摘 要：分布式控制系統是現代控制系統的新方向，而通信系統是分布式控制的關鍵。在電器電磁干擾、震動干擾的環(huán)境下，分布式控制系統的穩(wěn)定性可能受到一定程度的影響。CAN總線是實現分布式控制的總線，優(yōu)點眾多。而通信系統需要滿足分布式控制系統實時性的要求，所以了解CAN總線相關分析方法十分重要。本文分析了CAN總線技術協議，對混合調度算法進行了說明，并對調度通信在CAN總線中的應用進行了研究。

關鍵詞：CAN總線技術；調度通信；混合調度算法

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

引 言

通信系統是分布式控制的關鍵，分布式控制可以使系統接線更為簡單，減少電纜的使用量，也可以簡化節(jié)點的設計，具有顯著的優(yōu)勢。同時，分布式控制也提高了系統的處理能力，可以提高節(jié)點冗余度。分布式控制需要的現場總線技術的支持，這其中就包括了CAN總線。

CAN是德國公司開發(fā)的用于解決汽車數據交換的通信協議，最終成為國際標準，并且在制造業(yè)、通信業(yè)得到了廣泛地應用。在部分歐美國家，CAN總線協議已經成為部分產業(yè)的標準總線。

1 CAN總線協議分析

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規(guī)范對CAN總線的物理層進行定義。部分學者使用高寬帶對單位雙線差分信號結構進行了定義；部分學者將其與低寬帶的應用相結合我，定義了低速的雙線差分信號結構。隱性與顯性是物理層的基本狀態(tài)，前者可視為二進制的1，后者可視為二進制的0。當兩個節(jié)點同時傳輸相反的值，則顯性值會被全部節(jié)點讀到，這一情況可以被應用于系統訪問控制中。

1.2 CAN總線的數據鏈層

首先是數據幀，CAN總線的數據需要借助數據幀實現傳輸，數據幀主要由幀起始、控制場、數據場等組成。其中，仲裁場包括遠程發(fā)送請求位、標識符位，標準格式的數據幀的標識符長度為11位，ID10為最高權重位，ID0為最低權重位。同時該協議還規(guī)定前7位最高權重位必須有均為顯性信號；遠程發(fā)送請求位主要用于對數據幀與遠程幀的區(qū)分中?？刂贫沃饕袛U展標識符位、數據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志疊加組成。之后是遠程幀。在遠程幀中，RTR無數據場，這一情況與數據幀差異顯著，并且遠程幀的數據長度碼可以為0～8的任何數值。

2 混合調度算法

該算法的動態(tài)優(yōu)先級機制是采用了最小松弛優(yōu)先算法。若需在CAN總線中運用該算法，需要使最小松弛度的報文具有最高的優(yōu)先級。在CAN總線的數據幀中，通過在在標識符中添加節(jié)點的編號區(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)點的標識符具有唯一性。標識符還應該包括每個節(jié)點需要傳輸的報文的名稱，進而區(qū)分報文的來源。報文的松弛度會影響當前報文的優(yōu)先級，而后者是實時報文優(yōu)先級域的反映。報文的松弛度、節(jié)點的調度以及基于優(yōu)先級的調度是選擇最低松弛度調度算法的重要參考，這是因為松弛度越小的報文二進制數越小。最低松弛度調度機制的時間臨界點與實時應用存在著緊密的聯系，如果CAN總線系統中最低松弛度調度機制的時間界限小于節(jié)點的松弛度的值，則其會通過相同的優(yōu)先級競爭。在CAN總線系統中，全部的硬實時報文必須可被預知，進而保證系統在任何狀態(tài)下都可以實現報文的實時傳輸。在這一過程中，技術人員必須對報文的傳輸時間段進行劃分，必須將錯誤重傳而產生的時間延遲考慮在內，從而確保報文的實時性。在硬實時報文的調度通信中，需要考慮到系統時鐘偏差的影響。因此，所有節(jié)點的時間參考必須一致，防止時間域之間的相互影響。在總線調度中，時鐘的精度越高，則相鄰的時間域之間的間隙就會越小。定義報文n的有效截止期為dn，從而利用保留時間域，并利用最低松弛度調度算法對報文的松弛度加以計算。在這一基礎上，硬實時報文可以在發(fā)送過程中擁有最高的總線訪問權。

3 調度通信在CAN總線中的應用

報文的接收主要是利用微控制器進行，按照實時性的要求，本文采用中斷方式。第一步：獨立CAN控制器接收報文后，對報文進行過濾，通過的報文存入接收緩沖區(qū)中。第二步：待到報文進入緩沖區(qū)，獨立CAN控制器接收中斷。第三步：微控制器對報文的信息進行讀取，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為：第一步：倘若發(fā)生中斷，判斷中斷產生的原因，如果是錯誤引發(fā)的中斷，則進行錯誤處理。第二步：在排除錯誤引發(fā)的中斷后進一步分析中斷產生的原因，判斷中斷原因是否為數據溢出，如果是則使用溢出指示子程序進行處理。第三步：在錯誤、數據溢出被排除后，判斷發(fā)送問題是否是造成中斷的原因，若是，則進入發(fā)送子程序處理。第四步：判斷是否為接受的問題導致的接收中斷，若不是，則中斷返回。

優(yōu)先級待分配的報文參數為：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總線采用標準幀格式。將信息A、B、C綁定在不同的節(jié)點上，分別記為節(jié)點1、2、3。之后將這個表中的數據分配優(yōu)先級，報文A、B、C分配的優(yōu)先級分別為1、2、3。報文C的實際響應時間分別為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)等應用領域，控制采集系統多采用工業(yè)PC，直接使用串口轉換器插到PC的串口就可接入儀表。大部分國產組態(tài)軟件都支持百特儀表的通訊協議，數據采集難度較小。

4 結 語

現代工業(yè)對控制網絡的實時性要求較高，CAN總線是實現分布式控制的總線，本文分析了CAN總線技術協議，對調度通信在CAN總線中的應用進行了研究。本文分析了CAN總線的物理層與數據鏈層，通過實驗驗證優(yōu)先級分配算法的適用條件，并研究了可容許錯誤數最大化、可容許網絡延時的最小松弛優(yōu)先算法，對報文進行了有效的調度，進而確保報文的實時性。

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收稿日期：2018-11-6