基于系統(tǒng)工程的汽車電子CAN通信協(xié)議設計

CAN通信設計的方法主要有兩種：一種是依靠工程經(jīng)驗的投票法或試錯法，一種是基于系統(tǒng)工程技術的設計方法。試錯法是通過將零部件供應商在不同項目積累的經(jīng)驗集成到一起的方法設計CAN通信協(xié)議。系統(tǒng)工程法是基于一定的理論思路，考慮通信的系統(tǒng)級需求對通信協(xié)議進行設計。

　　在試錯法中，由于各個零部件供應商都是基于自己的零件的需求出發(fā)考慮對協(xié)議的需要，無法從整個系統(tǒng)的角度考慮零部件之間的相互影響和作用。所以將不同需求集成的結果存在潛在設計錯誤，而這些錯誤在仿真過程中難以發(fā)現(xiàn)，也無法通過測試的手段解決。

　　系統(tǒng)工程法則從系統(tǒng)級需求出發(fā)，充分考慮零部件之間的相互作用和需求，在系統(tǒng)層面對通信協(xié)議進行設計，因此在設計過程中可以對設計結果進行優(yōu)化，并驗證設計結果的正確性。下面的內容就對系統(tǒng)工程設計法進行詳細的介紹。

　　CAN協(xié)議設計中的主要內容

　　CAN協(xié)議設計的主要內容是創(chuàng)建消息、分配消息優(yōu)先級并確定消息的周期。下面對CAN通信的基本原理進行分析，分別說明其重要性。

　　CAN總線采用多主結構，CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)和按位仲裁機制決策訪問總線的節(jié)點。CSMA/CA指節(jié)點在發(fā)送的同時也在監(jiān)聽總線，已避免沖突的發(fā)生，按位仲裁則規(guī)定了顯性信號比隱性信號優(yōu)先，顯性信號和隱性信號同時往總線上發(fā)送時，總線上是顯性信號。在本文以顯性信號用“0”表示，隱性信號用“1”表示。在下面的例子，我們也用低電平表示顯性信號，高電平表示隱性信號。

　　為了說明設計中的主要問題，下面以有3個節(jié)點的總線通信為例。如圖1所示有3個節(jié)點通過CAN總線相互連接。

　　每個節(jié)點的內部程序決定了何時需要通過總線發(fā)送數(shù)據(jù)，消息有固定的格式。如圖2所示，CAN消息由起始位SOF、ID域、control域等字段組成。其中的ID域代表了消息的優(yōu)先級，在有總線競爭的時候，根據(jù)按位仲裁原理，ID小的優(yōu)先級高，消息被優(yōu)先發(fā)送。圖3是仲裁的一個例子，假設在某一時刻，三個節(jié)點同時往外發(fā)消息，每個節(jié)點發(fā)送的消息ID(二進制格式)分別為：ID1=11001101010，ID2=11001011011，ID3=11001011001。每個節(jié)點都以發(fā)送SOF位開始，然后逐位發(fā)送ID域。不發(fā)送消息的節(jié)點，監(jiān)聽到SOF位后自動轉為接收節(jié)點。發(fā)送節(jié)點之間的仲裁發(fā)生在ID發(fā)送的過程，發(fā)送過程中發(fā)送節(jié)點同時在監(jiān)聽總線上的信號，只要發(fā)送信號與監(jiān)聽到的信號一致，發(fā)送過程將繼續(xù)，否則停止。如圖所示，節(jié)點1在第6位上發(fā)送的是隱性信號，但是總線上的信號是顯性信號。節(jié)點1停止發(fā)送，轉為接收節(jié)點。在第10位的時候，節(jié)點2發(fā)送隱性信號，但是總線是顯性信號，所以節(jié)點2又停止發(fā)送，轉為接收節(jié)點。至此仲裁結束，節(jié)點3仲裁勝利，繼續(xù)發(fā)送消息余下的數(shù)據(jù)位。

　　從這個過程可以看出，由于消息ID3優(yōu)先級高，所以優(yōu)先發(fā)送。ID1和ID2均需要等待下次仲裁決定是否發(fā)送。也就是說每次仲裁的結果是有的消息的發(fā)送要被延遲。

　　另外，CAN協(xié)議規(guī)定，消息沒有發(fā)送完畢不會釋放總線。因此有低優(yōu)先級的消息在發(fā)送的時候，高優(yōu)先級的消息也會被延遲。

　　延遲也是影響CAN通信性能的主要問題，如果消息延遲時間過長，將影響接收節(jié)點的功能，嚴重的還可能造成事故。因此CAN協(xié)議設計的重要內容之一是控制消息的延遲時間在合理水平。

　　而消息優(yōu)先級和周期是設計中影響延遲的主要因素，合理分配ID和確定消息的周期可以對延遲進行有效控制，因此CAN協(xié)議設計的一個主要內容就是如何合理分配消息ID和確定消息的周期。創(chuàng)建消息也是重要的內容之一，但是對延遲的影響相對較小。

　　CAN協(xié)議的系統(tǒng)工程設計方法通過對通信中的時間進行量化，依據(jù)量化結果分析功能之間的交互關系，從而進一步創(chuàng)建消息、分配消息ID和確定其周期。

　　CAN協(xié)議系統(tǒng)工程設計方法

　　系統(tǒng)工程設計方法與試錯法的本質區(qū)別是采用了量化的體系獲取通信過程中的時間要求。圖4顯示的是通信的時間要求。TP是事件發(fā)生到數(shù)據(jù)準備好發(fā)送給驅動程序之間的時間間隔，TB是數(shù)據(jù)被組建成消息并準備發(fā)送到總線上之間的時間間隔，TT是實際的傳輸時間，TA是消息接收完畢到數(shù)據(jù)能被應用程序使用之間的時間間隔，TS是數(shù)據(jù)可以使用到實際使用之間的時間間隔。整個通信過程必須要在規(guī)定時間內完成，而這個時間就是maximum age.這個時間標志了數(shù)據(jù)發(fā)送的實時性，只要數(shù)據(jù)在這個時間范圍內送到接收節(jié)點，接收節(jié)點的功能將得到實時的執(zhí)行。

除了這些參數(shù)以外，完整的系統(tǒng)設計還需要以下信息：
　　●信號定義：類型、大小等；
　　●發(fā)送節(jié)點數(shù)據(jù)定義：收發(fā)的信號、TP和TS的定義；
　　●接收節(jié)點數(shù)據(jù)定義：收發(fā)的信號、TP、TS和maximum age的定義；
　　●拓撲結構的定義：節(jié)點之間的互聯(lián)關系。

以上數(shù)據(jù)為基礎，對通信過程的實時性進行分析，計算通信中的延遲。然后根據(jù)單調速率分析法(deadline monotonic analysis)，分配消息ID并設置周期。

　　根據(jù)系統(tǒng)獲取的時間要求，系統(tǒng)計算消息的延遲并驗證設計的協(xié)議是否滿足這些時間要求。如果不滿足時間要求，系統(tǒng)將自動調整消息ID和周期，直到滿足所有的時間要求。

　　本文用Mentor Graphics公司Volcano產(chǎn)品線的設計工具VNA進行了實驗。VNA是CAN/LIN協(xié)議的自動化設計工具，其核心思想就是采用了本文介紹的系統(tǒng)工程設計方法。其使用方法可以如圖5所示，用戶提供信號及節(jié)點定義、本文介紹的時間參數(shù)定義及項目管理定義，VNA將自動對CAN通信協(xié)議進行設計，輸出通信協(xié)議規(guī)范。

　　其中圖6是本次實驗的通信系統(tǒng)拓撲結構，系統(tǒng)由三條CAN總線和兩條LIN總線組成，CAN協(xié)議采用的是29位。

輸入?yún)?shù)后，VNA自動生成通信協(xié)議，結果如圖7所示。消息EMSHSC_FrP00的ID為0x04c000d，周期為10ms，計算出的延遲時間為1.734ms。

結論

　　系統(tǒng)工程設計法，采用一套量化體系描述數(shù)據(jù)收發(fā)的完整過程。明確定義這些指標，并清晰描述了系統(tǒng)功能的時間性要求。正因為這樣，使得自動化設計協(xié)議成為可能。

　　根據(jù)這些量化指標，系統(tǒng)將自動計算消息的延遲時間，并自動調節(jié)消息的優(yōu)先級和周期，以控制消息的延遲時間，保證用戶提出的時間要求全部得到滿足，從而實現(xiàn)從設計角度控制消息延遲的目的。

　　自動化設計協(xié)議降低了協(xié)議設計的技術門檻，特別是對于中國的整車廠，沒有經(jīng)驗積累，這樣的工具必將助力國內自主產(chǎn)品在總線上的研發(fā)。