CAN总线网络的实时性研究和改进

摘要：由于CAN总线的独特优势，CAN已成为工业数据通信的主流技术之一，这就要求它具有良好的实时性和可靠性。但是随着CAN总线控制网络复杂化，控制节点的增多，带宽分配不均问题也随之凸显，使得总线上低优先级的站点数据传输延时增加。提出了动态优先级算法，它能够动态改变站点优先级，解决带宽分配不均问题，实现数据实时传输；简要介绍时间触发CAN(TTCAN)协议，并通过实验与动态优先级算法和标准CAN协议进行比较，得出网络延时特征。
关键词：实时性；动态优先级；TTCAN；网络延时

0 引言
控制局域网(Controner Aera Net，CAN)是德国Boasch公司于1983年为汽车应用而开发的一种有效支持分布式控制的串行控制网络。尽管CAN最初是为汽车电子系统设计的，但由于它在开放性和技术方面的独特优势，在航天、电力、石化等领域都得到了广泛应用。在火车、轮船、楼宇自动化、过程自动化仪表中，都有CAN技术的身影。CAN已成为工业数据通信的主流技术之一。
CAN总线具有多主发送、采用确定性的优先级仲裁机制等特点，保证了CAN总线数据通信的可靠性、实时性和灵活性。在数据通信过程中，如果出现碰撞，低优先级的节点会主动退出，而最高优先级的节点可以不受影响继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，保证了传输数据的实时性。但是这种静态优先级机制的一个缺点就是不能均等地为高优先级和低优先级站点分配带宽，在网络负载很大时，低优先级站点会在多次竞争总线使用权时失败，从而导致低优先级站点消息传输产生不确定的延时，甚至无法发送。本文针对CAN的这个问题，在参考文献的基础上，结合消息型和事件型消息，提出了动态优先级算法和基于时间触发的TTCAN静态调度算法。通过仿真实验，将动态优先级算法、静态优先级调度算法和标准CAN进行比较，得到网络延时特性。

1 CAN协议帧及仲裁机制
为了提高CAN总线传输数据的可靠性和传输距离，CAN采用差分方式输出。双绞线的一根为CANH，另外一根为CANL。CAN总线具有两种逻辑电平：显性电平和隐性电平。在传输一个显性位时，总线呈现显性状态；在传输一个隐性位时，总线呈现隐性状态。隐性状态时，CANH和CANL两条线之间的差分电压Vdiff近似为0；显性状态时，CANH和CANL两条线之间的差分电压Vdiff的幅值一般为2～3 V，明显高于隐性状态时的差分电压值。CAN总线上的位电平如图1所示。

在CAN总线上，显性位可以改写隐性位。当总线上2个不同节点在同一位时间分别强加显性和隐性时，总线上呈现显性位，即显性位可以覆盖修改隐性位。显性位一般表示逻辑0，隐性位一般表示逻辑。
CAN采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。按CAN总线上节点对实时性要求的紧急程度，可预先将节点分成不同的优先级。优先级编号越大，其站点的优先级越低。优先级编号作为标识符的组成部分被置于报文仲裁场。在总线仲裁期间，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级可不受影响继续传输数据，简化了总线的冲突仲裁过程，在一定程度上提高了通信的确定性和实时性。其仲裁规则为：
(1)预发帧的字节，当总线在空闲时同时发送帧且同步于SOF的上升沿；
(2)各帧的标识符字段在总线同时相遇，借助总线使标识字段逐位“线与”，根据其结果进行冲突仲裁；
(3)如果发送节点没有检测到冲突，则继续发送下一位；
(4)如果发送节点检测到冲突，则立即中断，不再继续后面位的发送；
(5)各标识字段逐位“线与”结束后，未监测到冲突的字节便获得优先发送权，可以发送数据帧后边的字段；如检测到冲突的节点，则不能发送后边的数据字段，而等待下一次发送。
CAN数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧尾。数据帧中数据场的长度可以为0。数据帧的位场排列如图2所示。数据帧的结构有两种格式，即标准格式和扩展格式。这两种帧格式的主要区别在于标识符的长度，标准格式数据帧具有11位标识符，扩展格式数据帧具有29位标识符。本文以扩展格式为例进行论述。帧的开始有起始标志位表示，它仅由一个显位组成；接下来是仲裁场，当发生冲突时，两个不同优先级站点同时竞争总线的使用权，并且由高位开始，逐位比较下去，当出现优先级不同位时，标识符位为0的胜出，获得总线使用权，所以标识符数值越小，优先级越高。