CAN總線網絡的實時性研究和改進

摘要：由于CAN總線的獨特優勢，CAN已成為工業數據通信的主流技術之一，這就要求它具有良好的實時性和可靠性。但是隨著CAN總線控制網絡復雜化，控制節點的增多，帶寬分配不均問題也隨之凸顯，使得總線上低優先級的站點數據傳輸延時增加。提出了動態優先級算法，它能夠動態改變站點優先級，解決帶寬分配不均問題，實現數據實時傳輸；簡要介紹時間觸發CAN(TTCAN)協議，并通過實驗與動態優先級算法和標準CAN協議進行比較，得出網絡延時特征。
關鍵詞：實時性；動態優先級；TTCAN；網絡延時

0 引言
控制局域網(Controner Aera Net，CAN)是德國Boasch公司于1983年為汽車應用而開發的一種有效支持分布式控制的串行控制網絡。盡管CAN最初是為汽車電子系統設計的，但由于它在開放性和技術方面的獨特優勢，在航天、電力、石化等領域都得到了廣泛應用。在火車、輪船、樓宇自動化、過程自動化儀表中，都有CAN技術的身影。CAN已成為工業數據通信的主流技術之一。
CAN總線具有多主發送、采用確定性的優先級仲裁機制等特點，保證了CAN總線數據通信的可靠性、實時性和靈活性。在數據通信過程中，如果出現碰撞，低優先級的節點會主動退出，而最高優先級的節點可以不受影響繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間，保證了傳輸數據的實時性。但是這種靜態優先級機制的一個缺點就是不能均等地為高優先級和低優先級站點分配帶寬，在網絡負載很大時，低優先級站點會在多次競爭總線使用權時失敗，從而導致低優先級站點消息傳輸產生不確定的延時，甚至無法發送。本文針對CAN的這個問題，在參考文獻的基礎上，結合消息型和事件型消息，提出了動態優先級算法和基于時間觸發的TTCAN靜態調度算法。通過仿真實驗，將動態優先級算法、靜態優先級調度算法和標準CAN進行比較，得到網絡延時特性。

1 CAN協議幀及仲裁機制
為了提高CAN總線傳輸數據的可靠性和傳輸距離，CAN采用差分方式輸出。雙絞線的一根為CANH，另外一根為CANL。CAN總線具有兩種邏輯電平：顯性電平和隱性電平。在傳輸一個顯性位時，總線呈現顯性狀態；在傳輸一個隱性位時，總線呈現隱性狀態。隱性狀態時，CANH和CANL兩條線之間的差分電壓Vdiff近似為0；顯性狀態時，CANH和CANL兩條線之間的差分電壓Vdiff的幅值一般為2～3 V，明顯高于隱性狀態時的差分電壓值。CAN總線上的位電平如圖1所示。

在CAN總線上，顯性位可以改寫隱性位。當總線上2個不同節點在同一位時間分別強加顯性和隱性時，總線上呈現顯性位，即顯性位可以覆蓋修改隱性位。顯性位一般表示邏輯0，隱性位一般表示邏輯。
CAN采用載波監聽多路訪問、逐位仲裁的非破壞性總線仲裁技術。按CAN總線上節點對實時性要求的緊急程度，可預先將節點分成不同的優先級。優先級編號越大，其站點的優先級越低。優先級編號作為標識符的組成部分被置于報文仲裁場。在總線仲裁期間，優先級較低的節點會主動退出發送，而優先級可不受影響繼續傳輸數據，簡化了總線的沖突仲裁過程，在一定程度上提高了通信的確定性和實時性。其仲裁規則為：
(1)預發幀的字節，當總線在空閑時同時發送幀且同步于SOF的上升沿；
(2)各幀的標識符字段在總線同時相遇，借助總線使標識字段逐位“線與”，根據其結果進行沖突仲裁；
(3)如果發送節點沒有檢測到沖突，則繼續發送下一位；
(4)如果發送節點檢測到沖突，則立即中斷，不再繼續后面位的發送；
(5)各標識字段逐位“線與”結束后，未監測到沖突的字節便獲得優先發送權，可以發送數據幀后邊的字段；如檢測到沖突的節點，則不能發送后邊的數據字段，而等待下一次發送。
CAN數據幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、應答場和幀尾。數據幀中數據場的長度可以為0。數據幀的位場排列如圖2所示。數據幀的結構有兩種格式，即標準格式和擴展格式。這兩種幀格式的主要區別在于標識符的長度，標準格式數據幀具有11位標識符，擴展格式數據幀具有29位標識符。本文以擴展格式為例進行論述。幀的開始有起始標志位表示，它僅由一個顯位組成；接下來是仲裁場，當發生沖突時，兩個不同優先級站點同時競爭總線的使用權，并且由高位開始，逐位比較下去，當出現優先級不同位時，標識符位為0的勝出，獲得總線使用權，所以標識符數值越小，優先級越高。