王軍1,2，曾獻輝1,2

　?。?. 東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620; 2.數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海 201620）

       摘要：RS-485總線與CAN總線是工業現場數據采集最常用的有線組網方式，它們均有各自的局限性。針對一類多節點網絡的數據實時采集問題，提出了基于主控同步的CAN總線多點實時數據采集技術，將RS485總線主控思想應用于CAN總線的數據通信中，通過對各節點發送數據時間的同步，有效地避免了節點間數據沖突問題。實驗結果證明了該方案能有效地提高數據傳輸的實時性和可靠性，解決了CAN總線訪問沖突。

　　關鍵詞：數據采集；CAN總線；主控同步；實時性

0引言

　　現場數據采集一般有CAN總線與RS485總線［1］兩種有線組網方式，但是RS485采用主從多址輪詢的方式，實現多址接入，輪詢周期隨著節點數量的增大而加長，影響數據傳輸的實時性。而CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，它可靠性高，且網絡內的節點個數在理論上不受限制，各節點之間實現自由通信。CAN總線［2-3］具有多主發送、采用確定性的優先級仲裁機制等特點，保證了CAN總線數據通信的可靠性、實時性和靈活性。在數據通信過程中，如果出現碰撞，低優先級的節點會主動退出，而最高優先級的節點可以不受影響繼續傳輸數據，從而大大節省了總線訪問沖突［45］仲裁時間，保證了傳輸數據的實時性。但是，在數據采集這種特殊環境下，由于各個節點的數據的優先級都是相同的，因此本文在標準CAN總線的基礎上，結合RS485的工作模式，提出了基于主控同步的CAN總線多點實時數據采集技術，它可以解決數據采集過程中總線沖突的問題，提高數據傳輸的可靠性與實時性。

　　1RS-485工作模式

　　RS-485是半雙工的工作模式，任何時候只能有一點處于發送狀態，它采用主從式多址輪詢方式實現多址接入，也就是說所有的節點共用一條總線，主節點按照地址依次輪流查詢各個從節點，被查詢的從節點返回數據或者空操作。由此可以看出，隨著節點的增多，輪詢的周期也會變長，這對數據的實時性傳輸具有很大的影響。RS-485的網絡結構示意圖如圖1所示。

2CAN總線協議和仲裁機制

　　CAN是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，CAN總線具有多主發送、采用確定性的優先級仲裁機制等特點，保證了CAN總線數據通信［6-7］的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線的網絡結構示意圖如圖2所示。

　　報文信號使用差分電壓［8］傳送，可以提高CAN總線傳輸數據的可靠性和傳輸距離。兩條信號線分別為CANH與CANL。這兩根線之間的電位差可以對應兩個不同的邏輯狀態進行編碼。如果CANH-CANL>2，此時狀態表示為邏輯 0，也可以叫作顯性。如果CANH-CANL=0，此時狀態表示為邏輯1，也可以叫作隱性。當總線上２個不同節點在同一位時間分別強加顯性和隱性時，總線上呈現顯性位，即顯性位可以覆蓋修改隱性位。電平標稱值如圖3所示。

　　在數據傳輸過程中，如果出現碰撞，低優先級的節點會主動退出，而最高優先級的節點可以不受影響繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間，保證了傳輸數據的實時性。但是這種靜態優先級機制［9-10］的一個缺點就是不能均等地為高優先級和低優先級站點分配帶寬，在網絡負載很大時，低優先級站點會在多次競爭總線使用權時失敗，從而導致低優先級站點消息傳輸產生不確定的延時，甚至無法發送。而在數據采集的環境下，各個節點采集到的數據沒有優先級之分，所以CAN總線的靜態優先級機制對于數據采集來說并不是最好的機制。

3主控同步的CAN總線

　　CAN總線的特點之一就是多主發送，各個站點在任何時候都可以隨機發送數據，如果在某一個時刻有２個或２個以上的站點要發送數據，就要通過非破壞性仲裁機制進行仲裁來競爭總線的使用權，標識符數值小的站點即優先級較高的站點可以獲得總線使用權，競爭失敗的站點則需等待下次重新競爭。在數據采集中，每個節點的優先級都是相同的，所以本文提出了主控同步的CAN總線多點實時數據采集技術，流程圖如圖4所示。

　　RS-485是主從結構，采用主從輪詢的方式，主節點依次詢問每個從節點。主從同步的CAN總線就是將主控節點應用在CAN總線上。

　　3.1靜態主控同步CAN總線

　　靜態主控同步CAN總線就是對CAN總線上的所有節點進行編號分別為1,2,3，…，n，所有節點都發送１次數據的時間稱為周期T，每個節點發送數據時間為t=T/n，主控節點可以控制開始發送數據的時間，在總線空閑時，總線廣播一次，此時可以發送數據，然后所有節點依次在自己規定的時間發送數據，第一個節點發送數據的時間為0-T/n，如果它的數據沒有發送完就停止發送，則在T/n時刻第二個節點開始發送數據，在2T/n時刻第三個節點發送數據，以此類推下去，直到最后個節點發送完數據，只要保證T/n合適，就可以讓每個節點順利地傳輸數據。每個節點發送數據的時刻與時間段如圖5所示。

　　CAN總線上的節點并不一定都是同時在線或者不在線，有可能突然故障或者斷線，也有可能突然上線，這樣節點發送數據就容易產生沖突。所以規定每個節點都是T/n的時間，不管該節點是否在線都占用T/n的時間段，以此來避免某個節點上線或者下線產生沖突。這是最簡單的也是最容易實現的結構，雖然提高了數據傳輸的可靠性，但是會浪費時間，不管幾個節點在線都需要一個周期T的時間才能進行下次數據的發送，傳輸的效率不高，對數據的實時性有一定的影響。

　　3.2動態主控同步CAN總線

　　由于靜態主控同步的缺陷性，在其基礎上本文又提出動態主控同步CAN總線來提高數據發送的實時性。在CAN總線初始化的時候，所有在線節點給主控節點報告自己在線的信息，此時，主控節點知道總線中所有節點的狀態，然后將所有節點狀態廣播給每個節點?？偩€上所有上下線的節點如圖6所示。

　　假如此時3和4號節點未上線，其余都正常上線且不會突然下線，那么，1號和2號正常發送數據，5號節點在2t~3t時間段內發送數據，其余的依次類推，則所有節點發完一次數據的時間為T-2t，比靜態主控同步少了2t，總線的周期從T變成了T-2t,提高了數據傳輸的實時性。w是每個上線節點給主控節點匯報所需要的時間，V=Xw，X是不在線節點的個數，Y為在線節點的個數，X+Y=n，Y×t=T1。在實際情況中不可避免地會出現某些節點（假如節點5）突然下線的情況,如圖7所示。

　　此時如果節點5突然從在線變成下線，所有節點收到的廣播還是只有3和4不在線，其余都在線，那么5號節點仍會占用一個t，6號節點仍然在第4個時間段t發送數據，保證了所有節點都可以按照自己的編號依次發送數據，當所有在線節點發送完數據后，主控節點根據收到的數據就可以判斷哪些節點（例如5號節點）中途下線，然后將這些信息再廣播到總線，之后其余在線節點就可以調節自己發送數據的時刻，那些下個周期下線的節點（5號）就不占用時間段，從而減少了時間的浪費，縮短了數據發送時間周期。

　　某個節點（4號）突然上線時，此時主控節點廣播的時候還是3與4號節點不在線，其余節點都在線的狀態，如圖6所示。此時如果4號節點突然上線，但是所有節點收到的廣播還是3與4號節點不在線，實際上4號節點已經在線，如圖8所示。

　　所有節點在依次發送完數據后會暫停時間段V，使得上線節點可以及時向總線匯報，使其在下個周期可以發送數據。

　　開始時主控節點廣播當前上線和下線的節點，每個在線節點收到的信息應該還是3和4號節點不在線，其余節點都在線，而實際上4號節點已經上線，要將自己的狀態匯報給主控節點，如果沒有緩沖時間片V，在2號節點發送完數據后5號節點發送數據，此時就會出現5號節點發送數據，同時4號節點也發送自己上線的信息，從而發生沖突。時間片V就解決了發送數據與匯報狀態的沖突問題。如圖8所示，如果只有3和4號節點不在線，那么V=2w，在第一個w里，由于4號節點上線，會向主控節點匯報自己在線，下個周期主控節點會將最新的從節點狀態廣播到總線上，因此從節點會重新安排上線節點（4號）發送數據的時刻與順序。如果出現連續兩個節點上線，那么這兩個節點就會出現仲裁，號數小的節點會優先向主控節點匯報，號數大的節點在下個w時間段內匯報給主控節點。這樣就解決了匯報狀態與發送數據的沖突問題。下個周期主控節點會刷新節點狀態廣播給所有的在線節點，剛上線的節點就擁有一個t時間段來發送數據，這樣就解決了動態主控同步CAN總線的節點突然上下線的問題。

4設計仿真實驗及結果分析

　　為了驗證在數據采集時，主控同步的CAN總線可以解決沖突問題和提高數據可靠性，設計了圖9所示的仿真平臺。

　　主控同步的CAN總線在采控集數據時，當時間周期為T時，所有節點都發送一次采集的數據的時間就是T，T越小，每個節點所分到的時間t就越短，當T小到某一個值時，可能會出現所有節點的數據都無法發送完，就會出現數據采集失敗。所以只有當t≥tmax時，每個節點都可以順利地向總線發送數據，tmax為所有測試節點中正常發送數據所需時間最長的時間。同時T=T1+V=Yt+Xw，由于w<t，因此T=T1+V<nt，隨著X的增多，Y的減少，T=T1+V越來越小，動態地減小了數據發送的周期，提高了實時性。

　　對于標準CAN，由于每個節點之間是不相關的，因此它們是獨立同分布的。假設總線空閑時每個節點發送數據的概率為P，數據發送過程中會發生沖突的概率為Px，總線空閑同時也沒有節點發送數據的概率為P0=C0nP0(1-P)n，總線空閑同時只有一個節點會發送數據的概率為P1=C1nP1(1-P)n-1，則Px=1-P0－P1=1-C0nP0(1-P)n-C1nP1(1-P)n-1=1-(1-P)n-nP(1-P)n-1。但是主控同步的CAN因為主控節點的緣故使得發生沖突的概率為0。標準CAN與主控同步CAN的實驗結果對比如表1所示。

　　通過表1對比可以看出主控同步CAN總線的沖突的概率為0，優于標準CAN，靜態主控同步CAN的數據傳輸的實時性比動態的差，因為在t和w變化的條件下，X和Y也動態地變化，從而動態地改變了總體消耗的時間T=T1+V，最終提高了數據傳輸的實時性，由此看出動態主控同步CAN更加適合數據采集的環境。

5結論

　　本文通過分析RS485和CAN總線的仲裁機制，在標準CAN的基礎上提出了基于主控同步的CAN總線，它能

　　夠解決數據沖突的問題，避免了仲裁，提高數據傳輸的實時性與可靠性。靜態主控同步的CAN總線可以提高數據的可靠性，但是會浪費一些時間段T/n，所以在此基礎上提出了動態主控同步的CAN總線。通過對比發現，動態主控同步可以提高數據傳輸的實時性和可靠性，所以在數據采集這個特殊的背景下，動態主控同步的CAN總線有著自己獨特的優勢。

　　參考文獻

　?。?］ 彭剛，徐慶江．基于STM32單片機的RS485總線分布式數據采集系統設計［J］．伺服控制，2011(2)：64-66.

　?。?］ 龍志強.CAN總線技術與應用系統設計［M］．北 京: 機械工業出版社，2013.

　?。?］ 鄧婕．CAN 總線通信原理分析［J］．電子設計工程，2012,20(7)：104-106．

　?。?］ 劉向明，方建安.CAN總線網絡的實時性研究和改進［J］．現代電子技術，2011，34(22)：46-49.

　?。?］ DVIS R I，BURNS A，BRIL R J，et al．Controller area network (CAN) schedulability analysis:refuted，revisited and revised［J］．RealTime Systems，2007，-35(3)：239-272．

　?。?］ 紀文志，陳國忠，唐加山.基于 CAN 總線智能節點的設計與實現［J］．微型機與應用，2012，31(2)：44-46.

　?。?］ 陳瑛，宋俊磊，王典洪.CAN 總線在野外地震數據傳輸中的應用［J］．電子技術應用，2013，39(9)：34-36.

　?。?］ 牛躍聽.CAN總線應用層協議實例解析［D］．北京:北京航空航天大學，2014.

　?。?］ 孫鵬，沈顯慶，周杰．CAN總線協議的改進及 性能驗證［J］．現代科學儀器，2010(5)：35-37.

　　［10］ 陳飛，謝建.基于CAN總線的網絡監控系統調度算法研究與改進［J］．計算機與現代化，2015(1)：92-95.