【文章內(nèi)容簡介】 場都相同。 遠程幀結(jié)構(gòu)遠程幀中除了仲裁場的RTR位與數(shù)據(jù)幀不同（為“隱性”位，即邏輯“1”）外，其他5個位場組成與都與數(shù)據(jù)幀相同，這里不再贅述。幀間空間的作用是分隔數(shù)據(jù)幀或遠程幀與其前面的幀的，總線空閑場和間歇場一起組成了幀間空間。 幀間空間結(jié)構(gòu)圖第三章基于CAN總線的實時性分析和改進本章的主要內(nèi)容是研究CAN總線的實時性能，通過統(tǒng)計針對CAN總線實時性信息周期的分析研究進而提高CAN總線的實時性問題的解決方法，并且提出新的改進方法，最后通過數(shù)學(xué)分析并結(jié)合實驗相互比較驗證提出的改進方法對于CAN總線的實時性能的提高。能夠衡量一個網(wǎng)絡(luò)實時性能的指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)是通信的延遲時間，即從消息產(chǎn)生到發(fā)送再到消息到達這段時間的時間差。本章主要針對的是在理論上研究動態(tài)優(yōu)先權(quán)（動態(tài)優(yōu)先級晉升）算法對于CAN總線實時性能的影響情況。 CAN總線MAC層運行機理 CAN的MAC為帶優(yōu)先級的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免(carrier multiple sense access withcollision avoidance, CSMA/CA) 。采用多主線競爭式結(jié)構(gòu):網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。即當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線空閑時，各個節(jié)點都有權(quán)使用網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)生沖突時，采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù):當(dāng)兒個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息時，運用逐位仲裁規(guī)則，借助幀中開始部分的標(biāo)識符，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)發(fā)送信息，從而避免了總線沖突，使信息和時問均無損失。當(dāng)節(jié)點檢測到有更高優(yōu)先級的信息在發(fā)送，就停止發(fā)送信息，直到再一次檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑。CAN的CSMA/CA通信機制流程如圖所示： CAN的CSMA/CD通信機制流程圖 CAN總線的實時性分析 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場合，對網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性都提出了一定的要求。為了提高網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般增加通信的糾檢錯能力、冗余能力、容錯能力等技術(shù)來提高可靠性；而網(wǎng)絡(luò)的實時性能一般與網(wǎng)絡(luò)所采用的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)的負載情況、網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和通信報文的大小等因素有關(guān)，特別是通信協(xié)議中的介質(zhì)訪問控制方法對網(wǎng)絡(luò)的實時性能影響較大。通信協(xié)議中介質(zhì)訪問控制方法主要提供了協(xié)議或算法，如何將通信頻帶的帶寬有效合理地分配給各用戶，它要保證在相同的優(yōu)先級下對各用戶公平合理地分配通信帶寬，并盡可能提高通信帶寬的使用效率。介質(zhì)訪問控制方法一般分為同步和異步兩種實現(xiàn)技術(shù)，典型的方法有爭用方式，所有的用戶都能同時爭用介質(zhì)通信，哪個用戶獲得介質(zhì)由仲裁算法給出。以太網(wǎng)絡(luò)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)都采用爭用方式． 以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問／碰撞檢測(Carrier Sense Multiple Access，Collision Detection—CSMA／CD)的介質(zhì)訪問控制方式。其工作原理如下；發(fā)送節(jié)點檢測介質(zhì)狀態(tài)，如果介質(zhì)空閑則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果介質(zhì)忙碌貝q等待到空閑才能發(fā)送數(shù)據(jù)：如果發(fā)送數(shù)據(jù)時檢測到介質(zhì)通信沖突，則立即終止數(shù)據(jù)發(fā)送，并發(fā)送一段干擾信息后，進入退避狀態(tài)，再經(jīng)過一段隨機的等待時間后，再重新發(fā)送，如果再次檢測到?jīng)_突，繼續(xù)退出、等待、重新發(fā)送，在多次(16次)發(fā)送失敗后將放棄數(shù)據(jù)的發(fā)送．該算法的缺點是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載比較高時，通信沖突是不可避免的，由于算法的隨機性和不確定性，數(shù)據(jù)傳送的時延也隨之不確定，很難保證每個數(shù)據(jù)時延的有界性。 CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用載波監(jiān)聽多路訪問／避免碰撞(Carrier Sense MultipleAccess／CollisionAvoidance—CSMA／CA)的介質(zhì)訪問控制方式。CSMA觸～可以認(rèn)為是對CSMA／CD介質(zhì)訪問控制方式的改進，它規(guī)定了優(yōu)先級字段，當(dāng)通信沖突發(fā)生時，低優(yōu)先級節(jié)點會自動退出發(fā)送，只有高優(yōu)先級節(jié)點才能發(fā)送數(shù)據(jù)，和CSMA，CD介質(zhì)訪問控制方式相比是一種無損的仲裁方式：其工作原理如第二章所述如下：發(fā)送節(jié)點檢測介質(zhì)狀態(tài)，如果介質(zhì)空閑則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果介質(zhì)忙碌則等待到空閑才能發(fā)送數(shù)據(jù)；如果發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)生介質(zhì)通信沖突，進入仲裁階段，如果節(jié)點發(fā)送一個隱性位而在總線上檢測到顯性位，則說明這時總線上有優(yōu)先級更高的數(shù)據(jù)正在同時發(fā)送，所以該節(jié)點優(yōu)先級較低，失去了仲裁，立即終止發(fā)送，等介質(zhì)空閑再試圖重新發(fā)送，而優(yōu)先級較高的節(jié)點順利發(fā)送數(shù)據(jù)。CSMA／CA方式可以保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)不受任何干擾地完成數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)的時延有確定性，其無損的仲裁方式有效提高了帶寬效率，而且CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短．所以，CAN總線網(wǎng)絡(luò)以其高可靠性和實時性廣泛用于現(xiàn)場總線系統(tǒng)，在汽車電子、工業(yè)控制中有著廣泛應(yīng)用。 CAN總線實時性問題的提出 “事件觸發(fā)”機制是使用時數(shù)的要求同時發(fā)送數(shù)據(jù)包，經(jīng)典的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)“總線負載峰值?！比欢?，CAN總線，無損仲裁機制，以確保按照他們設(shè)置標(biāo)識符的優(yōu)先順序的所有數(shù)據(jù)包。因此，最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包不被發(fā)送一個中斷，而低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)分組，其具有實時的傳輸時間減小隨機性。更高版本的系統(tǒng)，實時性要求，即使在總線上的高峰負荷，也能保證實時傳輸，所以如果若想使用現(xiàn)有的CAN總線通信標(biāo)準(zhǔn)，我們必須解決這個問題。 圖 CAN總線解析圖 CAN的實時性問題 通過上節(jié)的分析，我們知道CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為多主通信系統(tǒng)，采用了CSM們A介質(zhì)訪問控制協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定了無損的仲裁方式，在仲裁過程中，具有較高優(yōu)先級的協(xié)議幀贏得仲裁，不受影響地發(fā)送數(shù)據(jù)：較低優(yōu)先級的協(xié)議幀退出發(fā)送等待。并且，CAN總線協(xié)議采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時問短，最高傳輸速度可以高達1Mbps。這使CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)比一般的通信系統(tǒng)具有更好的實時性能。對于低網(wǎng)絡(luò)負載的CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，CAN總線規(guī)定的協(xié)議可以很好的工作，因為這個時候協(xié)議幀在網(wǎng)絡(luò)中碰撞的概率很小，網(wǎng)絡(luò)的實時性比較好。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)載荷的增加，協(xié)議幀在網(wǎng)絡(luò)中的碰撞也隨之增加，如果仍然沿用CAN總線規(guī)定的協(xié)議，較低優(yōu)先級的協(xié)議幀發(fā)送的實時性就會受到影響。當(dāng)碰撞概率達到一定的程度，由于CAN的仲裁協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的較低優(yōu)先級的協(xié)議幀就不能發(fā)送成功，而發(fā)送這些低優(yōu)先級協(xié)議幀的節(jié)點會因為多次發(fā)送錯誤而很快關(guān)閉節(jié)點退出總線。所以在高網(wǎng)絡(luò)負載情況下，高優(yōu)先級的協(xié)議幀的傳輸實時性沒有受到太大影響，低優(yōu)先級的協(xié)議幀的傳輸實時性惡化，其可能多次失去仲裁，使重新發(fā)送的次數(shù)增加，傳輸時延變大，在關(guān)閉節(jié)點退出總線這種極端情況下，其傳輸時延將變?yōu)闊o窮大．一個實時系統(tǒng)中，CAN總線上的實時數(shù)據(jù)幀大致可以分為兩類：周期性發(fā)送的實時數(shù)據(jù)幀和非周期性發(fā)送的實時數(shù)據(jù)幀。周期性發(fā)送的實時數(shù)據(jù)幀以時間為觸發(fā)，每到特定的時間點發(fā)送數(shù)據(jù)，如上位監(jiān)控設(shè)備請求下位終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)并返回上位監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)幀就是周期性發(fā)送的實時數(shù)據(jù)幀；非周期性發(fā)送的實時數(shù)據(jù)幀以事件為觸發(fā)，當(dāng)某個事件發(fā)生時發(fā)送數(shù)據(jù)，所以為突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送，如下位終端設(shè)備探測到工作狀態(tài)超過了某個限制值向上位監(jiān)控設(shè)備報警的數(shù)據(jù)幀就是非周期性發(fā)送的實時數(shù)據(jù)幀。針對時間觸發(fā)的周期性數(shù)據(jù)和事件觸發(fā)的非周期性數(shù)據(jù)的特點，學(xué)者提出了時分復(fù)用的方法和動態(tài)優(yōu)先級分配的方法來提高CAN總線的實時性。CAN總線中報文的信息時延為：從待發(fā)送數(shù)據(jù)在總線上的節(jié)點A開始，直到信息在另外的節(jié)點B中得到確認(rèn)，這一段時間的總的開銷。下面針對兩個典型的CAN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信進行分析，其結(jié)構(gòu)如下圖：圖 CAN總線結(jié)構(gòu)圖根據(jù)數(shù)據(jù)流的方向可以看出，CAN總線的時延由幀時延、軟件時延與CAN控制器時延、媒體訪問時延三部分組成，即：可以設(shè)置優(yōu)先級CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包。每一個數(shù)據(jù)包都有唯一一個標(biāo)示其優(yōu)先級的信息認(rèn)證。優(yōu)先級越高數(shù)據(jù)包的標(biāo)識符的值就越低。如果總線處在空閑狀態(tài)，那么總線的帶寬可以被任何一個信息節(jié)點所占用。如果有多個控制器同時嘗試將消息發(fā)送到總線，它會識別初始優(yōu)先級高的信息節(jié)點所發(fā)送的信息。這是只允許有發(fā)送到總線的最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，而較低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包的重傳定時器。這種機制將根據(jù)其優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包信息連續(xù)出現(xiàn)在總線上。因此，處理器可以由任何信息的響應(yīng)時間根據(jù)最壞情況下的估計。通過返回的錯誤模式可以估算出ＣＡＮ總線通道的誤差響應(yīng)時間。值得注意的是，CAN報文的響應(yīng)時間可以退換，但是它存在取決于通道錯誤條件的高度的不確定性，這種不確定性依賴于工作量的大小。這可能是因為系統(tǒng)可能會產(chǎn)生不利的影響，所以為了解決這個問題建議采用一些CAN總線協(xié)議的擴展協(xié)議。 提高CAN的實時性的方法1. 采用隨機訪問機制，調(diào)高報文發(fā)送實時性2. CAN的短幀結(jié)構(gòu)可增加實時性3. 采用優(yōu)先級晉升方案提高實時性4. EPA實時以太網(wǎng)采用基于角色平等的分時調(diào)度以太網(wǎng)確定性通信控制策略來提高以太網(wǎng)通信的實時性。5. 讓標(biāo)準(zhǔn)幀能夠滿足總線系統(tǒng)對信息傳輸?shù)目煽啃?、控制容量等需求時，應(yīng)當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)幀，而不采用擴展幀來增加信息量。6. 盡量的降低網(wǎng)絡(luò)負載，減小控制網(wǎng)絡(luò)中不必要的控制節(jié)點以及報文信息，預(yù)留出盡可能大的網(wǎng)絡(luò)帶寬富足量。，盡量增加帶寬、提高控制網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。，盡可能采取同步傳輸方式進而避免網(wǎng)絡(luò)的微觀擁塞情況的發(fā)生。、均一的期間構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)硬件來提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。 動態(tài)優(yōu)先級晉升算法 基于CAN總線觸發(fā)器的動態(tài)優(yōu)先級算法，是隨著時間的推移實時動態(tài)的調(diào)整各個站點的優(yōu)先級的一類算法。相比于其他的固定的優(yōu)先級模式，動態(tài)優(yōu)先級使每個站點都擁有相同的權(quán)利分享總線的帶寬從而避免的優(yōu)先級較低的站點得不到帶寬的占有權(quán)的情況的發(fā)生。極大地保證了數(shù)據(jù)幾點進行傳輸?shù)膶崟r性。動態(tài)優(yōu)先級晉升算法如下：網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點在沒有發(fā)生高強度的信息碰撞的情況下都是按照各自的初始優(yōu)先級進行數(shù)據(jù)發(fā)送的。一旦信息發(fā)生沖突，其中初始優(yōu)先級高的節(jié)點就會占有一定的優(yōu)勢，為了能夠讓優(yōu)先級低的站點在下一次競爭中有一定的幾率被發(fā)送，我們把優(yōu)先級相對低的站點的優(yōu)先級在一次競爭之后相應(yīng)的提高，如果仍然失敗，則繼續(xù)提高該站點的優(yōu)先級，直到該站點能夠成功發(fā)送為止。但是，如果優(yōu)先級相對較低的站點在提高了優(yōu)先級之后被成功發(fā)送了，那么一定要還原它的初始的優(yōu)先級。因為只有這樣網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送的實時性才能夠得到充分的保障。網(wǎng)絡(luò)中的信息傳遞存在多種可能，為了能夠避免兩個以上的節(jié)點同時具備一樣的初始優(yōu)先級的情況發(fā)生，應(yīng)該設(shè)計一定的算法，算法如下：假設(shè)在數(shù)據(jù)幀格式中，L表示節(jié)點的優(yōu)先級，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的最大數(shù)目可以表示為2^L—≤L。網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的初始優(yōu)先級為2^m—1—x。如果競爭站點一旦失敗后，優(yōu)先級的增加算法如下： 圖 算法流程圖 圖 圖 動態(tài)優(yōu)先級算法的流程圖 時分復(fù)用方法時分復(fù)用基本原理 對于周期性強的數(shù)據(jù)，可以采用時分復(fù)用的方法。時分復(fù)用概念最早出現(xiàn)在通信技術(shù)中，指將信道劃分成多個連續(xù)的時隙，這些時隙在