調(diào)度通信在CAN總線中的應(yīng)用探討

摘 要：分布式控制系統(tǒng)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的新方向，而通信系統(tǒng)是分布式控制的關(guān)鍵。在電器電磁干擾、震動干擾的環(huán)境下，分布式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能受到一定程度的影響。CAN總線是實(shí)現(xiàn)分布式控制的總線，優(yōu)點(diǎn)眾多。而通信系統(tǒng)需要滿足分布式控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，所以了解CAN總線相關(guān)分析方法十分重要。本文分析了CAN總線技術(shù)協(xié)議，對混合調(diào)度算法進(jìn)行了說明，并對調(diào)度通信在CAN總線中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：CAN總線技術(shù)；調(diào)度通信；混合調(diào)度算法

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0252-01

引 言

通信系統(tǒng)是分布式控制的關(guān)鍵，分布式控制可以使系統(tǒng)接線更為簡單，減少電纜的使用量，也可以簡化節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，具有顯著的優(yōu)勢。同時(shí)，分布式控制也提高了系統(tǒng)的處理能力，可以提高節(jié)點(diǎn)冗余度。分布式控制需要的現(xiàn)場總線技術(shù)的支持，這其中就包括了CAN總線。

CAN是德國公司開發(fā)的用于解決汽車數(shù)據(jù)交換的通信協(xié)議，最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)，并且在制造業(yè)、通信業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用。在部分歐美國家，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為部分產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)總線。

1 CAN總線協(xié)議分析

1.1 CAN總線的物理層

雖然CAN總線的物理層在最初并未被定義，但是仍有研究者使用部分技術(shù)規(guī)范對CAN總線的物理層進(jìn)行定義。部分學(xué)者使用高寬帶對單位雙線差分信號結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義；部分學(xué)者將其與低寬帶的應(yīng)用相結(jié)合我，定義了低速的雙線差分信號結(jié)構(gòu)。隱性與顯性是物理層的基本狀態(tài)，前者可視為二進(jìn)制的1，后者可視為二進(jìn)制的0。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸相反的值，則顯性值會被全部節(jié)點(diǎn)讀到，這一情況可以被應(yīng)用于系統(tǒng)訪問控制中。

1.2 CAN總線的數(shù)據(jù)鏈層

首先是數(shù)據(jù)幀，CAN總線的數(shù)據(jù)需要借助數(shù)據(jù)幀實(shí)現(xiàn)傳輸，數(shù)據(jù)幀主要由幀起始、控制場、數(shù)據(jù)場等組成。其中，仲裁場包括遠(yuǎn)程發(fā)送請求位、標(biāo)識符位，標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識符長度為11位，ID10為最高權(quán)重位，ID0為最低權(quán)重位。同時(shí)該協(xié)議還規(guī)定前7位最高權(quán)重位必須有均為顯性信號；遠(yuǎn)程發(fā)送請求位主要用于對數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀的區(qū)分中。控制段主要有擴(kuò)展標(biāo)識符位、數(shù)據(jù)長度編碼位以及保留位。其次，錯誤幀。錯誤幀主要由錯誤界定符與錯誤標(biāo)志疊加組成。之后是遠(yuǎn)程幀。在遠(yuǎn)程幀中，RTR無數(shù)據(jù)場，這一情況與數(shù)據(jù)幀差異顯著，并且遠(yuǎn)程幀的數(shù)據(jù)長度碼可以為0～8的任何數(shù)值。

2 混合調(diào)度算法

該算法的動態(tài)優(yōu)先級機(jī)制是采用了最小松弛優(yōu)先算法。若需在CAN總線中運(yùn)用該算法，需要使最小松弛度的報(bào)文具有最高的優(yōu)先級。在CAN總線的數(shù)據(jù)幀中，通過在在標(biāo)識符中添加節(jié)點(diǎn)的編號區(qū)分信息的來源，使不需要的信息可以被剔除，并且全部節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識符具有唯一性。標(biāo)識符還應(yīng)該包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)膱?bào)文的名稱，進(jìn)而區(qū)分報(bào)文的來源。報(bào)文的松弛度會影響當(dāng)前報(bào)文的優(yōu)先級，而后者是實(shí)時(shí)報(bào)文優(yōu)先級域的反映。報(bào)文的松弛度、節(jié)點(diǎn)的調(diào)度以及基于優(yōu)先級的調(diào)度是選擇最低松弛度調(diào)度算法的重要參考，這是因?yàn)樗沙诙仍叫〉膱?bào)文二進(jìn)制數(shù)越小。最低松弛度調(diào)度機(jī)制的時(shí)間臨界點(diǎn)與實(shí)時(shí)應(yīng)用存在著緊密的聯(lián)系，如果CAN總線系統(tǒng)中最低松弛度調(diào)度機(jī)制的時(shí)間界限小于節(jié)點(diǎn)的松弛度的值，則其會通過相同的優(yōu)先級競爭。在CAN總線系統(tǒng)中，全部的硬實(shí)時(shí)報(bào)文必須可被預(yù)知，進(jìn)而保證系統(tǒng)在任何狀態(tài)下都可以實(shí)現(xiàn)報(bào)文的實(shí)時(shí)傳輸。在這一過程中，技術(shù)人員必須對報(bào)文的傳輸時(shí)間段進(jìn)行劃分，必須將錯誤重傳而產(chǎn)生的時(shí)間延遲考慮在內(nèi)，從而確保報(bào)文的實(shí)時(shí)性。在硬實(shí)時(shí)報(bào)文的調(diào)度通信中，需要考慮到系統(tǒng)時(shí)鐘偏差的影響。因此，所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間參考必須一致，防止時(shí)間域之間的相互影響。在總線調(diào)度中，時(shí)鐘的精度越高，則相鄰的時(shí)間域之間的間隙就會越小。定義報(bào)文n的有效截止期為dn，從而利用保留時(shí)間域，并利用最低松弛度調(diào)度算法對報(bào)文的松弛度加以計(jì)算。在這一基礎(chǔ)上，硬實(shí)時(shí)報(bào)文可以在發(fā)送過程中擁有最高的總線訪問權(quán)。

3 調(diào)度通信在CAN總線中的應(yīng)用

報(bào)文的接收主要是利用微控制器進(jìn)行，按照實(shí)時(shí)性的要求，本文采用中斷方式。第一步：獨(dú)立CAN控制器接收報(bào)文后，對報(bào)文進(jìn)行過濾，通過的報(bào)文存入接收緩沖區(qū)中。第二步：待到報(bào)文進(jìn)入緩沖區(qū)，獨(dú)立CAN控制器接收中斷。第三步：微控制器對報(bào)文的信息進(jìn)行讀取，讀取中存入存儲器，直到讀取完畢。第四步：釋放接收緩中區(qū)。CAN總線中斷處理的程序?yàn)椋旱谝徊剑禾热舭l(fā)生中斷，判斷中斷產(chǎn)生的原因，如果是錯誤引發(fā)的中斷，則進(jìn)行錯誤處理。第二步：在排除錯誤引發(fā)的中斷后進(jìn)一步分析中斷產(chǎn)生的原因，判斷中斷原因是否為數(shù)據(jù)溢出，如果是則使用溢出指示子程序進(jìn)行處理。第三步：在錯誤、數(shù)據(jù)溢出被排除后，判斷發(fā)送問題是否是造成中斷的原因，若是，則進(jìn)入發(fā)送子程序處理。第四步：判斷是否為接受的問題導(dǎo)致的接收中斷，若不是，則中斷返回。

優(yōu)先級待分配的報(bào)文參數(shù)為：信息A：8字節(jié)、周期2.0ms、截止期限2.0ms；信息B：8字節(jié)、周期3.0ms、截止期限3.0ms；信息C8字節(jié)、周期3.5ms；截止期限3.5ms；CAN總線采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。將信息A、B、C綁定在不同的節(jié)點(diǎn)上，分別記為節(jié)點(diǎn)1、2、3。之后將這個(gè)表中的數(shù)據(jù)分配優(yōu)先級，報(bào)文A、B、C分配的優(yōu)先級分別為1、2、3。報(bào)文C的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間分別為2.50ms、4.70ms、2.30ms、3.50ms?？梢姡瑑?yōu)先級分配算法的適用條件較為苛刻。

在智能樓宇、智能小區(qū)等應(yīng)用領(lǐng)域，控制采集系統(tǒng)多采用工業(yè)PC，直接使用串口轉(zhuǎn)換器插到PC的串口就可接入儀表。大部分國產(chǎn)組態(tài)軟件都支持百特儀表的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)采集難度較小。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代工業(yè)對控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求較高，CAN總線是實(shí)現(xiàn)分布式控制的總線，本文分析了CAN總線技術(shù)協(xié)議，對調(diào)度通信在CAN總線中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文分析了CAN總線的物理層與數(shù)據(jù)鏈層，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)先級分配算法的適用條件，并研究了可容許錯誤數(shù)最大化、可容許網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的最小松弛優(yōu)先算法，對報(bào)文進(jìn)行了有效的調(diào)度，進(jìn)而確保報(bào)文的實(shí)時(shí)性。

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收稿日期：2018-11-6