摘要：由于CAN總線的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，CAN已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一，這就要求它具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性。但是隨著CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化，控制節(jié)點(diǎn)的增多，帶寬分配不均問(wèn)題也隨之凸顯，使得總線上低優(yōu)先級(jí)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)增加。提出了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法，它能夠動(dòng)態(tài)改變站點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，解決帶寬分配不均問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；簡(jiǎn)要介紹時(shí)間觸發(fā)CAN(TTCAN)協(xié)議，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法和標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議進(jìn)行比較，得出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)特征。
關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)性；動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)；TTCAN；網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

0 引言
    控制局域網(wǎng)(Controner Aera Net，CAN)是德國(guó)Boasch公司于1983年為汽車(chē)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的一種有效支持分布式控制的串行控制網(wǎng)絡(luò)。盡管CAN最初是為汽車(chē)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但由于它在開(kāi)放性和技術(shù)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航天、電力、石化等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。在火車(chē)、輪船、樓宇自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化儀表中，都有CAN技術(shù)的身影。CAN已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。
    CAN總線具有多主發(fā)送、采用確定性的優(yōu)先級(jí)仲裁機(jī)制等特點(diǎn)，保證了CAN總線數(shù)據(jù)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，如果出現(xiàn)碰撞，低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)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(shí)間，保證了傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。但是這種靜態(tài)優(yōu)先級(jí)機(jī)制的一個(gè)缺點(diǎn)就是不能均等地為高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)分配帶寬，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很大時(shí)，低優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)會(huì)在多次競(jìng)爭(zhēng)總線使用權(quán)時(shí)失敗，從而導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)消息傳輸產(chǎn)生不確定的延時(shí)，甚至無(wú)法發(fā)送。本文針對(duì)CAN的這個(gè)問(wèn)題，在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合消息型和事件型消息，提出了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法和基于時(shí)間觸發(fā)的TTCAN靜態(tài)調(diào)度算法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，將動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法、靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法和標(biāo)準(zhǔn)CAN進(jìn)行比較，得到網(wǎng)絡(luò)延時(shí)特性。

1 CAN協(xié)議幀及仲裁機(jī)制
    為了提高CAN總線傳輸數(shù)據(jù)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(gè)顯性位時(shí)，總線呈現(xiàn)顯性狀態(tài)；在傳輸一個(gè)隱性位時(shí)，總線呈現(xiàn)隱性狀態(tài)。隱性狀態(tài)時(shí)，CANH和CANL兩條線之間的差分電壓Vdiff近似為0；顯性狀態(tài)時(shí)，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(tài)時(shí)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(xiě)隱性位。當(dāng)總線上2個(gè)不同節(jié)點(diǎn)在同一位時(shí)間分別強(qiáng)加顯性和隱性時(shí)，總線上呈現(xiàn)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(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)、逐位仲裁的非破壞性總線仲裁技術(shù)。按CAN總線上節(jié)點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性要求的緊急程度，可預(yù)先將節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)編號(hào)越大，其站點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)越低。優(yōu)先級(jí)編號(hào)作為標(biāo)識(shí)符的組成部分被置于報(bào)文仲裁場(chǎng)。在總線仲裁期間，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了總線的沖突仲裁過(guò)程，在一定程度上提高了通信的確定性和實(shí)時(shí)性。其仲裁規(guī)則為：
    (1)預(yù)發(fā)幀的字節(jié)，當(dāng)總線在空閑時(shí)同時(shí)發(fā)送幀且同步于SOF的上升沿；
    (2)各幀的標(biāo)識(shí)符字段在總線同時(shí)相遇，借助總線使標(biāo)識(shí)字段逐位“線與”，根據(jù)其結(jié)果進(jìn)行沖突仲裁；
    (3)如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒(méi)有檢測(cè)到?jīng)_突，則繼續(xù)發(fā)送下一位；
    (4)如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到?jīng)_突，則立即中斷，不再繼續(xù)后面位的發(fā)送；
    (5)各標(biāo)識(shí)字段逐位“線與”結(jié)束后，未監(jiān)測(cè)到?jīng)_突的字節(jié)便獲得優(yōu)先發(fā)送權(quán)，可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀后邊的字段；如檢測(cè)到?jīng)_突的節(jié)點(diǎn)，則不能發(fā)送后邊的數(shù)據(jù)字段，而等待下一次發(fā)送。
    CAN數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成，即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)和幀尾。數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度可以為0。數(shù)據(jù)幀的位場(chǎng)排列如圖2所示。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)有兩種格式，即標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式。這兩種幀格式的主要區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度，標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀具有11位標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀具有29位標(biāo)識(shí)符。本文以擴(kuò)展格式為例進(jìn)行論述。幀的開(kāi)始有起始標(biāo)志位表示，它僅由一個(gè)顯位組成；接下來(lái)是仲裁場(chǎng)，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，兩個(gè)不同優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線的使用權(quán)，并且由高位開(kāi)始，逐位比較下去，當(dāng)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)不同位時(shí)，標(biāo)識(shí)符位為0的勝出，獲得總線使用權(quán)，所以標(biāo)識(shí)符數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高。

    目前有很多文獻(xiàn)關(guān)于CAN協(xié)議的改進(jìn)，基本都是局限于周期型消息的處理，但是在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有很多諸如報(bào)警、故障等突發(fā)型消息，這些都是事件型消息，都未能有效處理?；诖?，本文兼顧周期型和事件型消息，以CAN 2．0B擴(kuò)展幀格式為例，通過(guò)重新定義ID字段的含義來(lái)解決帶寬分配不均的問(wèn)題。這種重新定義的幀并未改變擴(kuò)展幀的格式，所以能與其他CAN系統(tǒng)兼容，如圖3所示。擴(kuò)展格式幀的ID字段被重新定義為3個(gè)部分：類間優(yōu)先級(jí)域(1b)、類內(nèi)優(yōu)先級(jí)域(8b)、內(nèi)容標(biāo)示域(20b)。

    圖3中，類間優(yōu)先級(jí)域?yàn)? b，在實(shí)際應(yīng)用中將0分給事件型消息，使其具有最高優(yōu)先級(jí)，將1分給周期型消息；類內(nèi)優(yōu)先級(jí)域?yàn)? b，用于標(biāo)示同種類型消息的優(yōu)先級(jí)大小，數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高；內(nèi)容標(biāo)識(shí)符域?yàn)?0 b，可以根據(jù)實(shí)際的需要對(duì)其進(jìn)行定義，在類間優(yōu)先級(jí)和類內(nèi)優(yōu)先級(jí)大小都一樣的情況少，也可進(jìn)一步起到輔助仲裁的作用。

2 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法
    CAN總線的特點(diǎn)之一就是多主發(fā)送，各個(gè)站點(diǎn)在任何時(shí)候都可以隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果在某一個(gè)時(shí)刻有2個(gè)或都2個(gè)以上的站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)，就要通過(guò)非破壞性仲裁機(jī)制進(jìn)行仲裁來(lái)競(jìng)爭(zhēng)總線的使用權(quán)，標(biāo)識(shí)符數(shù)值小的站點(diǎn)即優(yōu)先級(jí)較高的站點(diǎn)可以獲得總線使用權(quán)，競(jìng)爭(zhēng)失敗的站點(diǎn)則需等待下次重新競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的站點(diǎn)很可能在多次競(jìng)爭(zhēng)中失敗，從而數(shù)據(jù)不能及時(shí)發(fā)送，或有時(shí)發(fā)送產(chǎn)生沖突有時(shí)順利發(fā)送，造成發(fā)送延時(shí)的不確定性，這就是帶寬分配不均所造成的。為了解決隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加所造成的帶寬分配不均，本文提出了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法是一種隨著時(shí)間推移動(dòng)態(tài)改變各個(gè)站點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的算法，與原有的靜態(tài)分配優(yōu)先級(jí)算法相比，該算法可使每個(gè)站點(diǎn)均等地競(jìng)爭(zhēng)總線的使用權(quán)，即能夠均等地分配帶寬，從而保證消息的實(shí)時(shí)傳輸。方法如下：初始情況下各個(gè)站點(diǎn)均有事先分配好的優(yōu)先級(jí)，在不發(fā)生沖突的情況下，按原有優(yōu)先級(jí)來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳送。當(dāng)發(fā)生沖突之后，高優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)可以順利完成數(shù)據(jù)發(fā)送，為了能讓競(jìng)爭(zhēng)失敗的站點(diǎn)在下次競(jìng)爭(zhēng)中成功的概率變大，可以將競(jìng)爭(zhēng)失敗的站點(diǎn)提高一個(gè)優(yōu)先等級(jí)參加下次競(jìng)爭(zhēng)，即使失敗了若干次，這時(shí)該站點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)也很高了，競(jìng)爭(zhēng)勝出的概率會(huì)很大。但是需要注意的是優(yōu)先級(jí)較低的站點(diǎn)在提高優(yōu)先級(jí)的情況下獲得總線使用權(quán)并順利完成數(shù)據(jù)發(fā)送之后，需要將優(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。
    如果把CAN總線上要發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)看成一個(gè)隊(duì)列，某個(gè)節(jié)點(diǎn)j在隊(duì)列的位置可表示為：
    Pj=P0-f(n)
    式中：Pj為節(jié)點(diǎn)j某時(shí)刻在隊(duì)列中的位置，即節(jié)點(diǎn)在此時(shí)刻的優(yōu)先級(jí)；P0為節(jié)點(diǎn)j在隊(duì)列中的初始位置，即初始優(yōu)先級(jí)。圖3中類內(nèi)優(yōu)先級(jí)分配了8位，當(dāng)優(yōu)先級(jí)最低時(shí)，P0=28-1=255；f(n)為優(yōu)先級(jí)晉升項(xiàng)，為關(guān)于競(jìng)爭(zhēng)失敗次數(shù)n的函數(shù)，可取正比例函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等。在本文中取的為正比例函數(shù)，即f(n)=kn，k為系數(shù)項(xiàng)，決定著晉升優(yōu)先級(jí)的快慢程度，一般取為CAN系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。由此可得：
    Pj=28-1-kn=255-kn
    采用該算法還可以避免當(dāng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)提高之后出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上優(yōu)先級(jí)相同的情況，例如，在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為5，即k=5，所以Pj=255-5n，則各站點(diǎn)初始及晉升之后優(yōu)先級(jí)如表1所示。

    可見(jiàn)，在競(jìng)爭(zhēng)失敗提升優(yōu)先級(jí)的情況下，不會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)相同的情況，因此不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的錯(cuò)誤。該算法的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。

    CAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有很多控制芯片?？刂菩酒梢酝瓿蒀AN協(xié)議轉(zhuǎn)換。要想通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)來(lái)改進(jìn)CAN實(shí)時(shí)性，就要針對(duì)不同芯片的應(yīng)用特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文的仿真是利用Philips公司的SJA1000來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 TTCAN協(xié)議
    TTCAN(時(shí)間觸發(fā)CAN)是CAN協(xié)議的另外一種擴(kuò)展，它依賴一個(gè)靜態(tài)的TDMA時(shí)間表來(lái)保證確定的響應(yīng)時(shí)間。將系統(tǒng)中所有發(fā)送周期型數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)至少發(fā)送1次的時(shí)間稱為系統(tǒng)周期，系統(tǒng)周期又由n個(gè)基本周期組成。TTCAN中一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)即時(shí)間主控節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送使各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步的消息，并且將CAN的通信分割在基本周期內(nèi)。每個(gè)基本周期開(kāi)始于一個(gè)參考消息，并且由下一個(gè)參考消息的開(kāi)始作為結(jié)束。在每個(gè)基本周期內(nèi)，主定時(shí)器又將每個(gè)基本周期的信道使用時(shí)間分為一個(gè)個(gè)的時(shí)間窗口，分給不同的信號(hào)，特定的信號(hào)只能在特定的時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行傳輸，避免了信號(hào)之間的干擾，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。參考信息是由主定時(shí)器發(fā)送的，控制基本周期的時(shí)態(tài)，它的發(fā)送表明一個(gè)基本周期的開(kāi)始；獨(dú)占窗口是為特定信號(hào)預(yù)留的特定時(shí)問(wèn)窗口，只有特定的信號(hào)才能在該時(shí)間窗口內(nèi)傳輸，為了使系統(tǒng)具有一定的靈活性，獨(dú)占窗口在一個(gè)基本周期內(nèi)可以重復(fù)出現(xiàn)，但是為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，CAN幀的自動(dòng)重發(fā)功能在獨(dú)占窗口內(nèi)被禁止。分配給隨機(jī)發(fā)送信息的時(shí)間窗口叫競(jìng)爭(zhēng)窗口，一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)窗可以分配給多個(gè)信息幀，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)窗的數(shù)據(jù)碰撞采用CAN的位仲裁機(jī)制，在這里發(fā)送的每個(gè)信息幀都具有固定的優(yōu)先級(jí)，位仲裁機(jī)制決定網(wǎng)絡(luò)中哪個(gè)信息幀取得總線的訪問(wèn)權(quán)?；诤酮?dú)占窗口相同的原因，CAN的自動(dòng)重發(fā)機(jī)制也被禁止。自由窗口是為網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)展預(yù)留的窗口。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
    為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法和TTCAN算法在提高CAN總線實(shí)時(shí)性方面的性能，設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。分析網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間，并進(jìn)行兩種算法的性能分析。仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由AT89S52單片機(jī)、SJA1000和PCA82C250組成，通過(guò)向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息型和時(shí)間型消息，在改變網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的情況下，分別在標(biāo)準(zhǔn)CAN，TTCAN、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法3種調(diào)度算法下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)間。

    向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息型和事件型信息幀各200幀，得到各幀的延遲時(shí)間，以其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)為例，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著負(fù)載率的升高，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)下周期型消息的延時(shí)時(shí)間也隨之增加，TTCAN下周期型消息的延遲時(shí)間很穩(wěn)定；隨著負(fù)載率的升高，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)下事件型消息的延遲時(shí)間增加較小，TTCAN下事件型消息的延遲時(shí)間明顯增加。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CAN調(diào)度算法，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性方面有了一定的提高，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的增加，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)獲得總線使用權(quán)的幾率增加。TTCAN調(diào)度算法能明顯降低周期型信息的延遲時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文通過(guò)分析CAN協(xié)議、分析CAN總裁機(jī)制，提出了動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法和TTCAN調(diào)度算法。通過(guò)搭建仿真平臺(tái)，比較數(shù)據(jù)幀在標(biāo)準(zhǔn)CAN、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法、TTCAN調(diào)度算法3種算法下的傳輸延遲時(shí)間得出如下結(jié)論：相同負(fù)載率下，TTCAN調(diào)度算法下周期型消息的傳輸延遲時(shí)間要比動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法下周期型消息的延遲時(shí)間小；相同負(fù)載率下，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法下事件型消息的傳輸延遲時(shí)間要比TTCAN調(diào)度算法下事件型消息的傳輸延遲時(shí)間小。TTCAN調(diào)度算法適合于確定性硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的消息調(diào)度；動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法可以靈活適應(yīng)系統(tǒng)的變化，提高CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的要求，減小優(yōu)先級(jí)較低站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸延遲。