灵活的时间触发CAN通信协议的研究
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I
摘 要
控制器局域网络（CAN）以其成本低、实时处理能力要强、抗强电磁干扰、可
靠性高等特点，广泛应用在汽车电子和工业领域。如何结合 CAN 的灵活性和 TTCAN
的时间性已成为国内外学者研究的热点，葡萄牙学者 Almeida 等人提出了 FTTCAN
的概念。本文通过对调度表在线生成机制和调度算法的研究与改进，实现了灵活
的时间触发 CAN 通信。
本文借鉴了 FTTCAN 关于事件触发和时间触发结合的通信机制。将基本周期分
为异步窗口和同步窗口，分别进行非周期报文和周期报文的传输；在两者之间插
入空闲时间，实现非周期报文和周期报文的时间隔离。本文提出了在线生成调度
表的策略，即一个调度周期完成后，主节点再根据系统中节点的信息生成下一个
调度表，实现了调度表的在线动态生成。本文对 EDF 算法进行了改进，在截止期
越早优先级越高的基础上，加入了报文周期的概念，即如果两个报文的截止期相
同，就比较两者的周期，谁的周期越短优先级越高，要优先发送。本文还对主节
点进行了冗余设计，加入了备用主节点，增加了系统的可靠性。
通过设计 CAN 节点，搭建实验平台对该机制进行实验分析，证明该协议不仅
可以满足事件触发的灵活性，而且也可以满足时间触发的时间性。本文提出的通
信机制和调度算法对 CAN 灵活可靠应用具有一定的参考价值。
关键词：时间触发 事件触发 空闲时间 EDF
II
ABSTRACT
Controller area network (CAN) is widely used in automotive electronics and
industrial fields because of its lower cost, better ability to deal with real-time, strong
anti-electromagnetic interference, high reliability etc. How to combine flexibility in
CAN and timeliness in TTCAN has been a research hotspot for civil and foreign
scholars, FTTCAN was proposed by Almeida from Portugal. According to researching
the mechanism of making schedule table online and scheduling algorithm, this paper
implemented flexible TTCAN communication.
This paper refers to FTTCAN about the communication mechanism of combining
event-triggered and time-triggered, dividing the basic cycle into asynchronous window
and synchronous window, in which transmitting the aperiodic messages and periodic
messages respectively. An idle is inserted time between them to realize the temporal
isolation, which avoids the former disturbing the latter. This paper proposes a
mechanism of making schedule online, namely the master node will make the next
schedule table by the information of slave nodes after the current schedule cycle. This
paper improves the EDF algorithm, adding a concept of message cycle. When two
messages with the same deadline, then compare their cycles, the one with the shorter
cycle will be higher priority. This paper also design a redundant node for master node,
increasing the reliably of system.
By designing CAN node and building experimental network to analyze the
mechanism, indicating that the protocol not only satisfy the flexibility in event-triggered,
but also satisfy the timeliness in time-triggered. The communication mechanism and
scheduling algorithm proposed by this paper is valuable for applying CAN bus flexibly
and reliably.
Key Word: Time-triggered, Event-triggered, Idle time, EDF
目 录
摘 要 ............................................................... I
ABSTRACT ............................................................ II
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 现场总线技术介绍 ........................................... 1
§1.1.1 现场总线的发展 ........................................ 1
§1.1.2 现场总线系统的优点 .................................... 2
§1.1.3 现场总线系统在技术上具有的特点 ........................ 2
§1.2 课题背景 ................................................... 3
§1.3 CAN 总线的概况 .............................................. 3
§1.3.1 CAN 总线的特点 ........................................ 3
§1.3.2 CAN 总线国内外研究概况 ................................ 4
§1.4 本课题研究的内容 ........................................... 5
第二章 TTCAN 通信协议分析 ............................................ 7
§2.1 TTCAN 与 CAN 的关系 .......................................... 7
§2.2 时间触发方式 ............................................... 8
§2.3 基于 CAN 的时间触发方式 ..................................... 9
§2.4 TTCAN 协议的基本原理 ........................................ 9
§2.4.1 TTCAN 的同步调度机制 .................................. 9
§2.4.2 TTCAN 的矩阵周期 ..................................... 10
§2.4.3 TTCAN 中事件同步的基本周期 ........................... 11
§2.4.4 TTCAN 的参考报文 ..................................... 12
§2.4.5 TTCAN 的时间与同步特性 ............................... 14
§2.4.6 TTCAN 的周期时间 ..................................... 15
§2.4.7 TTCAN 的全局时间与时间漂移补偿 ....................... 15
§2.5 TTCAN 协议的错误监测机制 ................................... 17
§2.5.1 TTCAN 时间主节点的容错机制 ........................... 17
§2.5.2 TTCAN 网络的容错机制 ................................. 17
§2.6 TTCAN 的局限性 ............................................. 18
§2.7 本章小结 .................................................. 18
第三章 灵活的时间触发 CAN 协议研究 ................................... 19
§3.1 事件触发通信机制 .......................................... 19
§3.1.1 事件触发通信机制的灵活性 ............................. 19
§3.1.2 事件触发通信机制的确定性 ............................. 20
§3.2 时间触发通信机制 .......................................... 20
§3.2.1 时间触发通信机制的灵活性 ............................. 20
§3.2.2 时间触发通信机制的确定性 ............................. 21
§3.3 时间触发和事件触发通信机制的结合 .......................... 21
§3.4 异步窗口和同步窗口 ........................................ 22
§3.5 灵活的时间触发 CAN 协议的同步报文系统 ...................... 23
§3.5.1 同步报文请求表 ....................................... 23
§3.5.2 同步报文的灵活调度 ................................... 24
§3.5.3 同步通信的调度 ....................................... 24
§3.5.4 影响同步通信时间行为的因素 ........................... 25
§3.6 灵活的时间触发 CAN 协议的异步报文系统 ...................... 25
§3.6.1 异步报文系统的通信服务 ............................... 26
§3.6.2 异步传输调度 ......................................... 26
§3.7 静态调度和动态调度 ........................................ 27
§3.7.1 静态调度 ............................................. 28
§3.7.2 动态调度 ............................................. 29
§3.8 错误对灵活的时间触发 CAN 协议的影响 ........................ 30
§3.9 本章小结 .................................................. 30
第四章 灵活的时间触发 CAN 的实验平台设计 ............................. 31
§4.1 节点硬件系统总体设计 ...................................... 31
§4.2 CAN 控制器的选择 ........................................... 31
§4.3 节点各功能模块的设计 ...................................... 33
§4.3.1 电源部分的设计 ....................................... 33
§4.3.2 CAN 通信部分的设计 ................................... 34
§4.3.3 ISP 下载部分设计 ..................................... 35
§4.3.4 复位部分设计 ......................................... 36
§4.4 硬件系统的可靠性与电磁兼容性设计 .......................... 36
§4.4.1 电磁兼容概念 ......................................... 36
§4.4.2 设计方法 ............................................. 37
§4.5 实验系统设计 .............................................. 38
§4.5.1 硬件冗余 ............................................. 39
§4.5.2 信息冗余 ............................................. 39
§4.5.3 时间冗余 ............................................. 40
§4.5.4 软件冗余 ............................................. 40
§4.5.5 容错技术的发展趋势 ................................... 40
§4.5.6 实验网络搭建 ......................................... 41
§4.6 本章小结 .................................................. 41
第五章 灵活的时间触发 CAN 的软件设计 ................................. 42
§5.1 软件设计 .................................................. 42
§5.2 程序调式 .................................................. 43
§5.2.1 Keil c51 开发平台 .................................... 43
§5.2.1 在片上调试 ........................................... 44
§5.3 实验平台设计 .............................................. 45
§5.4 报文属性设置 .............................................. 45
§5.4.1 报文最大传输时间 ..................................... 45
§5.4.2 报文时间属性 ......................................... 46
§5.4.3 调度表的构造 ......................................... 46
§5.5 实验数据分析 .............................................. 47
§5.6 本章小结 .................................................. 47
第六章 总结与展望 ................................................... 48
§6.1 全文工作总结 .............................................. 48
§6.2 未来工作展望 .............................................. 48
附录一 CAN 节点俯视图 ............................................... 50
附录二 CAN 节点 PCB 图 ............................................... 51
参考文献 ............................................................ 52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 55
致 谢 .............................................................. 56
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 现场总线技术介绍
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点
数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络[1]。现场总
线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断
增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实现整
个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备
之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。
图1.1为现场总线级与车间级自动化监控网络集成示意图。
图1.1 现场总线级与车间级自动化监控网络集成示意图
§1.1.1 现场总线的发展
1983年，Honeywell推出了智能化仪表，它在原模拟仪表的基础上增加了计算
功能的微处理器芯片，在输出的4～20mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控
制室之间的连接模拟信号变为数字信号。之后，世界上各大公司推出了各种智能
仪表，智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了基础。
智能仪表的出现虽然为现场信号的数字化提供了条件，但不同厂商提供的设
摘要：
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I摘要控制器局域网络（CAN）以其成本低、实时处理能力要强、抗强电磁干扰、可靠性高等特点，广泛应用在汽车电子和工业领域。如何结合CAN的灵活性和TTCAN的时间性已成为国内外学者研究的热点，葡萄牙学者Almeida等人提出了FTTCAN的概念。本文通过对调度表在线生成机制和调度算法的研究与改进，实现了灵活的时间触发CAN通信。本文借鉴了FTTCAN关于事件触发和时间触发结合的通信机制。将基本周期分为异步窗口和同步窗口，分别进行非周期报文和周期报文的传输；在两者之间插入空闲时间，实现非周期报文和周期报文的时间隔离。本文提出了在线生成调度表的策略，即一个调度周期完成后，主节点再根据系统中节点的信息...
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