基于主控同步的CAN總線多點實時數據采集技術

王　軍，曾獻輝

(1. 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)

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基于主控同步的CAN總線多點實時數據采集技術

王軍1,2，曾獻輝1,2

(1. 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)

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。

數據采集；CAN總線；主控同步；實時性

引用格式：王軍，曾獻輝. 基于主控同步的CAN總線多點實時數據采集技術[J].微型機與應用，2016,35(18)：69-71,77.

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。

1　RS-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。

圖1　RS-485網絡結構示意圖

2　CAN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。

圖2　CAN總線網絡結構示意圖

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。

圖3　雙絞線CAN總線電平標稱值

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

圖4　主控同步的CAN總線系統流程圖

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。

圖5　節點發送數據時刻圖

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。總線上所有上下線的節點如圖6所示。

圖6　節點上下線示意圖

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。

圖7　下線節點示意圖

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。

圖8　上線節點示意圖

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。

圖9　仿真平臺結構

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

表1　標準CAN與主控同步CAN對比結果

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。

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Multi-point real-time data capture technique for CAN bus based on master control synchronization

Wang Jun1,2，Zeng Xianhui1,2

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China； 2. Engineering Research Center of Digitized Textile &Apparel Technology, Ministry of Education, Shanghai 201620, China)

RS-485 bus and CAN bus are the most commonly used wired networking mode for data capturing in the industrial field , but both have their own limitations. Aiming at the problem of real-time data capturing on multi-point network，this paper proposes multi-point real-time data capture technique for CAN bus based on master control synchronization,which applies the thought of the RS-485 bus master control to data communication of CAN bus.It can effectively avoid data conflicts by the time synchronization of sending data to every point. The experimental results show that the new method can greatly improve the efficiency and reliability of data transmission and avoid access conflicts of CAN bus.

data capture; CAN bus; master control synchronization; real-time

TN919

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.020

2016-03-29)

王軍(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式智能系統。E-mail：297012858@qq.com。

曾獻輝(1974-)，男，博士，副教授，主要研究方向：數據挖掘，智能優化問題、決策與分析。