基于主控同步的CAN總線多點實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)

王　軍，曾獻輝

(1. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620; 2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

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基于主控同步的CAN總線多點實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)

王軍1,2，曾獻輝1,2

(1. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620; 2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

RS-485總線與CAN總線是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集最常用的有線組網(wǎng)方式，它們均有各自的局限性。針對一類多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)實時采集問題，提出了基于主控同步的CAN總線多點實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將RS-485總線主控思想應(yīng)用于CAN總線的數(shù)據(jù)通信中，通過對各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時間的同步，有效地避免了節(jié)點間數(shù)據(jù)沖突問題。實驗結(jié)果證明了該方案能有效地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，解決了CAN總線訪問沖突。

數(shù)據(jù)采集；CAN總線；主控同步；實時性

引用格式：王軍，曾獻輝. 基于主控同步的CAN總線多點實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(18)：69-71,77.

0　引言

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集一般有CAN總線與RS-485總線[1]兩種有線組網(wǎng)方式，但是RS-485采用主從多址輪詢的方式，實現(xiàn)多址接入，輪詢周期隨著節(jié)點數(shù)量的增大而加長，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。而CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它可靠性高，且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線[2-3]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(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)省了總線訪問沖突[4-5]仲裁時間，保證了傳輸數(shù)據(jù)的實時性。但是，在數(shù)據(jù)采集這種特殊環(huán)境下，由于各個節(jié)點的數(shù)據(jù)的優(yōu)先級都是相同的，因此本文在標(biāo)準(zhǔn)CAN總線的基礎(chǔ)上，結(jié)合RS-485的工作模式，提出了基于主控同步的CAN總線多點實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)，它可以解決數(shù)據(jù)采集過程中總線沖突的問題，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實時性。

1　RS-485工作模式

RS-485是半雙工的工作模式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，它采用主從式多址輪詢方式實現(xiàn)多址接入，也就是說所有的節(jié)點共用一條總線，主節(jié)點按照地址依次輪流查詢各個從節(jié)點，被查詢的從節(jié)點返回數(shù)據(jù)或者空操作。由此可以看出，隨著節(jié)點的增多，輪詢的周期也會變長，這對數(shù)據(jù)的實時性傳輸具有很大的影響。RS-485的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　RS-485網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2　CAN總線協(xié)議和仲裁機制

CAN是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，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(shù)據(jù)通信[6-7]的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

報文信號使用差分電壓[8]傳送，可以提高CAN總線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和傳輸距離。兩條信號線分別為CANH與CANL。這兩根線之間的電位差可以對應(yīng)兩個不同的邏輯狀態(tài)進行編碼。如果CANH-CANL>2，此時狀態(tài)表示為邏輯 0，也可以叫作顯性。如果CANH-CANL=0，此時狀態(tài)表示為邏輯1，也可以叫作隱性。當(dāng)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。電平標(biāo)稱值如圖3所示。

圖3　雙絞線CAN總線電平標(biāo)稱值

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，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)先級機制[9-10]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。而在數(shù)據(jù)采集的環(huán)境下，各個節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)沒有優(yōu)先級之分，所以CAN總線的靜態(tài)優(yōu)先級機制對于數(shù)據(jù)采集來說并不是最好的機制。

3　主控同步的CAN總線

圖4　主控同步的CAN總線系統(tǒng)流程圖

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(shù)據(jù)，如果在某一個時刻有2個或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制進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。在數(shù)據(jù)采集中，每個節(jié)點的優(yōu)先級都是相同的，所以本文提出了主控同步的CAN總線多點實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)，流程圖如圖4所示。

RS-485是主從結(jié)構(gòu)，采用主從輪詢的方式，主節(jié)點依次詢問每個從節(jié)點。主從同步的CAN總線就是將主控節(jié)點應(yīng)用在CAN總線上。

3.1靜態(tài)主控同步CAN總線

靜態(tài)主控同步CAN總線就是對CAN總線上的所有節(jié)點進行編號分別為1,2,3，…，n，所有節(jié)點都發(fā)送1次數(shù)據(jù)的時間稱為周期T，每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時間為t=T/n，主控節(jié)點可以控制開始發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，在總線空閑時，總線廣播一次，此時可以發(fā)送數(shù)據(jù)，然后所有節(jié)點依次在自己規(guī)定的時間發(fā)送數(shù)據(jù)，第一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間為0-T/n，如果它的數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完就停止發(fā)送，則在T/n時刻第二個節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在2T/n時刻第三個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，以此類推下去，直到最后個節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)，只要保證T/n合適，就可以讓每個節(jié)點順利地傳輸數(shù)據(jù)。每個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻與時間段如圖5所示。

圖5　節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時刻圖

CAN總線上的節(jié)點并不一定都是同時在線或者不在線，有可能突然故障或者斷線，也有可能突然上線，這樣節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)就容易產(chǎn)生沖突。所以規(guī)定每個節(jié)點都是T/n的時間，不管該節(jié)點是否在線都占用T/n的時間段，以此來避免某個節(jié)點上線或者下線產(chǎn)生沖突。這是最簡單的也是最容易實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，雖然提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但是會浪費時間，不管幾個節(jié)點在線都需要一個周期T的時間才能進行下次數(shù)據(jù)的發(fā)送，傳輸?shù)男什桓?，對?shù)據(jù)的實時性有一定的影響。

3.2動態(tài)主控同步CAN總線

由于靜態(tài)主控同步的缺陷性，在其基礎(chǔ)上本文又提出動態(tài)主控同步CAN總線來提高數(shù)據(jù)發(fā)送的實時性。在CAN總線初始化的時候，所有在線節(jié)點給主控節(jié)點報告自己在線的信息，此時，主控節(jié)點知道總線中所有節(jié)點的狀態(tài)，然后將所有節(jié)點狀態(tài)廣播給每個節(jié)點?？偩€上所有上下線的節(jié)點如圖6所示。

圖6　節(jié)點上下線示意圖

假如此時3和4號節(jié)點未上線，其余都正常上線且不會突然下線，那么，1號和2號正常發(fā)送數(shù)據(jù)，5號節(jié)點在2t～3t時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，其余的依次類推，則所有節(jié)點發(fā)完一次數(shù)據(jù)的時間為T-2t，比靜態(tài)主控同步少了2t，總線的周期從T變成了T-2t,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。w是每個上線節(jié)點給主控節(jié)點匯報所需要的時間，V=Xw，X是不在線節(jié)點的個數(shù)，Y為在線節(jié)點的個數(shù)，X+Y=n，Y×t=T1。在實際情況中不可避免地會出現(xiàn)某些節(jié)點(假如節(jié)點5)突然下線的情況,如圖7所示。

圖7　下線節(jié)點示意圖

此時如果節(jié)點5突然從在線變成下線，所有節(jié)點收到的廣播還是只有3和4不在線，其余都在線，那么5號節(jié)點仍會占用一個t，6號節(jié)點仍然在第4個時間段t發(fā)送數(shù)據(jù)，保證了所有節(jié)點都可以按照自己的編號依次發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)所有在線節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)后，主控節(jié)點根據(jù)收到的數(shù)據(jù)就可以判斷哪些節(jié)點(例如5號節(jié)點)中途下線，然后將這些信息再廣播到總線，之后其余在線節(jié)點就可以調(diào)節(jié)自己發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻，那些下個周期下線的節(jié)點(5號)就不占用時間段，從而減少了時間的浪費，縮短了數(shù)據(jù)發(fā)送時間周期。

某個節(jié)點(4號)突然上線時，此時主控節(jié)點廣播的時候還是3與4號節(jié)點不在線，其余節(jié)點都在線的狀態(tài)，如圖6所示。此時如果4號節(jié)點突然上線，但是所有節(jié)點收到的廣播還是3與4號節(jié)點不在線，實際上4號節(jié)點已經(jīng)在線，如圖8所示。

圖8　上線節(jié)點示意圖

所有節(jié)點在依次發(fā)送完數(shù)據(jù)后會暫停時間段V，使得上線節(jié)點可以及時向總線匯報，使其在下個周期可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

開始時主控節(jié)點廣播當(dāng)前上線和下線的節(jié)點，每個在線節(jié)點收到的信息應(yīng)該還是3和4號節(jié)點不在線，其余節(jié)點都在線，而實際上4號節(jié)點已經(jīng)上線，要將自己的狀態(tài)匯報給主控節(jié)點，如果沒有緩沖時間片V，在2號節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)后5號節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，此時就會出現(xiàn)5號節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，同時4號節(jié)點也發(fā)送自己上線的信息，從而發(fā)生沖突。時間片V就解決了發(fā)送數(shù)據(jù)與匯報狀態(tài)的沖突問題。如圖8所示，如果只有3和4號節(jié)點不在線，那么V=2w，在第一個w里，由于4號節(jié)點上線，會向主控節(jié)點匯報自己在線，下個周期主控節(jié)點會將最新的從節(jié)點狀態(tài)廣播到總線上，因此從節(jié)點會重新安排上線節(jié)點(4號)發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻與順序。如果出現(xiàn)連續(xù)兩個節(jié)點上線，那么這兩個節(jié)點就會出現(xiàn)仲裁，號數(shù)小的節(jié)點會優(yōu)先向主控節(jié)點匯報，號數(shù)大的節(jié)點在下個w時間段內(nèi)匯報給主控節(jié)點。這樣就解決了匯報狀態(tài)與發(fā)送數(shù)據(jù)的沖突問題。下個周期主控節(jié)點會刷新節(jié)點狀態(tài)廣播給所有的在線節(jié)點，剛上線的節(jié)點就擁有一個t時間段來發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就解決了動態(tài)主控同步CAN總線的節(jié)點突然上下線的問題。

4　設(shè)計仿真實驗及結(jié)果分析

為了驗證在數(shù)據(jù)采集時，主控同步的CAN總線可以解決沖突問題和提高數(shù)據(jù)可靠性，設(shè)計了圖9所示的仿真平臺。

圖9　仿真平臺結(jié)構(gòu)

主控同步的CAN總線在采控集數(shù)據(jù)時，當(dāng)時間周期為T時，所有節(jié)點都發(fā)送一次采集的數(shù)據(jù)的時間就是T，T越小，每個節(jié)點所分到的時間t就越短，當(dāng)T小到某一個值時，可能會出現(xiàn)所有節(jié)點的數(shù)據(jù)都無法發(fā)送完，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集失敗。所以只有當(dāng)t≥tmax時，每個節(jié)點都可以順利地向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，tmax為所有測試節(jié)點中正常發(fā)送數(shù)據(jù)所需時間最長的時間。同時T=T1+V=Yt+Xw，由于w

表1　標(biāo)準(zhǔn)CAN與主控同步CAN對比結(jié)果

通過表1對比可以看出主控同步CAN總線的沖突的概率為0，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)CAN，靜態(tài)主控同步CAN的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性比動態(tài)的差，因為在t和w變化的條件下，X和Y也動態(tài)地變化，從而動態(tài)地改變了總體消耗的時間T=T1+V，最終提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，由此看出動態(tài)主控同步CAN更加適合數(shù)據(jù)采集的環(huán)境。

5　結(jié)論

本文通過分析RS-485和CAN總線的仲裁機制，在標(biāo)準(zhǔn)CAN的基礎(chǔ)上提出了基于主控同步的CAN總線，它能夠解決數(shù)據(jù)沖突的問題，避免了仲裁，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與可靠性。靜態(tài)主控同步的CAN總線可以提高數(shù)據(jù)的可靠性，但是會浪費一些時間段T/n，所以在此基礎(chǔ)上提出了動態(tài)主控同步的CAN總線。通過對比發(fā)現(xiàn)，動態(tài)主控同步可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，所以在數(shù)據(jù)采集這個特殊的背景下，動態(tài)主控同步的CAN總線有著自己獨特的優(yōu)勢。

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Multi-point real-time data capture technique for CAN bus based on master control synchronization

Wang Jun1,2，Zeng Xianhui1,2

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China； 2. Engineering Research Center of Digitized Textile &Apparel Technology, Ministry of Education, Shanghai 201620, China)

RS-485 bus and CAN bus are the most commonly used wired networking mode for data capturing in the industrial field , but both have their own limitations. Aiming at the problem of real-time data capturing on multi-point network，this paper proposes multi-point real-time data capture technique for CAN bus based on master control synchronization,which applies the thought of the RS-485 bus master control to data communication of CAN bus.It can effectively avoid data conflicts by the time synchronization of sending data to every point. The experimental results show that the new method can greatly improve the efficiency and reliability of data transmission and avoid access conflicts of CAN bus.

data capture; CAN bus; master control synchronization; real-time

TN919

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.020

2016-03-29)

王軍(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式智能系統(tǒng)。E-mail：297012858@qq.com。

曾獻輝(1974-)，男，博士，副教授，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，智能優(yōu)化問題、決策與分析。