第8章CAN總線實時分析

第8章CAN總線實時分析第一頁，共22頁。8.1CAN控制系統(tǒng)的實時性問題的提出8.4CAN實時性分析第二頁，共22頁。8.1CAN控制系統(tǒng)的實時性問題的提出8CAN實時性分析當(dāng)需要構(gòu)建的典型多級控制系統(tǒng)時，CAN能否滿足工控系統(tǒng)對實時性能的苛刻要求，成為了首當(dāng)其沖的問題。對于控制網(wǎng)絡(luò)的實時性能分析，本節(jié)將主要從網(wǎng)絡(luò)報文的延時問題和網(wǎng)絡(luò)報文延時變化問題兩個方面加以論述。第三頁，共22頁。8.1CAN控制系統(tǒng)的實時性問題的提出8CAN實時性分析

CAN網(wǎng)絡(luò)中報文信息延時即：從待發(fā)送數(shù)據(jù)在總線節(jié)點A中間開始變化，直到其在另外一個節(jié)點B中得到確認，這期間的總的開銷時間。下面通過針對兩個典型CAN節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，來分析CAN控制網(wǎng)絡(luò)的實時性能。其結(jié)構(gòu)圖如下圖：第四頁，共22頁。8.2CAN總線延時分析

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)的報文信息延時由以下三部份組成。

1、幀延時:由信息串行化導(dǎo)致的延時；2、軟件延時與CAN控制器延時:軟件延時是應(yīng)用進程中，主CPU將數(shù)據(jù)從CAN控制器中讀出/寫入并作初步處理所耗費的時間,CAN控制器的延時主要是CAN控制器為實現(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)化所開銷的時間，另外還有收發(fā)器的延時.

3、媒體訪問延時:是不同優(yōu)先級報文搶奪總線資源時的總線沖突延時。8CAN實時性分析第五頁，共22頁。1、幀延時分析

幀延時即報文信息的傳輸延時，由幀長度和總線的傳輸速率決定。

綜合幀長度、波特率和填充位的影響，針對擴展數(shù)據(jù)幀，得到其在最大傳輸速率條件下對應(yīng)不同數(shù)據(jù)字節(jié)時的延時參數(shù)，具體如下表所示（波特率為1Mbit/s，延時單位為微秒）表擴展數(shù)據(jù)幀幀延時參數(shù)8CAN實時性分析數(shù)據(jù)字節(jié)長度012345678擴展幀的幀延時不含填充位6472808896104112120128含最大填充位748494103113122132142151第六頁，共22頁。8CAN實時性分析下表給出了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀之間的延時差。由于CAN控制網(wǎng)絡(luò)的報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，則識別符的差異導(dǎo)致的延時差異將達到30～40％，所以幀格式對延時信息的影響是巨大的。表8標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀延時差別數(shù)據(jù)字節(jié)長度012345678延時差別（％）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，共22頁。2.軟件及控制器延時分析(非幀延時)

軟件和控制器導(dǎo)致的延時與具體應(yīng)用、主控器、CAN控制器和接口芯片有關(guān)。總延時包括從發(fā)送進程往CAN控制器的發(fā)送緩存器中寫第一個數(shù)據(jù)開始，一直到接收進程中將接收緩存器中的有關(guān)數(shù)據(jù)全部讀出的整個時間段。8CAN實時性分析第八頁，共22頁。2.軟件及控制器延時分析(非幀延時)

理論計算困難,通過測試確定。時間的測量可通過主控器控制主板上的計數(shù)芯片來獲取，精度為1微秒,測量過程考慮填充位的影響，測量樣本容量是10000次，延時參數(shù)取均值。

8CAN實時性分析第九頁，共22頁。8CAN實時性分析

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

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

根據(jù)CAN規(guī)范2.0B，CAN控制網(wǎng)絡(luò)可視作一個帶優(yōu)先級的排隊系統(tǒng)。假設(shè)其系統(tǒng)容量無限、顧客來源無限（當(dāng)系統(tǒng)容量較大時，引入的誤差很小），服務(wù)策略采用不占先服務(wù)(Non-preemptive）。設(shè)CAN控制網(wǎng)絡(luò)中的報文依優(yōu)先級分為從1到v-1的v個等級。對應(yīng)識別符與優(yōu)先級的關(guān)系，設(shè)定等級i越小的報文優(yōu)先級越高。各個等級的報文均以泊松模式進入系統(tǒng)。系統(tǒng)對各個報文的平均服務(wù)時間服從指數(shù)分布，具備馬爾可夫特性。

這里選定含32個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制網(wǎng)絡(luò)作為建模對象，其報文優(yōu)先級分布在0到31之間；各個優(yōu)先級的報文的到達速率相等；相應(yīng)服務(wù)速率均為單位時間。圖8.9為不同負載條件下對應(yīng)各優(yōu)先級報文的等待延時曲線。

8CAN實時性分析第十二頁，共22頁。8CAN實時性分析圖8.9網(wǎng)絡(luò)模型的延時性能（建模）第十三頁，共22頁。可以看出，網(wǎng)絡(luò)負載對報文信息的等待延時有著巨大的影響；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載較小(<50%)的時候，各優(yōu)先級報文的延時沒有明顯差別，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載<10%，CAN控制網(wǎng)絡(luò)幾乎能保證各個優(yōu)先級報文的實時發(fā)送。同時優(yōu)先級對等待延時影響亦是巨大的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載較高且各優(yōu)先級的報文分布比較均衡的時候，優(yōu)先級i<v/2的報文基本能得到及時發(fā)送，但隨著優(yōu)先級繼續(xù)增加，其網(wǎng)絡(luò)延時劇增，將無法滿足控制網(wǎng)絡(luò)對實時性的要求。

8CAN實時性分析第十四頁，共22頁。

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

不同網(wǎng)絡(luò)負載下的報文延時變化，上圖即為網(wǎng)絡(luò)沖突仿真中，各優(yōu)先級報文的延時變化，延時變化大小用同優(yōu)先級報文的最大最小延時差值來度量。第十七頁，共22頁。8CAN實時性分析分析結(jié)論：（1）網(wǎng)絡(luò)的平均負載對延時變化的影響是巨大的，隨著平均負載的提高，報文的最大最小等待延時的差值隨之增加。（2）高優(yōu)先級的報文的延時變化對網(wǎng)絡(luò)負載不敏感。

第十八頁，共22頁。8CAN實時性分析2.填充位導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)延時變化

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

第十九頁，共22頁。3.其他延時變化

在實際測量應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，即使在完全相同的測試條件下，同一對節(jié)點之間報文發(fā)送方向的差異也將導(dǎo)致較為明顯的延時變化。該延時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，所得到的報文延時仍程一定的散布。此兩種延時變化原理上不可避免，但其不受網(wǎng)絡(luò)負載的影響，且影響較小。

8CAN實時性分析第二十頁，共22頁。

對于一個典型的控制網(wǎng)絡(luò)來說，其信息響應(yīng)時間要求為0.01～0.05Sec。而通過上述對CAN總線實時性能分析可知，網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)負載對控制網(wǎng)絡(luò)實時性能有著巨大的影響。當(dāng)一個CAN控制網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率100Kbps，其網(wǎng)絡(luò)負載50%，且網(wǎng)絡(luò)運行狀況平穩(wěn)，則完全能夠保證控制信息在1～10ms內(nèi)得到準(zhǔn)確傳送。如果進一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸