基于CAN總線的碼頭岸電監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

摘要：隨著我國”節(jié)能減排”的勢在必行，船舶靠港期間使用碼頭岸電以及岸電供給的智能監(jiān)控已經(jīng)成為當(dāng)前的趨勢，并正在大力推廣。 CAN總線在智能監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在大型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性具有重要的意義。文章分析了CAN總線的實(shí)時(shí)性問題，針對CAN協(xié) 議提出了仿真模型，實(shí)驗(yàn)測出延時(shí)數(shù)據(jù)，總結(jié)比較了當(dāng)前幾種基于TTCAN的算法優(yōu)化問題。對于開發(fā)大型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)參考意義。

碼頭岸電的使用對于環(huán)境的保護(hù)具有重大意義，岸電的普及不僅能大量減少船舶靠港時(shí)自身發(fā)電所產(chǎn)生的廢氣，同時(shí)也大大的降低了港口的噪聲污染。為了普及這一具有重要重要意義的技術(shù)，各國都在大力發(fā)展船舶靠港岸電供電技術(shù);相應(yīng)的就需要一個(gè)智能的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)供電的智能化。當(dāng)前工業(yè)級監(jiān)控領(lǐng)域廣泛采用現(xiàn)場總線來作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪椤６渲?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/CAN總線">CAN總線以其特有的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各級智能控制領(lǐng)域。

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、紡織、醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并被公認(rèn)為是幾種最為有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線作為傳輸信息的中介，其傳輸實(shí)時(shí)性一直是CAN系統(tǒng)重要的指標(biāo)之一，針對其的研究也是當(dāng)前有關(guān)CAN總線的熱點(diǎn)研究問題之一。

1 控制器局域網(wǎng)(CAN)實(shí)時(shí)性問題研究

CAN總線和其他的控制總線相比，具有良好的可靠性、靈活性和實(shí)時(shí)性。體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：

1)CAN總線采用多主通信方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一節(jié)點(diǎn)均可在總線空閑時(shí)刻主動(dòng)的向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。

2)CAN總線采用對各節(jié)點(diǎn)劃分優(yōu)先級的方法，可協(xié)調(diào)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的傳送時(shí)序。

3)CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)不受影響的繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。

由于篇幅有限，CAN總線的其他特點(diǎn)不在贅述。正是CAN總線具有上述1、2、3的特點(diǎn)。極端情況下，可能出現(xiàn)級別較低的節(jié)點(diǎn)需要很長的時(shí)間才能發(fā)送數(shù)據(jù)甚至無限期時(shí)延。這就要求對CAN總線的通信實(shí)時(shí)性具體分析，以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

1.1 CAN總線延時(shí)分析

CAN總線的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)包括：從待發(fā)送數(shù)據(jù)在總線節(jié)點(diǎn)A變化開始，直到該數(shù)據(jù)在另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)B中得到確認(rèn)，這期間的總延時(shí)時(shí)間。根據(jù)CAN總線的數(shù)據(jù)流的傳播方向可知，CAN的報(bào)文信息延時(shí)由幀延時(shí)、軟件延時(shí)與CAN控制器延時(shí)和媒體訪問延時(shí)等部分組成。

1.2 幀延時(shí)分析

幀延時(shí)既報(bào)文信息的傳輸延時(shí)，由報(bào)文的幀長度和總線的傳輸速率決定。根據(jù)CAN2.0B協(xié)議，CAN總線的報(bào)文信息共有以下4種幀類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀。

CAN總線為實(shí)現(xiàn)總線空閑的確定、CAN控制器的同步和傳輸錯(cuò)誤的檢測，采用位流編碼技術(shù)，即在幀的幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場以及CRC序列。均通過位填充的方法編碼。無論何時(shí)，發(fā)送器只要檢測到位流里有5個(gè)連續(xù)相同值的位，便自動(dòng)在位流里插入1位相反極性位;同時(shí)報(bào)文的位流根據(jù)“不歸零”(Not Return To Zero，NRZ)的方法來編碼，在整個(gè)位時(shí)間里，位的電平要么為“顯性”，要么為“陰性”。位填充機(jī)制造成總線上實(shí)際傳輸消息的位數(shù)始終大于原始的位數(shù)。

CAN總線的傳輸速率也是影響幀延時(shí)的重要因素。由于信息在CAN總線上是串行發(fā)送的，因此傳輸速率由波特率度量。將CAN總線應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場中時(shí)，其傳輸速率隨著傳輸距離(40 m～10 km)而相應(yīng)的在1 M～5 kbit/s之間變化。

綜合上述幀長度、波特率和傳輸距離對幀延時(shí)的影響，針對擴(kuò)展幀，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)的延時(shí)，如表1所示。

由于CAN總線的報(bào)文信息大都采用短幀結(jié)構(gòu)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)較少，標(biāo)識符的差異對信息延時(shí)有著較大的影響，平均能達(dá)到30%～40%左右。

1.3 軟件及控制器延時(shí)分析

軟件及控制器導(dǎo)致的延時(shí)主要與系統(tǒng)使用的MCU、CAN控制器及接口芯片有關(guān)。本文在碼頭岸電監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中采用的是 C8051F040作為MCU(內(nèi)嵌CAN控制器)，CAN收發(fā)器是PCA82C250。為了測量方便，采用的是一對CAN的ISA控制通信卡，一個(gè) CAN節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)作為接收節(jié)點(diǎn)，排除了總線媒體訪問的仲裁沖突延時(shí)。

總延時(shí)包括從發(fā)送進(jìn)程往CAN控制器的發(fā)送緩存器中寫第一個(gè)數(shù)據(jù)開始，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)階段。時(shí)間的測量可通過主控制器控制面板上的計(jì)數(shù)芯片的計(jì)數(shù)通道來獲取，精度為1μs，測量獲得的數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2分析可知，在固定發(fā)送速率條件下，隨著發(fā)送字節(jié)的遞增，非幀延時(shí)時(shí)間也成正比關(guān)系遞增，這主要?dú)w因于CAN控制器和MCU之間的數(shù)據(jù)交換量的增加。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際測量，CAN總線在通信速率較低時(shí)，傳輸延時(shí)較高，通信速率對延時(shí)影響較大;一旦通信速率達(dá)到50 kbit/s之上，發(fā)送信息的字節(jié)數(shù)將成為延時(shí)的主要因素，而且CAN網(wǎng)絡(luò)的軟件延時(shí)及控制器延時(shí)隨著信息字節(jié)數(shù)的遞增主要在30～100 μs之間變化。

1.4 基于排隊(duì)論的媒體訪問延時(shí)分析

在中大型控制網(wǎng)絡(luò)中，隨著系統(tǒng)中控制節(jié)點(diǎn)的增加，控制網(wǎng)絡(luò)中的信息流也將急劇增加。在這樣的多節(jié)點(diǎn)、高負(fù)荷的網(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延時(shí)將越來越凸顯出其重要性，對于媒體訪問延時(shí)的分析將是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)的重要參考因素。

排隊(duì)論主要研究統(tǒng)計(jì)平衡下的各項(xiàng)性能指標(biāo)的概率性質(zhì)，根據(jù)CAN總線協(xié)議，可以把CAN總線的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型可模擬為圖1所示。

這樣就能建立一個(gè)模擬的排隊(duì)模型，n個(gè)待處理的信息相當(dāng)于顧客，而處理信息節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于服務(wù)。待處理信息的到達(dá)服從泊松分布，呈現(xiàn)出規(guī)律性的特點(diǎn);CAN總線采用位填充的方式進(jìn)行報(bào)文傳送，報(bào)文的長度不一而使服務(wù)時(shí)間呈現(xiàn)出一定的概率分布，服務(wù)時(shí)間服從一般概率分布W;同時(shí)只有一個(gè)信息可在總線上傳輸。建立一個(gè)基于排隊(duì)論的非強(qiáng)占優(yōu)先級的N/W/1模型，如圖1所示。

假定系統(tǒng)容量無限;在系統(tǒng)正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)，CAN總線系統(tǒng)中的消息通常是持續(xù)不斷發(fā)送的，則可以假定顧客來源無限(理想狀態(tài)分析，誤差較小)。設(shè)CAN總線的報(bào)文優(yōu)先級分別為從0到λ-1，共λ個(gè)等級，這里數(shù)字越小，代表的優(yōu)先級越高;各個(gè)等級的報(bào)文均以泊松模式進(jìn)入系統(tǒng)，其平均到達(dá)速度分別為 v0v1…vλ-1，系統(tǒng)對各個(gè)報(bào)文的平均服務(wù)速率分別為ω0ω1ωλ-1，服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布，具備馬爾科夫特性。

消息i的消息等待時(shí)間Ti包括：

1)當(dāng)前正在總線上傳輸?shù)牡男畔⒌膫魉屯戤厱r(shí)間To;

2)在等待期間，比i優(yōu)先級較高的信息j在上一消息息發(fā)送完畢后占用總線發(fā)送信息的時(shí)間Tj，由此可得Ti=Tj+T0，求Ti的數(shù)學(xué)期望即消息i的平均等待時(shí)間

Tξi=E(Ti)=E(T0+Tj) (1)

依據(jù)排隊(duì)論的分析方法，可得到第i級報(bào)文的等待時(shí)間為

Little定理指出：系統(tǒng)中物體的平均數(shù)量等于物體離開系統(tǒng)的平均速率和每個(gè)物體在系統(tǒng)中停留的平均時(shí)間(這里指單個(gè)報(bào)文的平均服務(wù)時(shí)間)的乘積。根據(jù)little定理可得出第i級報(bào)文的平均等待時(shí)間為：

在實(shí)驗(yàn)中模擬碼頭岸電監(jiān)控系統(tǒng)中的8個(gè)下位機(jī)智能監(jiān)控點(diǎn)，設(shè)定優(yōu)先級分別為0到7之間;在系統(tǒng)搭建完成之后，由于系統(tǒng)的晶振頻率已經(jīng)確定，則各個(gè)優(yōu)先級的報(bào)文到真實(shí)驗(yàn)達(dá)速率一定，相應(yīng)服務(wù)速率一定，仿得到的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)如表3所示。

從上表可看出，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率對報(bào)文消息的等待延時(shí)有著很大的影響;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率較小時(shí)，消息基本能保證實(shí)時(shí)發(fā)送，但是當(dāng)負(fù)載率極高時(shí)，CAN總線的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)還是比較嚴(yán)重的。同時(shí)優(yōu)先級對等待時(shí)間的影響也是巨大的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高且各優(yōu)先級的報(bào)文分布比較均勻的時(shí)候，優(yōu)先級小于λ-1/2的報(bào)文基本能及時(shí)的發(fā)送，但隨著優(yōu)先級的繼續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)劇增，將無法滿足控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求。

2 實(shí)時(shí)性能提升分析

通過以上對CAN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能的分析，在設(shè)計(jì)實(shí)際的控制網(wǎng)絡(luò)中，給予讀者一下參考：

1)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)幀能滿足系統(tǒng)對控制容量、傳輸可靠性等的要求時(shí)，盡量避免使用擴(kuò)展幀。2)在滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的要求前提下，盡量提高系統(tǒng)的傳輸速率。3)減少控制網(wǎng)絡(luò)中不必要的節(jié)點(diǎn)及報(bào)文信息，以達(dá)到降低負(fù)載率的目的。

針對CAN網(wǎng)絡(luò)本身的優(yōu)化研究也很必要，對于CAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題，在協(xié)議層上面上目前相對成熟的方法是采用基于時(shí)間觸發(fā)的TTCAN協(xié)議，此協(xié)議完全兼容于CAN節(jié)點(diǎn)，無論是數(shù)據(jù)鏈路層還是物理層。TTCAN節(jié)點(diǎn)不需要專用的總線防護(hù)裝置，節(jié)點(diǎn)之間總線沖突的防止依靠CAN的無破壞位仲裁機(jī)制和CAN故障限制。

文獻(xiàn)針對TTCAN提出了基于字母編碼的遺傳算法，此算法提出了一種采用“權(quán)”的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級提升算法，并且引入了字母編碼方式對遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。有效縮短了系統(tǒng)矩

陣中的事件型信息的滯后時(shí)間，同時(shí)減少了周期性信息的抖動(dòng)性問題且計(jì)算速度快，具有較好的優(yōu)化效果。

文獻(xiàn)針對，TTCAN提出了粒子群優(yōu)化算法(PSO)，PSO算法比遺傳算法具有更快的收斂速度、概念簡單、易于實(shí)現(xiàn);在處理低維問題時(shí)候具有一定的優(yōu)越性。在固定優(yōu)先級算法的基礎(chǔ)上，采用基于粒子群算法的TTCAN系統(tǒng)調(diào)度算法，在減少信息的傳輸抖動(dòng)和提高帶寬利用率上比傳統(tǒng)算法具有一定的優(yōu)勢性。在大型的綜合CAN系統(tǒng)中，基于粒子群算法優(yōu)化的TTCAN矩陣在實(shí)時(shí)性和提高帶寬利用率方面都有很大的研究價(jià)值。

3 結(jié)論

針對于中小型港口，其靠港船舶相對較少，智能供電終端無需安裝太多就能滿足靠港船舶的供電需要，因而依靠CAN總線本身的協(xié)議就能具有較好的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。但是對綜合的大型港口而言，其智能供電終端一般都有數(shù)十乃至上百個(gè)，這就存在傳輸實(shí)時(shí)性能否滿足要求的問題。針對這一問題的研究還是有一定價(jià)值的。

在碼頭岸電監(jiān)控系統(tǒng)中，由于本課題僅僅采用CAN模塊模擬8個(gè)岸電供電監(jiān)控點(diǎn)，因此對于CAN的實(shí)時(shí)性研究還不夠深入，有待進(jìn)一步的什么學(xué)習(xí)。但CAN總線作為當(dāng)前最為廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線之一，對其實(shí)時(shí)性的深入分析研究對于系統(tǒng)的優(yōu)化和信息的實(shí)時(shí)傳送都具有重大的意義，今后將針對算法優(yōu)化的問題展開進(jìn)一步的分析研究。