CAN協(xié)議的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)通信中的時(shí)間進(jìn)行量化，依據(jù)量化結(jié)果分析功能之間的交互關(guān)系，從而進(jìn)一步創(chuàng)建消息、分配消息ID和確定其周期。

系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法與試錯(cuò)法的本質(zhì)區(qū)別是采用了量化的體系獲取通信過(guò)程中的時(shí)間要求。圖4顯示的是通信的時(shí)間要求。TP是事件發(fā)生到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好發(fā)送給驅(qū)動(dòng)程序之間的時(shí)間間隔，TB是數(shù)據(jù)被組建成消息并準(zhǔn)備發(fā)送到總線上之間的時(shí)間間隔，TT是實(shí)際的傳輸時(shí)間，TA是消息接收完畢到數(shù)據(jù)能被應(yīng)用程序使用之間的時(shí)間間隔，TS是數(shù)據(jù)可以使用到實(shí)際使用之間的時(shí)間間隔。整個(gè)通信過(guò)程必須要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，而這個(gè)時(shí)間就是maximum age.這個(gè)時(shí)間標(biāo)志了數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)時(shí)性，只要數(shù)據(jù)在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)送到接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)的功能將得到實(shí)時(shí)的執(zhí)行。
 

除了這些參數(shù)以外，完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要以下信息：
　　●信號(hào)定義：類型、大小等；
　　●發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)定義：收發(fā)的信號(hào)、TP和TS的定義；
　　●接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)定義：收發(fā)的信號(hào)、TP、TS和maximum age的定義；
　　●拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定義：節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)關(guān)系。

以上數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)通信過(guò)程的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析，計(jì)算通信中的延遲。然后根據(jù)單調(diào)速率分析法(deadline monotonic analysis)，分配消息ID并設(shè)置周期。

根據(jù)系統(tǒng)獲取的時(shí)間要求，系統(tǒng)計(jì)算消息的延遲并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的協(xié)議是否滿足這些時(shí)間要求。如果不滿足時(shí)間要求，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整消息ID和周期，直到滿足所有的時(shí)間要求。

本文用Mentor Graphics公司Volcano產(chǎn)品線的設(shè)計(jì)工具VNA進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。VNA是CAN/LIN協(xié)議的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，其核心思想就是采用了本文介紹的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法。其使用方法可以如圖5所示，用戶提供信號(hào)及節(jié)點(diǎn)定義、本文介紹的時(shí)間參數(shù)定義及項(xiàng)目管理定義，VNA將自動(dòng)對(duì)CAN通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸出通信協(xié)議規(guī)范。

其中圖6是本次實(shí)驗(yàn)的通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由三條CAN總線和兩條LIN總線組成，CAN協(xié)議采用的是29位。

輸入?yún)?shù)后，VNA自動(dòng)生成通信協(xié)議，結(jié)果如圖7所示。消息EMSHSC_FrP00的ID為0x04c000d，周期為10ms，計(jì)算出的延遲時(shí)間為1.734ms。

系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法，采用一套量化體系描述數(shù)據(jù)收發(fā)的完整過(guò)程。明確定義這些指標(biāo)，并清晰描述了系統(tǒng)功能的時(shí)間性要求。正因?yàn)檫@樣，使得自動(dòng)化設(shè)計(jì)協(xié)議成為可能。

根據(jù)這些量化指標(biāo)，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算消息的延遲時(shí)間，并自動(dòng)調(diào)節(jié)消息的優(yōu)先級(jí)和周期，以控制消息的延遲時(shí)間，保證用戶提出的時(shí)間要求全部得到滿足，從而實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)角度控制消息延遲的目的。

自動(dòng)化設(shè)計(jì)協(xié)議降低了協(xié)議設(shè)計(jì)的技術(shù)門檻，特別是對(duì)于中國(guó)的整車廠，沒有經(jīng)驗(yàn)積累，這樣的工具必將助力國(guó)內(nèi)自主產(chǎn)品在總線上的研發(fā)。