第8章CAN總線實(shí)時(shí)分析

第8章CAN總線實(shí)時(shí)分析第一頁(yè)，共22頁(yè)。8.1CAN控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題的提出8.4CAN實(shí)時(shí)性分析第二頁(yè)，共22頁(yè)。8.1CAN控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題的提出8CAN實(shí)時(shí)性分析當(dāng)需要構(gòu)建的典型多級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，CAN能否滿足工控系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性能的苛刻要求，成為了首當(dāng)其沖的問(wèn)題。對(duì)于控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能分析，本節(jié)將主要從網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的延時(shí)問(wèn)題和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文延時(shí)變化問(wèn)題兩個(gè)方面加以論述。第三頁(yè)，共22頁(yè)。8.1CAN控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題的提出8CAN實(shí)時(shí)性分析

CAN網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文信息延時(shí)即：從待發(fā)送數(shù)據(jù)在總線節(jié)點(diǎn)A中間開(kāi)始變化，直到其在另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)B中得到確認(rèn)，這期間的總的開(kāi)銷(xiāo)時(shí)間。下面通過(guò)針對(duì)兩個(gè)典型CAN節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，來(lái)分析CAN控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能。其結(jié)構(gòu)圖如下圖：第四頁(yè)，共22頁(yè)。8.2CAN總線延時(shí)分析

根據(jù)CAN控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的方向可以看出，CAN網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文信息延時(shí)由以下三部份組成。

1、幀延時(shí):由信息串行化導(dǎo)致的延時(shí)；2、軟件延時(shí)與CAN控制器延時(shí):軟件延時(shí)是應(yīng)用進(jìn)程中，主CPU將數(shù)據(jù)從CAN控制器中讀出/寫(xiě)入并作初步處理所耗費(fèi)的時(shí)間,CAN控制器的延時(shí)主要是CAN控制器為實(shí)現(xiàn)接收/發(fā)送緩存器中的信息和串行化的信息的相互轉(zhuǎn)化所開(kāi)銷(xiāo)的時(shí)間，另外還有收發(fā)器的延時(shí).

3、媒體訪問(wèn)延時(shí):是不同優(yōu)先級(jí)報(bào)文搶奪總線資源時(shí)的總線沖突延時(shí)。8CAN實(shí)時(shí)性分析第五頁(yè)，共22頁(yè)。1、幀延時(shí)分析

幀延時(shí)即報(bào)文信息的傳輸延時(shí)，由幀長(zhǎng)度和總線的傳輸速率決定。

綜合幀長(zhǎng)度、波特率和填充位的影響，針對(duì)擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀，得到其在最大傳輸速率條件下對(duì)應(yīng)不同數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)的延時(shí)參數(shù)，具體如下表所示（波特率為1Mbit/s，延時(shí)單位為微秒）表擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀幀延時(shí)參數(shù)8CAN實(shí)時(shí)性分析數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度012345678擴(kuò)展幀的幀延時(shí)不含填充位6472808896104112120128含最大填充位748494103113122132142151第六頁(yè)，共22頁(yè)。8CAN實(shí)時(shí)性分析下表給出了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀之間的延時(shí)差。由于CAN控制網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文信息大部分是短幀信息，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)較少，則識(shí)別符的差異導(dǎo)致的延時(shí)差異將達(dá)到30～40％，所以幀格式對(duì)延時(shí)信息的影響是巨大的。表8標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀延時(shí)差別數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度012345678延時(shí)差別（％）不含填充位45.538.533.329.426.323.821.72018.5含最大填充位46.238.733.329.626.42421.82018.5第七頁(yè)，共22頁(yè)。2.軟件及控制器延時(shí)分析(非幀延時(shí))

軟件和控制器導(dǎo)致的延時(shí)與具體應(yīng)用、主控器、CAN控制器和接口芯片有關(guān)?？傃訒r(shí)包括從發(fā)送進(jìn)程往CAN控制器的發(fā)送緩存器中寫(xiě)第一個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始，一直到接收進(jìn)程中將接收緩存器中的有關(guān)數(shù)據(jù)全部讀出的整個(gè)時(shí)間段。8CAN實(shí)時(shí)性分析第八頁(yè)，共22頁(yè)。2.軟件及控制器延時(shí)分析(非幀延時(shí))

理論計(jì)算困難,通過(guò)測(cè)試確定。時(shí)間的測(cè)量可通過(guò)主控器控制主板上的計(jì)數(shù)芯片來(lái)獲取，精度為1微秒,測(cè)量過(guò)程考慮填充位的影響，測(cè)量樣本容量是10000次，延時(shí)參數(shù)取均值。

8CAN實(shí)時(shí)性分析第九頁(yè)，共22頁(yè)。8CAN實(shí)時(shí)性分析

表8.6固定的報(bào)文在不同發(fā)送波特率條件下的延時(shí)位速率bit/s5K20K50K100K125K250K500K1M非幀延時(shí)（us）1字節(jié)數(shù)據(jù)報(bào)文200.355.346.937.734.433.532.732.14字節(jié)數(shù)據(jù)報(bào)文200.557.453.457.957.053.152.952.38字節(jié)數(shù)據(jù)報(bào)文201.0105.287.387.080.380.279.579.2

從表8.6可以看到，對(duì)于發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)字節(jié)的報(bào)文，在發(fā)送位速率增加的情況下，其非幀延時(shí)數(shù)據(jù)的相對(duì)穩(wěn)定性可以看出，發(fā)送速率對(duì)非幀延時(shí)的影響有限。綜合上述二表可以得知，CAN網(wǎng)絡(luò)在中高速通信時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是影響非幀延時(shí)的主要因素。CAN控制網(wǎng)絡(luò)用于過(guò)程控制中時(shí)，因?yàn)閷?duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，則其通信速率一般50Kbps，從而CAN網(wǎng)絡(luò)的軟件延時(shí)及控制器延時(shí)將在30us～100us之間變化。第十頁(yè)，共22頁(yè)。3、媒體訪問(wèn)延時(shí)分析據(jù)上面分析可知，如CAN控制網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量很少且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很小，那么網(wǎng)絡(luò)信息延時(shí)基本上是由幀長(zhǎng)度、位速率、應(yīng)用進(jìn)程和控制器決定。但是隨著工業(yè)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高，其復(fù)雜性也隨之提高，這樣系統(tǒng)中的控制節(jié)點(diǎn)將越來(lái)越多，而控制網(wǎng)絡(luò)中信息流也將急劇增加。在這樣的一個(gè)多節(jié)點(diǎn)、高負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，由報(bào)文搶占總線資源而引起的媒體訪問(wèn)延時(shí)將凸顯其重要性。因此對(duì)媒體訪問(wèn)延時(shí)的分析對(duì)于設(shè)計(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，將具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于一個(gè)總線型控制網(wǎng)絡(luò)，要對(duì)其媒體訪問(wèn)延時(shí)性能進(jìn)行分析，須建立一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，并進(jìn)行離散時(shí)間系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)加以驗(yàn)證。8CAN實(shí)時(shí)性分析第十一頁(yè)，共22頁(yè)。

根據(jù)CAN規(guī)范2.0B，CAN控制網(wǎng)絡(luò)可視作一個(gè)帶優(yōu)先級(jí)的排隊(duì)系統(tǒng)。假設(shè)其系統(tǒng)容量無(wú)限、顧客來(lái)源無(wú)限（當(dāng)系統(tǒng)容量較大時(shí)，引入的誤差很?。?，服務(wù)策略采用不占先服務(wù)(Non-preemptive）。設(shè)CAN控制網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文依優(yōu)先級(jí)分為從1到v-1的v個(gè)等級(jí)。對(duì)應(yīng)識(shí)別符與優(yōu)先級(jí)的關(guān)系，設(shè)定等級(jí)i越小的報(bào)文優(yōu)先級(jí)越高。各個(gè)等級(jí)的報(bào)文均以泊松模式進(jìn)入系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)各個(gè)報(bào)文的平均服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布，具備馬爾可夫特性。

這里選定含32個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制網(wǎng)絡(luò)作為建模對(duì)象，其報(bào)文優(yōu)先級(jí)分布在0到31之間；各個(gè)優(yōu)先級(jí)的報(bào)文的到達(dá)速率相等；相應(yīng)服務(wù)速率均為單位時(shí)間。圖8.9為不同負(fù)載條件下對(duì)應(yīng)各優(yōu)先級(jí)報(bào)文的等待延時(shí)曲線。

8CAN實(shí)時(shí)性分析第十二頁(yè)，共22頁(yè)。8CAN實(shí)時(shí)性分析圖8.9網(wǎng)絡(luò)模型的延時(shí)性能（建模）第十三頁(yè)，共22頁(yè)?？梢钥闯觯W(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)報(bào)文信息的等待延時(shí)有著巨大的影響；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小(<50%)的時(shí)候，各優(yōu)先級(jí)報(bào)文的延時(shí)沒(méi)有明顯差別，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載<10%，CAN控制網(wǎng)絡(luò)幾乎能保證各個(gè)優(yōu)先級(jí)報(bào)文的實(shí)時(shí)發(fā)送。同時(shí)優(yōu)先級(jí)對(duì)等待延時(shí)影響亦是巨大的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高且各優(yōu)先級(jí)的報(bào)文分布比較均衡的時(shí)候，優(yōu)先級(jí)i<v/2的報(bào)文基本能得到及時(shí)發(fā)送，但隨著優(yōu)先級(jí)繼續(xù)增加，其網(wǎng)絡(luò)延時(shí)劇增，將無(wú)法滿足控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

8CAN實(shí)時(shí)性分析第十四頁(yè)，共22頁(yè)。

延時(shí)的變化有諸多方面的原因：首先是由于媒體訪問(wèn)沖突導(dǎo)致的延時(shí)變化；其次是由于填充位的變化導(dǎo)致的延時(shí)變化；另外還有諸如器件引起的延時(shí)變化等。8CAN實(shí)時(shí)性分析8.3CAN總線延時(shí)變化分析第十五頁(yè)，共22頁(yè)。1.媒體訪問(wèn)沖突導(dǎo)致的延時(shí)變化上面我們已經(jīng)分析，網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載對(duì)平均等待延時(shí)影響巨大。但是即使在同一平均網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下，由于微觀網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的差異，將導(dǎo)致完全相同的兩個(gè)報(bào)文的延時(shí)有巨大差異。一個(gè)極端的情況是某一時(shí)間段網(wǎng)絡(luò)微觀負(fù)載為零，報(bào)文信息立即得到發(fā)送；但是在另外一個(gè)時(shí)間段，網(wǎng)絡(luò)的微觀負(fù)載為滿負(fù)荷運(yùn)行，如該報(bào)文優(yōu)先級(jí)不占優(yōu)勢(shì)的話，這將導(dǎo)致極大的延時(shí)。8CAN實(shí)時(shí)性分析8.3CAN總線延時(shí)變化分析第十六頁(yè)，共22頁(yè)。8CAN實(shí)時(shí)性分析

不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的報(bào)文延時(shí)變化，上圖即為網(wǎng)絡(luò)沖突仿真中，各優(yōu)先級(jí)報(bào)文的延時(shí)變化，延時(shí)變化大小用同優(yōu)先級(jí)報(bào)文的最大最小延時(shí)差值來(lái)度量。第十七頁(yè)，共22頁(yè)。8CAN實(shí)時(shí)性分析分析結(jié)論：（1）網(wǎng)絡(luò)的平均負(fù)載對(duì)延時(shí)變化的影響是巨大的，隨著平均負(fù)載的提高，報(bào)文的最大最小等待延時(shí)的差值隨之增加。（2）高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文的延時(shí)變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不敏感。

第十八頁(yè)，共22頁(yè)。8CAN實(shí)時(shí)性分析2.填充位導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)變化

在實(shí)際應(yīng)用中間，填充位可導(dǎo)致0%～15%的幀延時(shí)波動(dòng)。由于其影響是隨機(jī)的，所以只能從統(tǒng)計(jì)特性上對(duì)填充位的影響加以分析。在實(shí)際仿真中，針對(duì)使用幾率最高的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行仿真試驗(yàn),設(shè)定采樣樣本容量為100萬(wàn)；同時(shí)在仿真過(guò)程中，應(yīng)注意報(bào)文中控制信息、數(shù)據(jù)信息與CRC場(chǎng)的耦合關(guān)系，以及一些特殊的位約束。

第十九頁(yè)，共22頁(yè)。3.其他延時(shí)變化

在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，即使在完全相同的測(cè)試條件下，同一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間報(bào)文發(fā)送方向的差異也將導(dǎo)致較為明顯的延時(shí)變化。該延時(shí)變化主要由控制器以及外接晶振差異所致。另外還發(fā)現(xiàn)即使是發(fā)送方向也相同，所得到的報(bào)文延時(shí)仍程一定的散布。此兩種延時(shí)變化原理上不可避免，但其不受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響，且影響較小。

8CAN實(shí)時(shí)性分析第二十頁(yè)，共22頁(yè)。

對(duì)于一個(gè)典型的控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，其信息響應(yīng)時(shí)間要求為0.01～0.05Sec。而通過(guò)上述對(duì)CAN總線實(shí)時(shí)性能分析可知，網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能有著巨大的影響。當(dāng)一個(gè)CAN控制網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率100Kbps，其網(wǎng)絡(luò)負(fù)載50%，且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況平穩(wěn)，則完全能夠保證控制信息在1～10ms內(nèi)得到準(zhǔn)確傳送。如果進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸