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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(chē)的監測、控制系統而設計的，但由于它在性能、可靠性等方面的突出優(yōu)勢，現已廣泛地應用于各工業(yè)領(lǐng)域。在CAN總線(xiàn)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)規范中首先提到的就是仲裁，而仲裁規則是通過(guò)報文優(yōu)先級體現的。目前國內外雖然對CAN報文優(yōu)先級有一些理論研究和分析，但尚未見(jiàn)到有文獻介紹有效的方法或手段來(lái)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(xiàn)的進(jìn)一步研究與應用。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(xiàn)的非破壞性逐位仲裁機制。 1 CAN的MAC機制分析 CAN技術(shù)規范中的MAC機制是指對媒體訪(fǎng)問(wèn)的控制／仲裁機制。CAN網(wǎng)絡(luò )上一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的報文可被網(wǎng)絡(luò )上所有其他節點(diǎn)監聽(tīng)并應答。當總線(xiàn)開(kāi)放時(shí)，任何 CAN節點(diǎn)均可開(kāi)始發(fā)送報文；若多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始發(fā)送報文，總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)沖突借助標識符進(jìn)行逐位仲裁來(lái)解決。仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都將發(fā)送的位電平與在總線(xiàn)上監視到的電平進(jìn)行比較。若相同，則該單元可以繼續發(fā)送；若不同，則該單元丟失仲裁，且須退出而不再發(fā)送后續位。 對于多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送情況下總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)的仲裁，CAN采用的是帶優(yōu)先權的非破壞性逐位仲裁機制來(lái)解決總線(xiàn)沖突的；對于一個(gè)節點(diǎn)想要發(fā)送而另一個(gè)節點(diǎn)正在發(fā)送的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)情況，CAN采用的是載波監聽(tīng)技術(shù)。這二者共同的基礎是CAN總線(xiàn)上一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的報文可被所有節點(diǎn)(包括自身)監聽(tīng)。帶優(yōu)先權的非破壞性逐位仲裁機制所依賴(lài)的其他基礎是顯性位(“O”)的優(yōu)先權高于隱性位(“l(fā)”)，即當一個(gè)隱性位和一個(gè)顯性位同時(shí)被發(fā)送至總線(xiàn)上時(shí)，總線(xiàn)上所出現的結果為一個(gè)顯性位，“非破壞性”即是對高優(yōu)先權的“O”而言的。參與逐位仲裁的位為仲裁場(chǎng)(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)先級檢測系統由4個(gè)CAN通信節點(diǎn)組成，通過(guò)各節點(diǎn)的CAN—H和CAN—L端口并聯(lián)到總線(xiàn)上，總線(xiàn)兩端各接上一個(gè)120Ω左右的終端電阻，構成一個(gè)閉合回路。4個(gè)節點(diǎn)的主體結構是基本相同的，根據系統功能的需要每個(gè)節點(diǎn)在硬件結構上又有所差別。系統總體結構如圖2所示。每個(gè)節點(diǎn)均有鍵盤(pán)和顯示單元；節點(diǎn)1、2、3為發(fā)送節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)均有“啟動(dòng)發(fā)送”按鈕；節點(diǎn)1還有“停止發(fā)送”按鈕，并可對CAN總線(xiàn)電平進(jìn)行檢測，亦即可對CAN總線(xiàn) MAC(媒體訪(fǎng)問(wèn)控制)幀進(jìn)行檢測；節點(diǎn)4為接收節點(diǎn)，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CAN的MAC機制及仲裁規則，如果高優(yōu)先級的報文一直占用著(zhù)總線(xiàn)，則其他低優(yōu)先級的報文將無(wú)法獲得仲裁，但是會(huì )嘗試重新發(fā)送。只有當高優(yōu)先級報文不再占用總線(xiàn)時(shí)，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(shí)競爭總線(xiàn)。 為方便說(shuō)明，首先命名標識符。節點(diǎn)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，將節點(diǎn)2和節點(diǎn)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。使節點(diǎn)1連續發(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(xiàn)，使總線(xiàn)一直處于“忙”的狀態(tài)。然后使節點(diǎn)2和節點(diǎn)3分別開(kāi)始發(fā)送標識符為SENT_ID_2和SENT_ID_3報文，節點(diǎn)2、3發(fā)送的報文優(yōu)先級不同且均比節點(diǎn)1優(yōu)先級低。此時(shí)，節點(diǎn)2和3監聽(tīng)總線(xiàn)的結果是：發(fā)現有比其本身優(yōu)先級高的報文正在發(fā)送，因此要邊監聽(tīng)邊等待。這時(shí)節點(diǎn)l停止發(fā)送后，節點(diǎn)2和3會(huì )同時(shí)競爭總線(xiàn)，從而創(chuàng )造了使不同優(yōu)先級的報文同時(shí)競爭總線(xiàn)的條件。根據節點(diǎn)4接收到報文的先后順序即可驗證節點(diǎn)2和節點(diǎn)3所發(fā)報文的優(yōu)先級了，并且兩個(gè)節點(diǎn)發(fā)出的報文都被成功接收，也驗證了CAN總線(xiàn)的非破壞性仲裁機制。另外，通過(guò)節點(diǎn)1檢測到的MAC幀也能確定節點(diǎn)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(kāi)始的標志。使節點(diǎn)l停止連續發(fā)送報文，讓節點(diǎn)1再發(fā)送1幀ID為SENT_ID_12的報文，同時(shí)開(kāi)始檢測總線(xiàn)電平，捕捉MAC幀。在第3次檢測到連續11個(gè)“l(fā)”時(shí)停止檢測，即第3幀報文結束時(shí)停止檢測。節點(diǎn)1將檢測到的MAC幀的各位值通過(guò)顯示單元順序地顯示出來(lái)，并與節點(diǎn)2和3發(fā)送的MAC幀相比較，可體現節點(diǎn)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(shí)施 軟件實(shí)施是嚴格依據基本原理設計的，各個(gè)節點(diǎn)的軟件實(shí)施流程如圖3所示。流程的幾點(diǎn)說(shuō)明：
①配置CAN位定時(shí)寄存器時(shí)要保證各節點(diǎn)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(shí)要保證節點(diǎn)1、2和3屏蔽總線(xiàn)上所有報文，節點(diǎn)4只接收來(lái)自節點(diǎn)2和節點(diǎn)3的報文； ③節點(diǎn)1軟件流程中第1次配置仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)及數據場(chǎng)是為連續報文發(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節點(diǎn)1軟件流程中第1次鍵盤(pán)掃描目的是為啟動(dòng)連續報文發(fā)送，第2次鍵盤(pán)掃描是為停止連續報文發(fā)送。 ⑤CAN的MAC幀檢測是過(guò)檢測單元中斷服務(wù)程序實(shí)現的。 3．3 應用實(shí)例 以CAN總線(xiàn)實(shí)驗系統為平臺，利用CAN總線(xiàn)優(yōu)先級檢測方法檢測報文優(yōu)先級的實(shí)例如表1、表2和表3所列。表1給出了各節點(diǎn)實(shí)際設置發(fā)送的報文；根據方法的基本原理，表2給出了報文過(guò)濾設置情況；表3給出了節點(diǎn)1實(shí)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(shí)際檢測情況與理論分析相符，進(jìn)而報文優(yōu)先級得以驗證。另外，節點(diǎn)4液晶顯示接收到的報文順序也與理論分析相符合，更進(jìn)一步證實(shí)了方法的可行性。
4 結論 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)生應以此為基礎。 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(guān)地展示CAN總線(xiàn)上信息優(yōu)先級的競爭情況，有助于深入掌握、理解CAN總線(xiàn)的報文優(yōu)先級、MAC機制及其相關(guān)技術(shù)內容；有助于對CAN總線(xiàn)機理與實(shí)質(zhì)的深入研究，為更好地應用CAN總線(xiàn)奠定了理論基礎。 ③本文所提出的方法已通過(guò)實(shí)驗系統驗證，結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(jìn)宏 現場(chǎng)總線(xiàn)CAN原理與應用技術(shù) 2007 2. 鄔寬明 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用選編1,(上) 2003 3. 張向文.許學(xué)雷.吳林瑞 CAN 總線(xiàn)系統信號傳輸延時(shí)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(xué) 姜重然 徐斌山 張琳 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (3) |
