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引言 作為國際標準ISO11898和IS011519的控制器局域網(wǎng)CAN，雖然最初是為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的，但由于它在性能、可靠性等方面的突出優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。在CAN總線技術(shù)中，MAC機制是基本的和關(guān)鍵的部分之一。在CAN的技術(shù)規(guī)范中首先提到的就是仲裁，而仲裁規(guī)則是通過報文優(yōu)先級體現(xiàn)的。目前國內(nèi)外雖然對CAN報文優(yōu)先級有一些理論研究和分析，但尚未見到有文獻介紹有效的方法或手段來產(chǎn)生和檢測報文的優(yōu)先級。這在很大程度上阻礙了CAN總線的進一步研究與應(yīng)用。本文給出了一種CAN報文優(yōu)先級的產(chǎn)生與檢測方法，清晰地解析了CAN總線的非破壞性逐位仲裁機制。 1 CAN的MAC機制分析 CAN技術(shù)規(guī)范中的MAC機制是指對媒體訪問的控制／仲裁機制。CAN網(wǎng)絡(luò)上一個節(jié)點發(fā)送的報文可被網(wǎng)絡(luò)上所有其他節(jié)點監(jiān)聽并應(yīng)答。當總線開放時，任何 CAN節(jié)點均可開始發(fā)送報文；若多個節(jié)點同時開始發(fā)送報文，總線訪問沖突借助標識符進行逐位仲裁來解決。仲裁期間，每一個發(fā)送器都將發(fā)送的位電平與在總線上監(jiān)視到的電平進行比較。若相同，則該單元可以繼續(xù)發(fā)送；若不同，則該單元丟失仲裁，且須退出而不再發(fā)送后續(xù)位。 對于多個節(jié)點同時發(fā)送情況下總線訪問的仲裁，CAN采用的是帶優(yōu)先權(quán)的非破壞性逐位仲裁機制來解決總線沖突的；對于一個節(jié)點想要發(fā)送而另一個節(jié)點正在發(fā)送的總線訪問情況，CAN采用的是載波監(jiān)聽技術(shù)。這二者共同的基礎(chǔ)是CAN總線上一個節(jié)點發(fā)送的報文可被所有節(jié)點(包括自身)監(jiān)聽。帶優(yōu)先權(quán)的非破壞性逐位仲裁機制所依賴的其他基礎(chǔ)是顯性位(“O”)的優(yōu)先權(quán)高于隱性位(“l(fā)”)，即當一個隱性位和一個顯性位同時被發(fā)送至總線上時，總線上所出現(xiàn)的結(jié)果為一個顯性位，“非破壞性”即是對高優(yōu)先權(quán)的“O”而言的。參與逐位仲裁的位為仲裁場(11位標識符和RTR位，對于標準格式)，如圖1所示。 
2 硬件支持 CAN報文優(yōu)先級檢測系統(tǒng)由4個CAN通信節(jié)點組成，通過各節(jié)點的CAN—H和CAN—L端口并聯(lián)到總線上，總線兩端各接上一個120Ω左右的終端電阻，構(gòu)成一個閉合回路。4個節(jié)點的主體結(jié)構(gòu)是基本相同的，根據(jù)系統(tǒng)功能的需要每個節(jié)點在硬件結(jié)構(gòu)上又有所差別。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個節(jié)點均有鍵盤和顯示單元；節(jié)點1、2、3為發(fā)送節(jié)點，每個節(jié)點均有“啟動發(fā)送”按鈕；節(jié)點1還有“停止發(fā)送”按鈕，并可對CAN總線電平進行檢測，亦即可對CAN總線 MAC(媒體訪問控制)幀進行檢測；節(jié)點4為接收節(jié)點，可顯示接收到的報文。
3 CAN報文優(yōu)先級的產(chǎn)生與檢測方法 3．1 基本原理 根據(jù)CAN的MAC機制及仲裁規(guī)則，如果高優(yōu)先級的報文一直占用著總線，則其他低優(yōu)先級的報文將無法獲得仲裁，但是會嘗試重新發(fā)送。只有當高優(yōu)先級報文不再占用總線時，低優(yōu)先級的報文才可能發(fā)送成功。因此，檢測報文優(yōu)先級的前提和關(guān)鍵是如何讓不同優(yōu)先級的報文同時競爭總線。 為方便說明，首先命名標識符。節(jié)點1要發(fā)送兩種報文，將其發(fā)送報文標識符分別命名為SENT_ID_11和SENT_ID_12，將節(jié)點2和節(jié)點3發(fā)送報文標識符分別命名為SENT_ID_2和SENT_ID_3。報文的優(yōu)先級順序：SENT_ID_11>SENT_ID_2，SENT_ID_11>SENT_ID_3，SENT_ID_12>SENT_ID_2，SENT_ID_12>SENT_ID_3，SENT_ID_11 不同于SENT_ID_12，SENT_ID_2不同于SENT_ID_3。使節(jié)點1連續(xù)發(fā)送標識符為SENT_ID_11的報文，目的是讓高優(yōu)先級的報文占用總線，使總線一直處于“忙”的狀態(tài)。然后使節(jié)點2和節(jié)點3分別開始發(fā)送標識符為SENT_ID_2和SENT_ID_3報文，節(jié)點2、3發(fā)送的報文優(yōu)先級不同且均比節(jié)點1優(yōu)先級低。此時，節(jié)點2和3監(jiān)聽總線的結(jié)果是：發(fā)現(xiàn)有比其本身優(yōu)先級高的報文正在發(fā)送，因此要邊監(jiān)聽邊等待。這時節(jié)點l停止發(fā)送后，節(jié)點2和3會同時競爭總線，從而創(chuàng)造了使不同優(yōu)先級的報文同時競爭總線的條件。根據(jù)節(jié)點4接收到報文的先后順序即可驗證節(jié)點2和節(jié)點3所發(fā)報文的優(yōu)先級了，并且兩個節(jié)點發(fā)出的報文都被成功接收，也驗證了CAN總線的非破壞性仲裁機制。另外，通過節(jié)點1檢測到的MAC幀也能確定節(jié)點2和3的報文優(yōu)先級。這里要注意的是，SENT_ID_12的報文作為檢測開始的標志。使節(jié)點l停止連續(xù)發(fā)送報文，讓節(jié)點1再發(fā)送1幀ID為SENT_ID_12的報文，同時開始檢測總線電平，捕捉MAC幀。在第3次檢測到連續(xù)11個“l(fā)”時停止檢測，即第3幀報文結(jié)束時停止檢測。節(jié)點1將檢測到的MAC幀的各位值通過顯示單元順序地顯示出來，并與節(jié)點2和3發(fā)送的MAC幀相比較，可體現(xiàn)節(jié)點2和3的報文優(yōu)先級。這就雙方面驗證了報文優(yōu)先級，保證了準確性和可信度。 3．2 軟件實施 軟件實施是嚴格依據(jù)基本原理設(shè)計的，各個節(jié)點的軟件實施流程如圖3所示。流程的幾點說明：
①配置CAN位定時寄存器時要保證各節(jié)點的通信波特率嚴格一致； ②配置CAN接收碼和接收屏蔽寄存器時要保證節(jié)點1、2和3屏蔽總線上所有報文，節(jié)點4只接收來自節(jié)點2和節(jié)點3的報文； ③節(jié)點1軟件流程中第1次配置仲裁場、控制場及數(shù)據(jù)場是為連續(xù)報文發(fā)送作準備，第2次配置是為標定報文檢測起始標志作準備。 ④節(jié)點1軟件流程中第1次鍵盤掃描目的是為啟動連續(xù)報文發(fā)送，第2次鍵盤掃描是為停止連續(xù)報文發(fā)送。 ⑤CAN的MAC幀檢測是過檢測單元中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)的。 3．3 應(yīng)用實例 以CAN總線實驗系統(tǒng)為平臺，利用CAN總線優(yōu)先級檢測方法檢測報文優(yōu)先級的實例如表1、表2和表3所列。表1給出了各節(jié)點實際設(shè)置發(fā)送的報文；根據(jù)方法的基本原理，表2給出了報文過濾設(shè)置情況；表3給出了節(jié)點1實際檢測到的CAN的MAC幀(灰色陰影標示位為位填充)，其檢測到的順序從前到后依次是 SENT_ID_12、SENT_ID_2、SENT_ID_3，實際檢測情況與理論分析相符，進而報文優(yōu)先級得以驗證。另外，節(jié)點4液晶顯示接收到的報文順序也與理論分析相符合，更進一步證實了方法的可行性。
4 結(jié)論 ①CAN 的MAC機制是帶優(yōu)先級的非破壞性逐位仲裁機制，因此，CAN報文優(yōu)先級的產(chǎn)生應(yīng)以此為基礎(chǔ)。 ②本文提出了一種CAN報文優(yōu)先級產(chǎn)生與檢測的方法。該方法能夠直觀地展示CAN總線上信息優(yōu)先級的競爭情況，有助于深入掌握、理解CAN總線的報文優(yōu)先級、MAC機制及其相關(guān)技術(shù)內(nèi)容；有助于對CAN總線機理與實質(zhì)的深入研究，為更好地應(yīng)用CAN總線奠定了理論基礎(chǔ)。 ③本文所提出的方法已通過實驗系統(tǒng)驗證，結(jié)果證明該方法可行且效果良好。 參考文獻 1. 饒運濤.鄒繼軍.王進宏 現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù) 2007 2. 鄔寬明 現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用選編1,(上) 2003 3. 張向文.許學雷.吳林瑞 CAN 總線系統(tǒng)信號傳輸延時分析 [期刊論文] -導彈與航天運載技術(shù)2006(3) 4. George R.Kanayama Y A Rate-Monotonic Scheduler for the Real-time Control of Autonomous Robots 1996 5. Tindell K Calculating Controller Area Network Message Response Time 1995(8) 作者：佳木斯大學 姜重然 徐斌山 張琳 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2009 (3) |
