一 ! ! 壟壅t 皇查：生竺：! ! 竺圣 一一 蟹3 9 3 6 2 5 東風(fēng)8 b 內(nèi)燃機(jī)車c a n 總線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn) 佴曉東 北方交通大學(xué)人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)室 摘要： 隨著工控系統(tǒng)的發(fā)展機(jī)電系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，因此其劉 通信系統(tǒng)的要求也越束越高。東風(fēng)8 b 內(nèi)燃機(jī)車就是一例。傳統(tǒng)的 r s 2 3 2 r s 4 8 5 總線因?yàn)橹荒軐?shí)現(xiàn)單主通信，使用一般通信速甓雙絞線 時其通信速度只有1 9 2 k 位秒且數(shù)據(jù)通信可靠性不高，無) 適應(yīng)東風(fēng) 8 b 內(nèi)燃機(jī)車實(shí)時控制的需要。為滿足新型內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)的通信 需罌，我們用控制器局域網(wǎng)( c a n ) 對其進(jìn)行了改造。 控制器局域網(wǎng)是一種為實(shí)時控制而設(shè)計的串行通信總線。它 百 以以商達(dá)i m 位秒的波特率進(jìn)行通信，目有很好的糾錯能力。， c a n 最初是由德國的r o b e r tb o s c h 公司為在汽車申。器領(lǐng)域替 代傳統(tǒng)的昂貴且笨重的布線系統(tǒng)而開發(fā)的一種低成本通信總線。因?yàn)?c a n 的可靠性和魯棒性，其不僅汽車_ 工、m 領(lǐng)域應(yīng)用廣泛而且其他許 多工業(yè)控制領(lǐng)域也呆用c a n 作為通信系統(tǒng)解決力案。 c a n 作為一種國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被收入7i s o l l8 9 8 ( 高速通 信應(yīng)用) 和i s o l l 5 1 9 ( 低速通信應(yīng)用) 。 c a n 是一種具有多主通信能力的串行通信總線系統(tǒng)。每個 c a n 節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，多個c a n 節(jié)點(diǎn)可以同時提出通信請求。 i s o i l 8 9 8 國際標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)就是提供具有實(shí)時能力的串行總線系統(tǒng)， 而c a n 則包含了i s o o s i 參考模型的最低兩層。在c a n 網(wǎng)絡(luò)中沒 有傳統(tǒng)意義上的接受器或節(jié)點(diǎn)地址，取而代之的是具有不同優(yōu)先級的 信息被發(fā)送。一個發(fā)送節(jié)點(diǎn)向所有c a n 節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息( 廣播方 式) 。每個節(jié)點(diǎn)依據(jù)所接收信息的標(biāo)識符來決定是舌處理該信息。標(biāo) 識符同時也決定7 此信息競爭網(wǎng)絡(luò)存取的優(yōu)先權(quán)。 c a n 協(xié)議的突出優(yōu)點(diǎn)之一是他提供了很高的傳輸可靠性。 c a n 控制器記錄節(jié)點(diǎn)的錯誤并依據(jù)統(tǒng)計數(shù)字采取相應(yīng)措施。因此產(chǎn) 生錯誤的c a n 節(jié)點(diǎn)若繼續(xù)出錯將會脫離c a n 網(wǎng)絡(luò)。 c a n 的最大傳輸速度定義為1 m 位秒，在此速度下網(wǎng)絡(luò)長度 可達(dá)4 0 米。在1 2 5 k 位秒時為5 0 0 米，在5 0 k 位秒時可達(dá)1 千米。 ， ， ji二=y電， 北方交通大學(xué)碩 淪丈 經(jīng)過數(shù)月的實(shí)際運(yùn)行足以證明東風(fēng)8 b 內(nèi)燃機(jī)車所采用的 c a n 網(wǎng)絡(luò)具有高速、多主及魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種成功的通信系 統(tǒng)。、 t 關(guān)鍵詞： 控制器局域網(wǎng)，局域網(wǎng)，工業(yè)現(xiàn)場總線j 串行通信，單片機(jī) 機(jī)車 1 1d f 8 b 內(nèi)燃機(jī)車通信系統(tǒng) d f 8 b 是為低速貨運(yùn)列車而設(shè)計的內(nèi)燃機(jī)車，已經(jīng)使用了很長時 間。此內(nèi)燃機(jī)車的通信系統(tǒng)中只有2 個節(jié)點(diǎn)：主控計算機(jī)及顯示屏。在 物理層此通信系統(tǒng)使用的是r s 2 3 2 r s 4 8 5 數(shù)據(jù)總線。因?yàn)閞 s 2 3 2 一r s 4 8 5 都是單主串行總線，因此本通信系統(tǒng)中只有一個主節(jié)點(diǎn)：主控計算 機(jī)：系統(tǒng)中的顯示屏是從節(jié)點(diǎn)。本通信系統(tǒng)框圖如圖i 一1 所示。 顯示屏 主控計算機(jī) 圖1 1d f 8 b 內(nèi)燃機(jī)車r s 2 3 2 r s 4 8 5 通信系統(tǒng)框圖 當(dāng)開機(jī)上電后，顯示屏被指定一個固定的網(wǎng)絡(luò)地址。主控計算機(jī) 就使用這個地址對顯示屏進(jìn)行讀寫控制。當(dāng)主控計算機(jī)希望向顯示屏 發(fā)送數(shù)據(jù)時它將設(shè)置地址信息并發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)此地址信息顯示屏就 可得到數(shù)據(jù)。當(dāng)主控計算機(jī)希望從顯示屏接收數(shù)據(jù)時它首先發(fā)送地址 信息和命令字，當(dāng)顯示屏接收到此命令后便發(fā)送響應(yīng)信息。此過程稱 之為握手。此后顯示屏將向主控計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。 此通信系統(tǒng)的主要缺陷為： 網(wǎng)絡(luò)中只有一個節(jié)點(diǎn)可以作為主節(jié)點(diǎn)。 任何兩個從節(jié)點(diǎn)不可直接相互發(fā)送數(shù)據(jù)。 當(dāng)通信速度( 波特率) 較高時總線長度較短。 通信速度只有4 8 0 0 位秒( b p s ) 因此網(wǎng)絡(luò)只定義了物理層( r s 2 3 2 一r s 4 8 5 ) 所以只能在字 節(jié)寬度上檢測通信錯誤而不能在幀寬度上檢測通信錯誤 ( 糾錯能力差) 1 2 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟硬件改造的目標(biāo) 本項(xiàng)目選擇c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 總線做為通信手段 以改造此通信系統(tǒng)，其主要目標(biāo)為： 長距離通信( 大于4 0 0 米) 。 高通信速度( 可達(dá)1 0 0 0 kb p s ) 。 高數(shù)據(jù)可靠性。 多主網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。 在下面的各章中將分別介紹這些特點(diǎn)。 疊= 薯w 薯瓢 _ 。? 辯 i 零+ 霉! ；鼙i 霧g 爨，l 聱”r 。j “ 北方交通大學(xué)碩士論文 2 1 什么是c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 控制器局域網(wǎng)( c a n ) 是一種串行通信總線，它特別適合于在一個 局域系統(tǒng)或子系統(tǒng)中連接傳感器、驅(qū)動器等智能設(shè)備。 c a n 是一種具有多主通信能力的串行總線，即所有的c a n 節(jié)點(diǎn) 都可發(fā)送數(shù)據(jù)并且?guī)讉€c a n 節(jié)點(diǎn)可以同時向總線發(fā)出發(fā)送請求。這些 特點(diǎn)正是i s o1 1 8 9 8 【1 l 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的具有實(shí)時通信能力串行總線的要 求，而且c a n 也包含了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)( 1 s o o s i ) 的 最低兩層協(xié)議。在c a n 網(wǎng)絡(luò)中沒有傳統(tǒng)意義上的接收器或節(jié)點(diǎn)的地 址，取而代之的是采用發(fā)送不同優(yōu)先級的信息。一個發(fā)送節(jié)點(diǎn)向所有 的c a n 節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送信息( 廣播方式) 每個節(jié)點(diǎn)依據(jù)信息的標(biāo)識符 來判斷是否接受并處理此信息。信息標(biāo)識符同時也決定了此信息在總 線控制權(quán)競爭中的優(yōu)先級。 歐洲客運(yùn)轎車中決大多數(shù)都安裝了c a n ，貨運(yùn)及非公路運(yùn)輸車 輛的生產(chǎn)商也大量采用c a n 。c a n 芯片已經(jīng)大批量生產(chǎn)超過1 0 年。在 家用電器及工業(yè)控制領(lǐng)域c a n 也越來越多的被采用。截止1 9 9 9 年春季 全世界已安裝了超過l 億5 千萬個c a n 節(jié)點(diǎn)f ( c i a ) c a n i n a u t o m a t i o n 。 c a n 協(xié)議最突出的特點(diǎn)之一是其具有很高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性 c a n 控制器記錄一個節(jié)點(diǎn)的錯誤，統(tǒng)計并評估將采取何種相應(yīng)對策 如此節(jié)點(diǎn)不斷產(chǎn)生錯誤它將被與網(wǎng)絡(luò)自動脫離 c a n 的最大傳輸速度被定義為l mb i f f s 在此通信速度下網(wǎng)絡(luò)長 度可達(dá)4 0 米。如加長網(wǎng)絡(luò)長度通信速度必須降低：在5 0 0 米長度可達(dá) 1 2 5 kb i f f s ，在1 千米時可達(dá)5 0 kb i f f s 2 2c a n 的工作原理 2 2 1 數(shù)據(jù)通信規(guī)則 當(dāng)數(shù)據(jù)在c a n 網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送時沒有節(jié)點(diǎn)被定以地址，相應(yīng)的數(shù)據(jù) 的內(nèi)容( 如發(fā)動機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速等) 被定義以此網(wǎng)絡(luò)上唯一的標(biāo)識符 此標(biāo)識符不僅定義了此數(shù)據(jù)的內(nèi)容，還定義了其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級此特性 在幾個節(jié)點(diǎn)弼時競爭發(fā)送數(shù)據(jù)時分配網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)時非常重要。 北方交通大學(xué)碩士論更 當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)的c p u 希望向網(wǎng)絡(luò)中的一個或多個節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時 它將把要發(fā)送的信息及標(biāo)識符傳給指定的c a n 芯片( 使準(zhǔn)備就緒) 。 所有的c p u 在發(fā)送數(shù)據(jù)時都必須做這一步一一初始化。c a n 芯片將 把此信息轉(zhuǎn)化為c a n 信息并發(fā)送( 發(fā)送信息) 。一旦此c a n 節(jié)點(diǎn)得 到了總線控制權(quán)c a n 網(wǎng)絡(luò)上其它所有節(jié)點(diǎn)便變?yōu)榇诵畔⒌慕邮展?jié)點(diǎn) ( 接收信息) 當(dāng)c a n 網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點(diǎn)正確地接收到此信息，他們便分 別測試此信息是否與自己相關(guān)并決定接收與否( 選擇) 。如果接收到 的數(shù)據(jù)被認(rèn)為相關(guān)它將被處理( 接受) ，否則便被忽略。此發(fā)送、接 收過程可用圖2 1 表示。 c a n 節(jié)點(diǎn)1c a n 節(jié)點(diǎn)2c a n 節(jié)點(diǎn)3c a n 節(jié)點(diǎn)4 i接受準(zhǔn)備接受 i v i選擇 發(fā)送信息 l 選擇 1 選擇 i l 接收信息 i 接收信息i 接收信息 1ll t、 rtt c a n 網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)配置的高度靈活性是通過面向內(nèi)容的尋址方式 實(shí)現(xiàn)的。在已有的網(wǎng)絡(luò)中若想加入新節(jié)點(diǎn)非常方便，不需要對已有節(jié) 點(diǎn)的軟硬件進(jìn)行任何更新，只需將新節(jié)點(diǎn)設(shè)置為接收節(jié)點(diǎn)即可。因?yàn)?c a n 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議本身并不需要對各個節(jié)點(diǎn)在物理上定義定義其地 址。c a n 支持模塊式結(jié)構(gòu)并允許多重接收( 廣播方式，多重發(fā)送方 式) 及分布武同步處理。例如多個控制器為進(jìn)行某項(xiàng)測量所需要的數(shù) 據(jù)可通過一個或多個傳感器通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，這樣就不需要為每個 控制器配置各自的傳感器。 2 2 2 非破壞性位寬度訪問仲裁機(jī)制 數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理的必須條件是它們能夠在網(wǎng)絡(luò)上快速的傳 輸。這不僅意味著數(shù)據(jù)的物理傳輸速度應(yīng)高達(dá)i mb i f f s ，而且當(dāng)幾個節(jié) 點(diǎn)希望同時發(fā)送數(shù)據(jù)時進(jìn)行快速的總線分配 在實(shí)時控制中通過網(wǎng)絡(luò)所要發(fā)送數(shù)據(jù)信息的緊急程度可能差異 很大：有些快速變化的變量( 如柴油機(jī)載荷) 必須被頻繁的發(fā)送，而 北方交通大學(xué)碩士論文 其它變量( 如柴油機(jī)溫度) 變化相對較慢，不須被頻繁發(fā)送，也允許 有較大的時間延遲。 f _ 畦 i 一 噬 i l玨 ； i ii ； i ii 卜i l ii l ii i i l ii 衛(wèi)1 i 一- 1 i i 。l l l _ l ! iili 旺1 l i ii r _ 一 ，ii 1 丟失仲裁 3 丟；t 仲裁 圖2 - 2 非破壞性位寬度仲裁機(jī)制 電平 顯形電平 某需要緊急發(fā)送信息和其它信息相比所具有的相對優(yōu)先級是由 此信息的標(biāo)識符所定義的。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時不同信息的優(yōu)先級就被 規(guī)定事先好并且不可以進(jìn)行動態(tài)地改變。每個信息被分配一個二進(jìn)制 的數(shù)值( 標(biāo)識符) ，數(shù)值越小優(yōu)先級越高。 對于總線控制權(quán)的競爭是通過位寬度的仲裁機(jī)制來解決的。每 個希望取得總線控制權(quán)的節(jié)點(diǎn)依據(jù)其所發(fā)送信息的標(biāo)識符一位一位的 進(jìn)行仲裁根據(jù)線與機(jī)制顯形電平( 邏輯0 ) 將覆蓋隱性電平( 邏輯 1 ) 所有參與總線競爭的節(jié)點(diǎn)當(dāng)發(fā)送隱性電平而接收到顯形電平時將 丟失仲裁所有丟失仲裁的節(jié)點(diǎn)將自動變?yōu)榇诵畔⒌慕邮展?jié)點(diǎn)，直到 此信息發(fā)送結(jié)束總線空閑之前將不再競爭總線控制權(quán)。圖2 - 2 顯示了 此種競爭機(jī)制 2 2 3 總線分配效率 總線分配效率主要是由此串行總線的應(yīng)用系統(tǒng)所決定的。不同 的應(yīng)用系統(tǒng)適合于不同的總線。為簡單起見，本文將總線分配過程用 以下方法分為不同類別： 固定時間總線分配機(jī)制 此機(jī)制將總線的控制權(quán)順序地分配給每個參與總線的節(jié)點(diǎn)。不 論此節(jié)點(diǎn)是否需要它都將得到在某個時間段內(nèi)控制總線的權(quán) 利例如令牌跟蹤( t o k e ns l o t ) 或令牌傳遞( t o k e np a s s i n g ) 機(jī)制。 依據(jù)需求分配總線 北方交通犬擘碩士論文 總線分配是基于當(dāng)前最迫切的傳輸請求分配給某個參與總線 分配的節(jié)點(diǎn)。例如總線只分配給希望傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)( 例： c s m a ，c s m a c d ，巡回分配( r o u n dl _ o b i n ) 及位寬度仲 裁) 對c a n 總線的分配純粹是基于等待發(fā)送的信息問的不同優(yōu)先級 而定。這就是說c a n 可以歸類為依據(jù)需求分配總線。 另一種判斷仲裁系統(tǒng)效率的方法是判斷總線訪問的方式。司以 分為兩類： 非破壞性總線訪問 此種方法是將總線立刻或在一個總線訪問周期中分配給某個 節(jié)點(diǎn)( 而且只分配給此節(jié)點(diǎn)) 去訪問一個或多個節(jié)點(diǎn)。這樣 就可以確?？偩€被一個節(jié)點(diǎn)所訪問，不會產(chǎn)生總線分配的歧 義性。例如令牌跟蹤( t o k e ns l o t ) ，令牌傳遞( t o k e n s l o t ) ，巡回分配( r o u n dr o b i n ) 及位寬庹仲裁。 破壞性總線訪問 多個節(jié)點(diǎn)對總線的同時訪問會造成所有的傳輸終止，因此沒 有一個節(jié)點(diǎn)能成功地分配到總線。對為取得總線的訪問控制 權(quán)也許要進(jìn)行多次總線訪問。例如c s m a c d ，以太網(wǎng) 在c a n 網(wǎng)絡(luò)中對所有傳輸請求的處理必須遵從延遲時問的限 制，即處理時間不得長于在一定的傳輸速度下的總線定時時間。c a n 協(xié)議必須實(shí)現(xiàn)在多個節(jié)點(diǎn)同時對總線提出訪問時保證只有一個節(jié)點(diǎn)獲 得總線控制權(quán)( 非歧義性) 因?yàn)閏 a n 網(wǎng)絡(luò)中每個信息所具有的標(biāo)識 符是唯一的，在位寬度總線訪問仲裁機(jī)制中依據(jù)1 1 位標(biāo)識符( 標(biāo)準(zhǔn) 幀) 或2 9 位標(biāo)識符( 擴(kuò)展幀) 對總線進(jìn)行分配不會產(chǎn)生歧義。與某些 基于幀寬度( 信息寬度) 的總線訪問控制仲裁( 如c s m a c d ) 不 同，c a n 的此種仲裁方式可以保證總線的所有容量都被用以傳輸有效 的數(shù)據(jù)。 在c a n 總線中對總線的訪問權(quán)是和信息的標(biāo)識符相聯(lián)系的，與 其他的仲裁方法相比此種方法也有其優(yōu)越性。因?yàn)榧词乖诳偩€超載的 情況下，整個總線中最急需的信息( 依優(yōu)先級而定) 也總是被優(yōu)先發(fā) 送。這樣盡管總線容量不足，也能使系統(tǒng)的性能不致受到太大的影 響。在此種情況下與其他系統(tǒng)相比此種方法總線的分配效率是最高 的，而且每次總線分配之間的空隙也被壓縮到最小程度。在其他系統(tǒng) 中因總線超載所造成的整個系統(tǒng)立刻崩潰在c a n 卻中不會發(fā)生。因?yàn)?采用了位寬度的非破壞性總線訪問仲裁機(jī)制，我們可以依據(jù)信息的急 需程度快速、高效地發(fā)送數(shù)據(jù)。 非破壞性總線訪問也可以進(jìn)一步分成兩種： 集中式總線訪問控制( c e n t r a l i z e db u s a c c e s sc o n t r 0 1 ) 分散式總線訪問控制( d e c e n t r a l i z e d b u sa c c e s sc o n t r 0 1 ) 若整個總線中只有一個節(jié)點(diǎn)對總線的訪問可以進(jìn)行控制則稱之 為集中式總線訪問控制，否則稱之為分散式總線訪問控制。如果網(wǎng)絡(luò) 采用集中式總線訪問控制，當(dāng)此節(jié)點(diǎn)( 主節(jié)點(diǎn)) 發(fā)生錯誤或失效時必 須有某種機(jī)制以確?？偩€能繼續(xù)運(yùn)行。然而這種方法有其缺陷性，因 為這種出錯處理機(jī)制一般很難實(shí)現(xiàn)，而且其軟硬件開銷也很大。而且 由一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問控制，許多節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行相互通信時時間 消耗非常大?；谝陨显騝 a n 果用分散式總線訪問控制，這樣因只 有一個主節(jié)點(diǎn)所造成的諸多困難變迎刃而解了。在c a n 網(wǎng)絡(luò)中總線訪 問控制、出錯處理等機(jī)制都是由不同節(jié)點(diǎn)在多個時間分別完成的，這 樣可以實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)很高的可利用性。 總之c a n 實(shí)現(xiàn)了一種基于通信信息優(yōu)先級的流量控制方法，即 分散控制的非破壞性位寬度總線訪問機(jī)制。在此種機(jī)制下用較低的通 信速度就可以實(shí)現(xiàn)較高的有效數(shù)據(jù)傳輸量，而且對所有節(jié)點(diǎn)來說總線 繁忙時間也大大縮短。對于那些有非常急需信息要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)來說總 線的通信效率大大提高。 對于實(shí)時系統(tǒng)來說這些特性是相當(dāng)關(guān)鍵的，因?yàn)樵趯?shí)時系統(tǒng)中 當(dāng)發(fā)生總線超載時最高優(yōu)先級的信息仍然可以被發(fā)送，這樣硬實(shí)時系 統(tǒng)不會因?yàn)槌d而發(fā)生系統(tǒng)崩潰，軟實(shí)時系統(tǒng)的性能不會因?yàn)槌d而 有很大降低 2 2 4 信息幀格式 c a n 協(xié)議支持兩種信息幀格式，其差別僅在于信息標(biāo)識的長度 有所不同。在標(biāo)準(zhǔn)幀中標(biāo)識符長度為1 1 位，在擴(kuò)展幀中為2 9 位。每 個信息幀都包含七個數(shù)據(jù)場圖2 - 3 所示為標(biāo)準(zhǔn)幀格式。 標(biāo)準(zhǔn)幀是由啟始位( s o f ) 開始的在啟始位后面是仲裁場 ( a r b i t r a t i o n f i e l d ) ，它包括標(biāo)識符( i d e n t i f i e r ) 及遠(yuǎn)程請求位 ( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 所組成，此位標(biāo)志著一幀信息是數(shù)據(jù)幀 還是遠(yuǎn)程幀接下來是控制場( c o n t r o lf i e l d ) ，它包括標(biāo)識符擴(kuò)展位 ( i d e ) ( 標(biāo)志此信息是否是擴(kuò)展幀) ，一位保留位( r 0 ) 既數(shù)據(jù)長 度域( d l g ) ( 標(biāo)志數(shù)據(jù)位的長度) 。在控制場后面是數(shù)據(jù)場( d a t a f i e l d ) ( 包含0 至8 位數(shù)據(jù)) ，然后是校驗(yàn)場( c r cf i e l d ) 。校驗(yàn)場 用來對一幀數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。在此之后是應(yīng)答場( a c k f i e l d ) ，它包含一個應(yīng)答間隙及一個分隔符( 隱性位) 應(yīng)答位被發(fā) 送為隱性位，當(dāng)所有接收節(jié)點(diǎn)正確接到數(shù)據(jù)時便發(fā)送一位顯性位將其 覆蓋( 肯定響應(yīng)) 在一幀的最后是幀結(jié)束( e n do f f l a m e ) 。 北方交通大學(xué)碩士論文 在兩幀信息間是一個間歇空1 4 ( 幀問空間) ( i n t e r m i s s i o n ) 。 如果此時沒有節(jié)點(diǎn)要求對總線進(jìn)行訪問則進(jìn)入總線空閑狀態(tài)( b u s i d l e ) 。有關(guān)c a n 信息幀格式更詳細(xì)的信息請參閱第四章。 撇咖傭枷雩船i d a t af i e l d c r c e n d 目o ”b u5 1 “。 l 、 7、 7 i 、t 、7 l 辮一一；r ”吣 1 sb tc r c li 匕：! ! ：! i 2 2 5 出錯檢測機(jī)制 與其他總線系統(tǒng)不同c a n 不是用響應(yīng)信息? 而是用信號來通告 錯誤的發(fā)生。為進(jìn)行出錯檢測c a n 在信息幀的層次上實(shí)現(xiàn)了三種檢測 機(jī)制： 循環(huán)冗余校驗(yàn)( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c r c ) 發(fā)送節(jié)點(diǎn)在傳輸一幀信息數(shù)據(jù)之后便發(fā)送循環(huán)冗余校驗(yàn) 場，它負(fù)責(zé)對一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。接收節(jié)點(diǎn)對這些校驗(yàn)位 進(jìn)行檢驗(yàn)，如果不符合校驗(yàn)結(jié)果則產(chǎn)生c r c 錯誤。 幀校驗(yàn)( f l a m ec h e c k ) 此種機(jī)制對一幀信息的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，即逐位檢查所發(fā)送 的數(shù)據(jù)如果發(fā)現(xiàn)檢查結(jié)果不符合c a n 的格式則會產(chǎn)生格 式錯誤。 響應(yīng)錯誤( a c ke r r o r s ) 正如2 2 4 節(jié)所述，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)被正確接收后所有的節(jié)點(diǎn)通 過肯定響應(yīng)對其進(jìn)行應(yīng)答如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有接收到對發(fā) 送信息的響應(yīng)則產(chǎn)生響應(yīng)錯誤。這可能意味著接收節(jié)點(diǎn)檢 測出響應(yīng)信息出錯或沒有接收節(jié)點(diǎn) 在位層次上c a n 也實(shí)現(xiàn)了兩種出錯檢驗(yàn)機(jī)制： 監(jiān)聽機(jī)制( m o n i t o r i n g ) 發(fā)送節(jié)點(diǎn)對錯誤的檢測是通過監(jiān)聽總線信號來實(shí)現(xiàn)的。即 每個發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時將同時接收數(shù)據(jù)并且檢測所發(fā) 送的數(shù)據(jù)與接收的數(shù)據(jù)是否一致這樣系統(tǒng)的整體錯誤就 可以被檢測到并且錯誤將被限制在發(fā)送節(jié)點(diǎn)內(nèi)部。 位填充( b i t s t u f f i n g ) 每一位數(shù)據(jù)的編碼將在位層次上進(jìn)行檢測。c a n 所實(shí)現(xiàn)的 是非歸零碼( n r z m o nr e t u r nt oz e r o ) 。此種方法使得在 北方交通大學(xué)碩士論文 位層次上的傳輸效率非常高。為實(shí)現(xiàn)信息的同步將進(jìn)行位 填充，即在連續(xù)的五位相同電平信號之后將在位數(shù)據(jù)流中 填充一位相反位。在接收節(jié)點(diǎn)此位將被刪除而只對其余為 進(jìn)行檢驗(yàn)。 如果至少一個節(jié)點(diǎn)( 可以是總線中的任何節(jié)點(diǎn)) 應(yīng)用以上機(jī)制 發(fā)現(xiàn)了上述的任何錯誤，它將發(fā)送錯誤標(biāo)志( e r r o rf l a g ) ，因此當(dāng)前 的傳輸將被取消。這樣其他節(jié)點(diǎn)就不會再接收此信息，所以總線上的 數(shù)據(jù)可以保證其一致性。 如果某信息幀因出錯而被取消，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將自動重新發(fā)送此信 息，這種機(jī)制稱為自動重發(fā)請求( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 。因此它 將重新參與總線競爭。按c a n 協(xié)議規(guī)定出錯信息將在錯誤被檢測出以 后的2 3 位周期中進(jìn)行重發(fā)；在某些情況下系統(tǒng)將在3 1 位的周期中可 以得到自動恢復(fù)。 盡管c a n 實(shí)現(xiàn)了以上所述的諸多出錯檢驗(yàn)機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)中某個 節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯誤時所有的信息( 包括正確信息，出錯信息等) 都被 阻塞。在這種情況下如果沒有適當(dāng)措施進(jìn)行自我監(jiān)聽整個系統(tǒng)將癱 瘓。因此c a n 協(xié)議提供了一種區(qū)分偶然錯誤及永久錯誤的機(jī)制以使錯 誤被限制在某個節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，即錯誤限制( f a u l tc o n f i n e m e n t ) 機(jī)制 此種機(jī)制對節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的錯誤進(jìn)行統(tǒng)計，如果節(jié)點(diǎn)頻繁出錯則自 動進(jìn)入一種操作模式，因此其他節(jié)點(diǎn)將不會被此節(jié)點(diǎn)的錯誤所波及。 如果此節(jié)點(diǎn)繼續(xù)出錯，最終它將使自己自動關(guān)閉，以保證系統(tǒng)的其它 傳輸正常進(jìn)行。 2 2 6c a n 協(xié)議的數(shù)據(jù)可靠性 在汽車工業(yè)，運(yùn)輸行業(yè)等領(lǐng)域有些應(yīng)用是與安全緊密相關(guān)的， 因此需要有很高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。此類應(yīng)用的目標(biāo)是在其整個使用 壽命中確保不會因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸出錯而使車輛發(fā)生故障，對駕駛員產(chǎn)生 生命危險。 如果數(shù)據(jù)的可靠性非常高，或殘余錯誤的可能性非常底，這個 目標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)。在總線系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠性可以用系統(tǒng)對正常數(shù)據(jù) 被錯誤傳輸造成錯誤的識別能力來衡量殘余錯誤的可能性( 殘余錯 誤概率) 是對數(shù)據(jù)可靠性的嚴(yán)重?fù)p害，它被定義為應(yīng)被拋棄的出錯數(shù) 據(jù)為被檢測出而仍然存在的可能性。此概率應(yīng)該很低以使得在整個產(chǎn) 品的壽命周期中殘余錯誤幾乎不會發(fā)生。這樣就可確保產(chǎn)品的安全可 靠性。 北方交通大學(xué)碩士論疋 殘余鍺 誤概率 1 0 一i9 1 口一 4 1 0 1 6 1 0 。 8 住錯誤概率 圖2 4 殘余錨誤概率 我們可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€通路視為一個模塊，將所發(fā)生的錯誤 進(jìn)行分類，以計算殘余錯誤概率假設(shè)一幀數(shù)據(jù)的長度為8 0 到9 0 位，整個系統(tǒng)由5 到l o 個節(jié)點(diǎn)所組成，其錯誤概率為1 1 0 0 0 ( 每 1 0 0 0 幀信息出錯1 次) 若位錯誤概率為0 0 2 ，其平均殘余錯誤概率 為l o 。3 ?；诖朔N假設(shè)我們可以計算c a n 網(wǎng)絡(luò)的殘余錯誤概率。 當(dāng)c a n 總線的波特率為1 mb i t s 時，平均總線利用率約為百分 之五十若其使用壽命總計為4 0 0 0 小時，則在其使用期限內(nèi)總計發(fā)送 數(shù)據(jù)幀為9 x 1 0 ”。因此在其使用壽命內(nèi)未檢測出錯誤的數(shù)目( 殘余錯 誤概率) 小于l o 如果按每天工作8 小時，每年3 6 5 天計算，其錯 誤率約1 0 0 0 年出錯1 次。圖2 4 為不同情況下殘余錯誤概率f 2 1 】。 2 2 7c a n 擴(kuò)展幀格式 1 1 位的標(biāo)識符對于絕大多數(shù)應(yīng)用是足夠的，它可以在一個c a n 網(wǎng)絡(luò)定義2 0 4 8 種不同的信息幀但根據(jù)s a e 卡車及公共汽車委員會 信號及信息標(biāo)準(zhǔn)，為適應(yīng)不同的波特率，采用更多的標(biāo)識符位顯然對 于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更為方便。 為適應(yīng)這些需求，c a n 協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，增加為2 9 為標(biāo)識符。 這2 9 位標(biāo)識符由已有的1 1 位標(biāo)識符( 基本標(biāo)識符) 及1 8 位擴(kuò)展( 擴(kuò) 展標(biāo)識符) 所組成。因此c a n 協(xié)議允許使用兩種信息格式：標(biāo)準(zhǔn)幀 ( c a n2 0 a ) 及擴(kuò)展幀( c a n 2 0 b ) 此兩種格式的信息幀可以在同 一總線上共存。當(dāng)一個標(biāo)準(zhǔn)幀和一個擴(kuò)展幀有相同的低11 位標(biāo)識符并 同時競爭總線訪問權(quán)時標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先級較高，將會覆蓋擴(kuò)展幀而取得總 線訪問權(quán)。 如果一個c a n 控制器支持?jǐn)U展幀格式，它也能用標(biāo)準(zhǔn)幀進(jìn)行數(shù) 據(jù)收發(fā)。但如果一個c a n 網(wǎng)絡(luò)上的某些控制器只支持標(biāo)準(zhǔn)幀則在此網(wǎng) 絡(luò)上只能發(fā)送或接收標(biāo)準(zhǔn)幀格式的信息。近些年有的公司提供的產(chǎn)品 雖然只支持標(biāo)準(zhǔn)幀格式，但可以識別擴(kuò)展幀格式并對其進(jìn)行忽略，這 稱為被動擴(kuò)展型( v e r s i o n20 bp a s s i v e ) 。 區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的方法是比較標(biāo)識符擴(kuò)展位( 1 d e 卜 i d e n t i f i e re x t e n s i o nb i t ) 。在標(biāo)準(zhǔn)幀中i d e 位是顯形位，而在擴(kuò)展幀中 此位是隱性位。 標(biāo)準(zhǔn)幀中遠(yuǎn)程請求位( r t r ) 可以是顯形或隱性，用以表示此 幀信息是否是遠(yuǎn)程請求幀。在擴(kuò)展幀中此位被替代為替代遠(yuǎn)程請求位 ( s r r - - s u b s t i t u t er e m o t er e q u e s t ) ，此位總是隱性位以保證當(dāng)其和標(biāo) 準(zhǔn)幀競爭總線訪問權(quán)時標(biāo)準(zhǔn)幀具有更高的優(yōu)先權(quán)而取得總線的訪問控 制權(quán)。 在i d e 位之后擴(kuò)展幀與標(biāo)準(zhǔn)幀不同，擴(kuò)展幀中有1 8 位的標(biāo)識符 擴(kuò)展，之后是r t r 位。 r b 晌nf i e l d 船l 0 a b l d 5 酯麟礦 “8 u 帕 r f h 十f 刊一 ! 臣三艇蘭蜀! 1 日! 衛(wèi)旺礦 圖2 - 5 擴(kuò)展幀格式( c a n2 0 b ) 在其他數(shù)據(jù)場中標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀完全相同，這樣支持?jǐn)U展幀格 式的控制器就可以和支持標(biāo)準(zhǔn)幀格式的控制器相兼容而相互通信。 2 3c a n 的物理連接 c a n 支持波特率高達(dá)1 mb i f f s ，因此需要有非常陡的邊沿信 號。為此許多廠家在生產(chǎn)c a n 控制器同時還提供c a n 收發(fā)器 c a n 收發(fā)器是一種功率器件，專門用來連接c a n 總線和c a n 控制 器。圖2 - 6 一個標(biāo)準(zhǔn)的c a n 總線應(yīng)用系統(tǒng)框圖在第三章中其結(jié)構(gòu) 將會被詳細(xì)介紹。 北方交通大學(xué)碩士論文 斂赴理囂 il c 控制器 l+ 6 。 收發(fā)囂：冀n r 凈“f c 虬l(fā) 弧m hi 一 線終墻 總線終 卜 j c 總線i 圖2 - 6 i s o1 1 8 9 8 c a n 物理連接 北方疋通大學(xué)碩士論文 一一 3 1 概述 本章主要介紹依據(jù)i s o1 1 8 9 8 標(biāo)準(zhǔn)所實(shí)現(xiàn)的c a n 網(wǎng)絡(luò)硬件體系 結(jié)構(gòu)根據(jù)i s o11 8 9 8 標(biāo)準(zhǔn)c a n 節(jié)點(diǎn)應(yīng)包括一個模塊控制器( 主控 制器) 、一個c a n 控制器( 協(xié)議控制器) 和一個c a n 收發(fā)器。在 總線物理連接層本項(xiàng)目使用的是雙線差動總線( 遵守i s o 1 18 9 8 標(biāo) 準(zhǔn)) ，可阻支持波特率為i mb i f f s 。 3 2 本項(xiàng)目的主要目標(biāo) 正如本文第一章所述東風(fēng)8 b 內(nèi)燃機(jī)車中原有的集中式網(wǎng)絡(luò)訪 問控制系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)分布式計算機(jī)控制的嚴(yán)重障礙。如果能用 分布式網(wǎng)絡(luò)訪問控制系統(tǒng)替代原有系統(tǒng)，計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計實(shí) 現(xiàn)將會更靈活，方便但是如果用全新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完全取代原有系 統(tǒng)將會十分困難，因?yàn)樵邢到y(tǒng)中的控制軟件，通信軟件等十分龐 大，不可能重新編寫。因此可行的方法是對原有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加以改 造，只做最小的調(diào)整，并且兼容原有的與硬件獨(dú)立的軟件。 本項(xiàng)目的主要目標(biāo)為： 實(shí)現(xiàn)分散式訪問控制局域網(wǎng)通信系統(tǒng) 只改造網(wǎng)絡(luò)硬件及與硬件相關(guān)軟件系統(tǒng) 兼容原有與硬件獨(dú)立的控制、通信軟件系統(tǒng) 因此本項(xiàng)目最重要的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)智能型網(wǎng)卡，由它來實(shí)現(xiàn)協(xié)議 間的轉(zhuǎn)換、出錯檢測及錯誤限制、任務(wù)調(diào)度等功能。智能型網(wǎng)卡的 主要任務(wù)有以下幾點(diǎn)： 初始化硬件系統(tǒng)，建立通信連接 在c a n 協(xié)議與原有協(xié)議問進(jìn)行數(shù)據(jù)翻譯、轉(zhuǎn)換功能 檢測協(xié)議錯誤并采取相應(yīng)的措施 調(diào)度任務(wù) 對發(fā)送及接收數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存 北方交通大學(xué)碩士論文 3 3 網(wǎng)絡(luò)布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 3 3 1 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)概要 為適應(yīng)東風(fēng)8 b 內(nèi)燃機(jī)車通信系統(tǒng)的要求本網(wǎng)絡(luò)由2 個局域網(wǎng) 所組成( c a n 總線) 。在每個局域網(wǎng)中任何節(jié)點(diǎn)都可以和其他節(jié)點(diǎn) 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。此網(wǎng)絡(luò)主要特性如下： 總線長度( 機(jī)車內(nèi)部) ：( 3 0 m 總線長度( 機(jī)車重聯(lián)) ： 1 0 v ，v d m = 15 v r 2 0 i c q ，p “= 1 2 4 q ) 電纜：i s o1 1 8 9 8 ( a u t o m o t i v e ) o 2 5 m m 2d = 7 0 f 1 k m 根據(jù)( i ) 及( 2 ) 式可得總線長度為： i 4 4 2 m 北方交通大學(xué)碩士論炙 在實(shí)際應(yīng)用中總線長度為4 0 0 米【在決大多數(shù)情況下小于1 0 0 米) ，因此可以滿足總線長度要求。 4 3 位定時參數(shù) 在很多情況下c a n 的為同步功能可以對不適當(dāng)?shù)膮?shù)配置進(jìn) 行彌補(bǔ)，使得只在很偶然的情況下將產(chǎn)生一個出錯的信息幀。 然而在仲裁期間兩個或兩個以上節(jié)點(diǎn)可能同時發(fā)送數(shù)據(jù)，對數(shù) 據(jù)采樣點(diǎn)的不適當(dāng)選擇可能使發(fā)送節(jié)點(diǎn)中的一個進(jìn)入被動錯誤模 式對于這種偶然錯誤的分析及討論需要對c a n 位定時方法有比較 細(xì)致的7 解。 本節(jié)的目的并不是介紹計算c a n 總線位定時的步驟( 需要詳 細(xì)信息可參照【1 8 】) ，而是介紹c a n 位定時的方法、參數(shù)以及需要 考慮的相關(guān)因素。 4 3 1c a n 協(xié)議位定時 c a n 所支持的波特率范圍很廣，從5 kb i f f s 到1 0 0 0 kb i t s 。每個 c a n 節(jié)點(diǎn)都有其自己的時鐘發(fā)生器( 通常是一個石英晶體振蕩 器) 這些時鐘發(fā)生器的震動周期( f o 。) 也許有一定差異。每個 c a n 節(jié)點(diǎn)都可以分別對位定時參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，但必須符合一個共同 的波特率。 ic 名義1 至?xí)r阿i li p r o p s e 9p h a s e o o g lp h a s e e 0 9 2 s y n c 一8 e 9 圖4 - 2 c a n 位定時 這些石英晶體振蕩器的頻率也不總是一個常數(shù)，隨著溫度，電 壓及器件的老化，此頻率會發(fā)生微小的變化當(dāng)這些變化所引起的 差異在一定的范圍之內(nèi)時c a n 節(jié)點(diǎn)可以通過從新同步機(jī)制 ( r e s y n c h r o n i z i n g ) 來對位流進(jìn)行彌補(bǔ)。 根據(jù)c a n 協(xié)議，一位c a n 信息可分成四個部分( s e g m e n t ) ( 參見圖4 2 ) ，即同步段( s y n c h r o n i z a t i o ns e g m e n t ) 、傳播時間段 ( p r o p a g a t i o nt i m es e g m e n t ) 、緩沖階段1 ( p h a s eb u f f e rs e g m e n t1 ) 和緩沖階段2 ( p h a s eb u f f e rs e g m e n t2 這些段中每個都包含可編 程的時間量( 參見表4 - 1 ) 。這些時間量的最小單位就是位定時的時 問單位( t q ) 。此單位取決于c a n 控制器的系統(tǒng)時鐘( f s y s ) 及分頻 器參數(shù)( b r p ) ：t q = b r p ，e ，。通常b ；=