CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析及改進(jìn)

袁遠(yuǎn)，李紅信

（蘭州大學(xué) 甘肅 蘭州 730000）

CAN（Controller Area Network）即控制局域網(wǎng)，由于本身所具有高性能、高可靠性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[1]。CAN總線網(wǎng)絡(luò)是基于事件觸發(fā)機(jī)制的多主系統(tǒng)，其MAC層協(xié)議采用非破壞性逐位仲裁（CSMA/CA）技術(shù)[2]，網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)識(shí)符域中的優(yōu)先級(jí)大小競(jìng)爭(zhēng)總線的使用權(quán)[3]。本文從分析CAN總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議入手，通過(guò)研究共享訪問(wèn)控制原理及TTCAN協(xié)議，提出了一種動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分析平臺(tái)，并與標(biāo)準(zhǔn)CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及采用TTCAN協(xié)議網(wǎng)絡(luò)時(shí)延進(jìn)行比較，驗(yàn)證了此算法的有效性。

1 CAN實(shí)時(shí)性研究及改進(jìn)

衡量通信實(shí)時(shí)性的指標(biāo)是通信的延遲時(shí)間，即從消息產(chǎn)生時(shí)刻到將消息幀中的有效數(shù)據(jù)提供給目標(biāo)任務(wù)的時(shí)刻[4]。

1.1 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法

動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)是基于原有CAN事件觸發(fā)協(xié)議的基礎(chǔ)上，隨著時(shí)間的推移動(dòng)態(tài)調(diào)整各個(gè)站點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)的一類算法，相對(duì)于原有的固定優(yōu)先級(jí)，它使每個(gè)站點(diǎn)都有相同的權(quán)力來(lái)享受總線的帶寬，避免優(yōu)先級(jí)較低的站點(diǎn)得不到總線占有權(quán)，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。方法如下：初始情況下，每個(gè)站點(diǎn)均有各自不同的優(yōu)先級(jí)，在沒(méi)有發(fā)生沖突的情況下，各個(gè)站點(diǎn)按初始固定優(yōu)先級(jí)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)發(fā)生沖突后，優(yōu)先級(jí)高的站點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)勝出發(fā)送數(shù)據(jù)，為了能讓失敗的站點(diǎn)在下次的競(jìng)爭(zhēng)中有更大的概率勝出，可以把競(jìng)爭(zhēng)失敗站點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)提高一個(gè)等級(jí)來(lái)參加下一次的競(jìng)爭(zhēng)。如果仍然失敗再進(jìn)一步提高優(yōu)先級(jí)等級(jí)。即使失敗了若干次，但這時(shí)候該站點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)已經(jīng)相當(dāng)高了，競(jìng)爭(zhēng)勝出的概率也會(huì)很大。當(dāng)優(yōu)先級(jí)低的站點(diǎn)在優(yōu)先級(jí)提高的情況下獲得數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)并發(fā)送完數(shù)據(jù)后，必須把升級(jí)的優(yōu)先級(jí)降低為初始優(yōu)先級(jí)，以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。但是，在站點(diǎn)優(yōu)先級(jí)提高的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的站點(diǎn)具有相同的優(yōu)先級(jí)，而如果具有相同優(yōu)先級(jí)的站點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線，會(huì)造成沖突，產(chǎn)生錯(cuò)誤。因此，必須選擇一種較好算法，保證在站點(diǎn)優(yōu)先級(jí)提升時(shí)避免相同優(yōu)先級(jí)情況的發(fā)生。經(jīng)研究采用“取模增加”的方法可解決這一問(wèn)題。方法描述如下：假設(shè)在幀格式中，表示站點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的位數(shù)為N，可以表示的最大數(shù)為2N－1。網(wǎng)絡(luò)中的最大站點(diǎn)數(shù)為L(zhǎng)，每個(gè)站點(diǎn)的初始固定優(yōu)先級(jí)為2N-1－P，P為[0，L－1]區(qū)間的一個(gè)值。當(dāng)站點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)失敗后，優(yōu)先級(jí)的增加算法：新優(yōu)先級(jí)=原站點(diǎn)優(yōu)先級(jí)-L。

因?yàn)閮?yōu)先級(jí)必須大于零（取值越低，優(yōu)先級(jí)越高），所以當(dāng)新優(yōu)先級(jí)將要小于0的時(shí)候，優(yōu)先級(jí)就不能繼續(xù)改變了，保持大于等于0的優(yōu)先級(jí)參與競(jìng)爭(zhēng)。

例如，在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，N=5，L=4，25=32，則各站點(diǎn)初始及升級(jí)優(yōu)先級(jí)如表1所示。

表1 站點(diǎn)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)升級(jí)表

可見在競(jìng)爭(zhēng)失敗的情況下增加站點(diǎn)優(yōu)先級(jí)后，各個(gè)站點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)都不會(huì)有相同的情況發(fā)生，因此也不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的錯(cuò)誤。這里把最大站點(diǎn)數(shù)當(dāng)作模數(shù)，第1個(gè)站點(diǎn)可以取的優(yōu)先級(jí)值用L取模后余數(shù)均為3，第2個(gè)站點(diǎn)可以取的優(yōu)先級(jí)值用L取模后余數(shù)均為2，第3個(gè)站點(diǎn)可以取的優(yōu)先級(jí)值用L取模后余數(shù)均為1，第4個(gè)站點(diǎn)可以取的優(yōu)先級(jí)值用L取模后余數(shù)均為0。所以，在競(jìng)爭(zhēng)失敗后，對(duì)原有的優(yōu)先級(jí)值減去模數(shù)L，保證其模運(yùn)算結(jié)果不變。因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)減的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)的增加，所以把這種方法稱為“取模增加法”。此算法可通過(guò)軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具體流程如圖1所示。

圖1 優(yōu)先級(jí)升級(jí)算法流程

1.2TTCAN協(xié)議

TTCAN是一個(gè)在不改變C AN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上的高層協(xié)議，是建立在時(shí)間觸發(fā)機(jī)制上的CAN協(xié)議的擴(kuò)展。它能夠同步同一網(wǎng)絡(luò)中所有CAN節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)序并提供一個(gè)全局系統(tǒng)時(shí)間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)同步后，報(bào)文可以在一個(gè)特定的時(shí)間隙內(nèi)發(fā)送，而不用與其他報(bào)文競(jìng)爭(zhēng)總線訪問(wèn)權(quán)，因而得以避免報(bào)文仲裁失敗，并且報(bào)文的延遲時(shí)間也可以預(yù)測(cè)。它在TTCAN的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層上都與CAN兼容。在TTCAN中，一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)即時(shí)間主節(jié)點(diǎn)用來(lái)周期性的發(fā)送使各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步的消息，即同步消息。同步消息是TTCAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)同步機(jī)制的基礎(chǔ)，它的格式就是CAN的數(shù)據(jù)幀格式，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)識(shí)符來(lái)識(shí)別它。各個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收到參考消息后，啟動(dòng)本地定時(shí)器，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間單元計(jì)數(shù)器加1。在TTCAN的Levell級(jí)別中，只占用一個(gè)字節(jié)來(lái)傳輸控制信息比如當(dāng)前所處的基本周期數(shù)。TTCAN的實(shí)現(xiàn)方式是在底層仍采用CAN自身的仲裁機(jī)制，而在會(huì)話層中定義了系統(tǒng)矩陣SM（System Matrix），如圖2所示。將系統(tǒng)矩陣的周期稱為矩陣周期MC（Matrix cycle），每個(gè)矩陣周期由多個(gè)基本周期 BC（Basic cycle）組成，每個(gè)基本周期開始于一個(gè)參考消息，并且以下一個(gè)參考消息的開始作為結(jié)束。每個(gè)基本周期由若干個(gè)時(shí)間窗口組成，時(shí)間窗口的類型為獨(dú)占窗口、仲裁窗口和自由窗口。只有在這些時(shí)間窗口里才可以進(jìn)行消息交換。每個(gè)基本周期的窗口類型可以不同，并且根據(jù)TTCAN協(xié)議規(guī)定窗口之間有一定的時(shí)間間隙a，其中a的取值為1～16個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間單元。在TTCAN網(wǎng)絡(luò)中除了參考消息和仲裁窗口的消息外，其他消息是不允許重發(fā)的。

圖2 TTCAN系統(tǒng)矩陣

TTCAN系統(tǒng)矩陣是靜態(tài)的，周期重復(fù)的，需要在系統(tǒng)運(yùn)行前就進(jìn)行定義，且所有的節(jié)點(diǎn)中已經(jīng)存儲(chǔ)了相關(guān)的信息。因此對(duì)TTCAN協(xié)議的研究其焦點(diǎn)凝聚于對(duì)系統(tǒng)矩陣的合理調(diào)度[5-6]。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了檢測(cè)CAN網(wǎng)絡(luò)及TTCAN協(xié)議時(shí)延，研究動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法網(wǎng)絡(luò)延時(shí)特性，設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，分析網(wǎng)絡(luò)時(shí)延數(shù)據(jù)，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)和TTCAN兩種調(diào)度算法的性能分析。

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)功能分析與設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)平臺(tái)的具體功能包括:模擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；模擬總線參數(shù)；記錄消息幀的發(fā)送和接收時(shí)刻。整個(gè)仿真平臺(tái)由3大系統(tǒng)組成，即：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤產(chǎn)生系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)設(shè)8個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用Microchip公司dsPIC33FJ256GP710型微控制器實(shí)現(xiàn)，該器件內(nèi)置2個(gè)CAN控制器接口，方便實(shí)現(xiàn)CAN通信。向每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送周期型和事件型消息幀，在改變網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率的情況下，分別在CAN和TTCAN兩種調(diào)度算法下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較分析兩種算法下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間延遲特性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)發(fā)送周期型消息和事件型消息，各節(jié)點(diǎn)發(fā)送200幀消息，得到各幀消息的延遲時(shí)間。以其中一節(jié)點(diǎn)為例，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，也是影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的一個(gè)重要因素。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是單位時(shí)間內(nèi)成功發(fā)送到總線上的信息量，信息量的增加勢(shì)必會(huì)造成多個(gè)報(bào)文的沖突，增加了報(bào)文仲裁的額外開銷，尤其是對(duì)優(yōu)先級(jí)較低的報(bào)文有較大的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置波特率為250 kbps的條件下，根據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下的延時(shí)特性，得出CAN與TTCAN網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與負(fù)載率的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與負(fù)載率關(guān)系

通過(guò)分析上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法相對(duì)與標(biāo)準(zhǔn)CAN總線，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性方面有了一定的進(jìn)步，提高在高負(fù)載情況下，低優(yōu)先級(jí)消息幀獲取仲裁勝出的幾率，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

TTCAN協(xié)議雖然可以保證周期型消息幀的延遲時(shí)間，但是事件型消息幀延遲時(shí)間比CAN協(xié)議大。負(fù)載較低時(shí)，消息幀的優(yōu)先級(jí)對(duì)消息的延遲時(shí)間影響有限。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載非常大的情況下，高優(yōu)先級(jí)消息幀的優(yōu)勢(shì)能體現(xiàn)出來(lái)，低優(yōu)先級(jí)消息可能有很大的延遲。CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中低優(yōu)先級(jí)消息在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，延遲時(shí)間的數(shù)學(xué)期望及最大值均較高；而TTCAN中周期型消息的延遲時(shí)間基本不變，事件型消息幀隨負(fù)載的增加延遲時(shí)間明顯增加。

靜態(tài)調(diào)度算法（TTCAN協(xié)議）的優(yōu)點(diǎn)是適合調(diào)度強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的周期性消息，只要消息的產(chǎn)生時(shí)刻、傳輸周期、截止期都已知，就無(wú)需進(jìn)行帶寬的動(dòng)態(tài)請(qǐng)求和分配，并且能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行可調(diào)度性分析。缺點(diǎn)是其對(duì)非周期性消息調(diào)度效率低，由于必須進(jìn)行離線調(diào)度算法設(shè)計(jì)，不能靈活適應(yīng)系統(tǒng)變化，如節(jié)點(diǎn)的增減等情況，且網(wǎng)絡(luò)資源利用率低。

動(dòng)態(tài)調(diào)度算法（例如動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)提升）其優(yōu)點(diǎn)是靈活性強(qiáng)，可以實(shí)時(shí)適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能的變化，充分利用系統(tǒng)資源；缺點(diǎn)是很難對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的可調(diào)度分析，同時(shí)需要大量系統(tǒng)資源來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中消息的優(yōu)先級(jí)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中靜態(tài)調(diào)度算法適合于確定性硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的消息調(diào)度，但是具有靈活性差等缺點(diǎn)，即只適用于時(shí)間特性固定不變的系統(tǒng)，如果網(wǎng)絡(luò)某個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸消息的時(shí)間特性發(fā)生變化，則會(huì)造成整個(gè)靜態(tài)調(diào)度的重新構(gòu)建。采用動(dòng)態(tài)調(diào)度算法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中傳輸消息的優(yōu)先級(jí)是根據(jù)消息的時(shí)間特性動(dòng)態(tài)構(gòu)建的，因此可以靈活適應(yīng)系統(tǒng)的變化，同時(shí)可以充分利用系統(tǒng)資源。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，分析標(biāo)識(shí)符仲裁機(jī)制，研究CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)延模型，在標(biāo)準(zhǔn)CAN總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁算法，解決了高負(fù)載下，低優(yōu)先級(jí)消息幀仲裁勝出的問(wèn)題，有效的降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高了CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建仿真時(shí)延平臺(tái)，與TTCAN協(xié)議進(jìn)行比較，分析了周期型消息與事件型消息發(fā)送延時(shí)特征，得出延時(shí)與負(fù)載率之間的關(guān)系，為CAN總線在實(shí)際應(yīng)用中的協(xié)議選擇提供了參考依據(jù)。

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