CAN总线调度算法的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 32 4 2.32MB 60 页 15积分

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摘要

随着现场总线技术在工业控制领域中的广泛应用，如何快速、高效、稳定的进

行通信传输，如今已成为现场总线技术领域的研究热点之一。本文采用 FTTCAN 协

议作为 CAN 总线系统的传输协议，在 LLF 算法和 HVDF 算法的基础上，提出了两种

改进的算法——LVDF 算法和 ELVDF 算法。

本文针对 LLF 算法和 HVDF 算法的缺陷做了一些改进，提出了 LVDF 算法，该

算法综合了 LLF 算法和 HVDF 算法这两种调度算法的调度考量指标——松弛度和价

值密度，来设计优先级分配策略。LVDF 算法是 LLF 算法和 HVDF 算法的一个折中算

法，不会出现像这两种算法在某些特定情况下调度性能急剧下降的情形。针对

LVDF 算法在实验过程中表现出来的一些不足做了进一步的改进，提出了 ELVDF 算

法，该算法的改进在于每当调度一个任务时，先对该任务进行一番考察，只有考

察通过后才能对其进行调度。

同时我们进行了 CAN 节点的设计，并利用所设计的 CAN 节点搭建了实验平台，

然后根据实验平台中的各个 CAN 节点所要实现的不同的功能对其进行了相应的程

序设计，完成了实验平台的软件配置。在此基础上，我们设计了实验报文，并在 5

种不同的系统负载情况下分别对 LLF 算法、HVDF 算法、LVDF 算法和 ELVDF 算法这 4

种调度算法做了调度实验。

通过对实验数据的统计和分析得到的实验结果表明，LVDF 算法和 ELVDF 算法

都达到了预期的效果，ELVDF 算法在实验过程中表现的调度性能尤佳，尤其是在

系统负载超载比较严重的情况下，ELVDF 算法的实现价值率比 LVDF 算法要超出 8%

以上，浪费时间也少的多。

关键词：CAN 调度算法　LLF　HVDF LVDF ELVDF

ABSTRACT

With wide application of fieldbus in the industrial-controlling areas, how to

communicate in a speedy, stable and highly effective way has now become one of hot

topics in fieldbus area. In this thesis, we adopt FTTCAN protocol as the transfer

protocol of CAN bus system, and advance two improved algorithm----LVDF algorithm

and ELVDF algorithm, based on LLF algorithm and HVDF algorithm.

Aimed at the defect of LLF algorithm and HVDF algorithm, we make some

improvement to advance LVDF algorithm, which synthesize laxity and value density to

design the priority assign strategy. LVDF algorithm is a middle algorithm between LLF

algorithm and HVDF algorithm, the scheduling performance of LLF algorithm and

HVDF algorithm reduce in some special conditions, but LVDF algorithm doesn’t.

Aimed at the deficiency of LVDF algorithm, we make further improvement to advance

ELVDF algorithm, when a task is scheduled in the scheduling process of this algorithm,

we must check the task before its schedule.

Meanwhile, we design the CAN node and build the experiment platform, then

design the program of the CAN node according to the different function of it in the

experiment platform to finish the software configuration of it. Based on it, we design

the experiment message and do the scheduling experiments of LLF algorithm, HVDF

algorithm, LVDF algorithm and ELVDF algorithm under 5 different system load

conditions. At last, we record experimental data, then do the statistics and analysis of it.

The experimental results indicate that LVDF algorithm and ELVDF algorithm

achieve their anticipative effect, the scheduling performance of ELVDF algorithm is

much better, especially under the condition of comparatively serious system overload,

the realized value ratio of ELVDF algorithm is 8% higher than LVDF algorithm at least,

the waste time of it is much less.

Key Word: CAN, scheduling algorithm, LLF,HVDF,LVDF,ELVDF

目   录
摘  要
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
§1.1 本课题的研究背景............................................1
§1.1.1 CAN 总线的概述.........................................1
§1.1.2 调度算法的概述........................................3
§1.2 本课题的研究现状............................................4
§1.3 本课题的研究内容............................................5
第二章 灵活时间触发 CAN 协议..........................................6
§2.1 FTTCAN 协议概述.............................................6
§2.1.1 异步相与同步相........................................7
§2.1.2 基本周期的动态规划....................................8
§2.2 FTTCAN 协议的报文系统.......................................9
§2.2.1 同步报文系统..........................................9
§2.2.2 异步报文系统.........................................10
§2.3 FTTCAN 协议的可调度分析....................................11
§2.3.1 同步信息的可调度分析.................................12
§2.3.2 异步信息的可调度分析.................................12
§2.4 小结.......................................................13
第三章 调度算法研究.................................................14
§3.1 调度算法的概述.............................................14
§3.1.1 调度算法的分类.......................................14
§3.1.2 典型的调度算法.......................................15
§3.2 改进的调度算法.............................................17
§3.2.1 任务及符号的描述.....................................17
§3.2.2 LVDF 算法.............................................18
§3.2.3 ELVDF 算法............................................19
§3.3 调度算法的程序设计.........................................20
§3.3.1 LVDF 算法的程序设计...................................21
§3.3.2 ELVDF 算法的程序设计..................................22
§3.4 小结.......................................................23
第四章 实验平台设计.................................................24
III

§4.1 CAN 节点的设计.............................................24
§4.1.1 CAN 协议控制器........................................24
§4.1.2 电源单元的设计.......................................27
§4.1.3 复位单元的设计.......................................29
§4.1.4 ISP 下载单元的设计....................................30
§4.1.5 CAN 通信单元的设计....................................32
§4.2 实验平台的搭建.............................................33
§4.2.1 CAN 通信网络..........................................34
§4.2.2 数据采集部分.........................................34
§4.3 CAN 节点的程序设计.........................................35
§4.3.1 主节点的程序设计.....................................35
§4.3.2 从节点的程序设计.....................................37
§4.4 小结.......................................................38
第五章 实验设计及数据分析...........................................39
§5.1 仿真实验设计...............................................39
§5.1.1 实验报文的设计.......................................39
§5.1.2 仿真实验的设计.......................................41
§5.2 实验数据分析...............................................43
§5.2.1 调度过程的分析.......................................43
§5.2.2 统计结果的分析.......................................46
§5.3 小结.......................................................49
第六章 总结与展望...................................................50
§6.1 课题总结...................................................50
§6.2 研究展望...................................................50
附录一 CAN 节点俯视图................................................52
附录二 CAN 节点 PCB 图................................................53
参考文献............................................................54
 

第一章绪论

随着控制、计算机、通信和网络等技术的发展，信息交换和信息传输等领域正

在迅速覆盖从工厂的现场设备到控制和管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂

企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展引起了自动化系统结构的深刻变

革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应

这一形势发展起来的新技术。

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算

机局域网[1]。什么是现场总线？有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化

测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的总线，也有人把它称为开放式

数字化、多点通信的底层控制网络技术。根据国际电工委员会IEC 61158标准定义，

现场总线是指安装在生产过程区域的现场设备和仪表与控制室内的自动控制装置

和系统之间数字式、串行、多点、双向通信的数据总线[2]。

§1.1 本课题的研究背景

现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的。它的出现，标志着工

业控制技术领域又一个新时代的来临，并将对该领域的发展产生重大的影响。自

上个世纪 80 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响，并在一些特

定的应用领域显示了自己的优势，它们各有各的特点，也显示了较强的生命力，

对现场总线技术的发展已经发挥并将继续发挥较大的作用，其中基金会现场总线、

LonWorks、PROFIBUS、CAN 和HART 这几种总线的应用最为广泛，而CAN 总线

作为最具有发展前途的现场总线尤为人们所关注。

§1.1.1 CAN 总线的概述

CAN 全称 Controller Area Network，即控制器局域网，CAN 总线是国际上应

用最广泛的现场总线之一。CAN 总线是德国 Bosch 公司在1986 年为解决现代汽车

中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种多主方式的串行通信总线，采

用广播方式进行通信。众所周知，随着电子技术的发展，汽车的电子化程度越来

越高，很多功能都采用电子装置来控制实现，如发动机控制、变速箱控制、刹车控

制（ASC）以及复杂的抗锁定刹车系统（ABS）等。实现这些控制往往需要进行

大量数据的检测和交换，采用老式的点对点控制方式，即硬接信号线的方式不但

烦琐、昂贵且难以解决问题，但采用 CAN 总线的话则可以很好的解决这些问题。

CAN 总线调度算法的研究

目前世界上大多数的汽车都采用 CAN 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和

执行机构间的数据通信。

CAN 总线由于其卓越的性能，其应用范围已不再局限于汽车行业，在过程

工业、机械工业、纺织机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等诸多领域都得

到了很大的发展。CAN 属于总线式串行通信网络，采用了许多新技术与独特的设

计，与一般的通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

CAN 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤。

CAN 协议的一个最大特点就是废除了传统的站地址编码，采用对通信数据

块进行编码。数据块的标识符分为标准格式（ CAN2.0A ）和扩展格式

（CAN2.0B）两种，标准格式标识符由11 位二进制数组成，可达 2032 种；而扩

展格式标识符由29 位二进制数组成，几乎不受限制。这种编码方式使通信网络内

的节点个数在理论上不受限制，但在实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特

性所限制，主要取决于总线驱动电路。这种编码方式还可以使不同的节点同时接

收到相同的数据，这个特点在分布式控制系统中非常有用。

CAN 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其

他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。CAN

网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据

最多可在 134μs 内得到传输。CAN 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时

向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点

可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。CAN 只需通过

报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无

需专门的“调度”。

另外，CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8个，可满足

通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求；同时 8个字节不会

占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性，而且受干扰的概率也很低。CAN

协议采用 CRC 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。当

节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断节点与总线的联系，使总线上的

其他节点及通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN 的直接通信距离最远可

达10km（通信速率 5kbps 以下），通信速率最高可达 1Mbps（此时通信距离最

长为40m）。

CAN 协议也是建立在国际标准化组织的开放系统互连（ISO/OSI）标准模型

的基础上的，按照这个标准模型，CAN 结构被划分为两层：数据链路层和物理层，

其中数据链路层又分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）

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摘要随着现场总线技术在工业控制领域中的广泛应用，如何快速、高效、稳定的进行通信传输，如今已成为现场总线技术领域的研究热点之一。本文采用FTTCAN协议作为CAN总线系统的传输协议，在LLF算法和HVDF算法的基础上，提出了两种改进的算法——LVDF算法和ELVDF算法。本文针对LLF算法和HVDF算法的缺陷做了一些改进，提出了LVDF算法，该算法综合了LLF算法和HVDF算法这两种调度算法的调度考量指标——松弛度和价值密度，来设计优先级分配策略。LVDF算法是LLF算法和HVDF算法的一个折中算法，不会出现像这两种算法在某些特定情况下调度性能急剧下降的情形。针对LVDF算法在实验过程中表现出来...

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