系統(tǒng)工程設計法CAN通信設計分析

CAN通信設計的方法主要有兩種：一種是依靠工程經驗的投票法或試錯法，一種是基于系統(tǒng)工程技術的設計方法。試錯法是通過將零部件供應商在不同項目積累的經驗集成到一起的方法設計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)級需求對通信協(xié)議進行設計。

在試錯法中，由于各個零部件供應商都是基于自己的零件的需求出發(fā)考慮對協(xié)議的需要，無法從整個系統(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果存在潛在設計錯誤，而這些錯誤在仿真過程中難以發(fā)現(xiàn)，也無法通過測試的手段解決。

系統(tǒng)工程法則從系統(tǒng)級需求出發(fā)，充分考慮零部件之間的相互作用和需求，在系統(tǒng)層面對通信協(xié)議進行設計，因此在設計過程中可以對設計結果進行優(yōu)化，并驗證設計結果的正確性。下面的內容就對系統(tǒng)工程設計法進行詳細的介紹。

CAN協(xié)議設計的主要內容是創(chuàng)建消息、分配消息優(yōu)先級并確定消息的周期。下面對CAN通信的基本原理進行分析，分別說明其重要性。

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

為了說明設計中的主要問題，下面以有3個節(jié)點的總線通信為例。如圖1所示有3個節(jié)點通過CAN總線相互連接。

　　每個節(jié)點的內部程序決定了何時需要通過總線發(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，在有總線競爭的時候，根據(jù)按位仲裁原理，ID小的優(yōu)先級高，消息被優(yōu)先發(fā)送。圖3是仲裁的一個例子，假設在某一時刻，三個節(jié)點同時往外發(fā)消息，每個節(jié)點發(fā)送的消息ID(二進制格式)分別為：ID1=11001101010，ID2=11001011011，ID3=11001011001。每個節(jié)點都以發(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，監(jiān)聽到SOF位后自動轉為接收節(jié)點。發(fā)送節(jié)點之間的仲裁發(fā)生在ID發(fā)送的過程，發(fā)送過程中發(fā)送節(jié)點同時在監(jiān)聽總線上的信號，只要發(fā)送信號與監(jiān)聽到的信號一致，發(fā)送過程將繼續(xù)，否則停止。如圖所示，節(jié)點1在第6位上發(fā)送的是隱性信號，但是總線上的信號是顯性信號。節(jié)點1停止發(fā)送，轉為接收節(jié)點。在第10位的時候，節(jié)點2發(fā)送隱性信號，但是總線是顯性信號，所以節(jié)點2又停止發(fā)送，轉為接收節(jié)點。至此仲裁結束，節(jié)點3仲裁勝利，繼續(xù)發(fā)送消息余下的數(shù)據(jù)位。

從這個過程可以看出，由于消息ID3優(yōu)先級高，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。也就是說每次仲裁的結果是有的消息的發(fā)送要被延遲。

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

延遲也是影響CAN通信性能的主要問題，如果消息延遲時間過長，將影響接收節(jié)點的功能，嚴重的還可能造成事故。因此CAN協(xié)議設計的重要內容之一是控制消息的延遲時間在合理水平。

而消息優(yōu)先級和周期是設計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延遲進行有效控制，因此CAN協(xié)議設計的一個主要內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容之一，但是對延遲的影響相對較小。

CAN協(xié)議的系統(tǒng)工程設計方法通過對通信中的時間進行量化，依據(jù)量化結果分析功能之間的交互關系，從而進一步創(chuàng)建消息、分配消息ID和確定其周期。

系統(tǒng)工程設計方法與試錯法的本質區(qū)別是采用了量化的體系獲取通信過程中的時間要求。圖4顯示的是通信的時間要求。TP是事件發(fā)生到數(shù)據(jù)準備好發(fā)送給驅動程序之間的時間間隔，TB是數(shù)據(jù)被組建成消息并準備發(fā)送到總線上之間的時間間隔，TT是實際的傳輸時間，TA是消息接收完畢到數(shù)據(jù)能被應用程序使用之間的時間間隔，TS是數(shù)據(jù)可以使用到實際使用之間的時間間隔。整個通信過程必須要在規(guī)定時間內完成，而這個時間就是maximum age.這個時間標志了數(shù)據(jù)發(fā)送的實時性，只要數(shù)據(jù)在這個時間范圍內送到接收節(jié)點，接收節(jié)點的功能將得到實時的執(zhí)行。
 

除了這些參數(shù)以外，完整的系統(tǒng)設計還需要以下信息：
　　●信號定義：類型、大小等；
　　●發(fā)送節(jié)點數(shù)據(jù)定義：收發(fā)的信號、TP和TS的定義；
　　●接收節(jié)點數(shù)據(jù)定義：收發(fā)的信號、TP、TS和maximum age的定義；
　　●拓撲結構的定義：節(jié)點之間的互聯(lián)關系。

以上數(shù)據(jù)為基礎，對通信過程的實時性進行分析，計算通信中的延遲。然后根據(jù)單調速率分析法(deadline monotonic analysis)，分配消息ID并設置周期。

根據(jù)系統(tǒng)獲取的時間要求，系統(tǒng)計算消息的延遲并驗證設計的協(xié)議是否滿足這些時間要求。如果不滿足時間要求，系統(tǒng)將自動調整消息ID和周期，直到滿足所有的時間要求。

本文用Mentor Graphics公司Volcano產品線的設計工具VNA進行了實驗。VNA是CAN/LIN協(xié)議的自動化設計工具，其核心思想就是采用了本文介紹的系統(tǒng)工程設計方法。其使用方法可以如圖5所示，用戶提供信號及節(jié)點定義、本文介紹的時間參數(shù)定義及項目管理定義，VNA將自動對CAN通信協(xié)議進行設計，輸出通信協(xié)議規(guī)范。

其中圖6是本次實驗的通信系統(tǒng)拓撲結構，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。

輸入參數(shù)后，VNA自動生成通信協(xié)議，結果如圖7所示。消息EMSHSC_FrP00的ID為0x04c000d，周期為10ms，計算出的延遲時間為1.734ms。

系統(tǒng)工程設計法，采用一套量化體系描述數(shù)據(jù)收發(fā)的完整過程。明確定義這些指標，并清晰描述了系統(tǒng)功能的時間性要求。正因為這樣，使得自動化設計協(xié)議成為可能。

根據(jù)這些量化指標，系統(tǒng)將自動計算消息的延遲時間，并自動調節(jié)消息的優(yōu)先級和周期，以控制消息的延遲時間，保證用戶提出的時間要求全部得到滿足，從而實現(xiàn)從設計角度控制消息延遲的目的。

自動化設計協(xié)議降低了協(xié)議設計的技術門檻，特別是對于中國的整車廠，沒有經驗積累，這樣的工具必將助力國內自主產品在總線上的研發(fā)。