基于CAN總線(xiàn)的碼頭岸電監控系統實(shí)時(shí)性分析

摘要：隨著(zhù)我國”節能減排”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控已經(jīng)成為當前的趨勢，并正在大力推廣。 CAN總線(xiàn)在智能監控領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，在大型網(wǎng)絡(luò )監控系統中，監控系統的實(shí)時(shí)性具有重要的意義。文章分析了CAN總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，針對CAN協(xié) 議提出了仿真模型，實(shí)驗測出延時(shí)數據，總結比較了當前幾種基于TTCAN的算法優(yōu)化問(wèn)題。對于開(kāi)發(fā)大型網(wǎng)絡(luò )監控系統具有一定的現實(shí)參考意義。

碼頭岸電的使用對于環(huán)境的保護具有重大意義，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);相應的就需要一個(gè)智能的監控網(wǎng)絡(luò )實(shí)現供電的智能化。當前工業(yè)級監控領(lǐng)域廣泛采用現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)作為數據傳輸的中介。而其中CAN總線(xiàn)以其特有的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應用在各級智能控制領(lǐng)域。

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network)已經(jīng)廣泛應用于機械、紡織、醫療、機器人等領(lǐng)域。CAN已經(jīng)形成國際標準，并被公認為是幾種最為有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN總線(xiàn)作為傳輸信息的中介，其傳輸實(shí)時(shí)性一直是CAN系統重要的指標之一，針對其的研究也是當前有關(guān)CAN總線(xiàn)的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一。

1 控制器局域網(wǎng)(CAN)實(shí)時(shí)性問(wèn)題研究

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

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

2)CAN總線(xiàn)采用對各節點(diǎn)劃分優(yōu)先級的方法，可協(xié)調系統各節點(diǎn)的傳送時(shí)序。

3)CAN總線(xiàn)采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當同時(shí)有多個(gè)節點(diǎn)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節點(diǎn)不受影響的繼續傳送數據。

由于篇幅有限，CAN總線(xiàn)的其他特點(diǎn)不在贅述。正是CAN總線(xiàn)具有上述1、2、3的特點(diǎn)。極端情況下，可能出現級別較低的節點(diǎn)需要很長(cháng)的時(shí)間才能發(fā)送數據甚至無(wú)限期時(shí)延。這就要求對CAN總線(xiàn)的通信實(shí)時(shí)性具體分析，以達到系統設計的要求。

1.1 CAN總線(xiàn)延時(shí)分析

CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)包括：從待發(fā)送數據在總線(xiàn)節點(diǎn)A變化開(kāi)始，直到該數據在另外一個(gè)節點(diǎn)B中得到確認，這期間的總延時(shí)時(shí)間。根據CAN總線(xiàn)的數據流的傳播方向可知，CAN的報文信息延時(shí)由幀延時(shí)、軟件延時(shí)與CAN控制器延時(shí)和媒體訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)等部分組成。

1.2 幀延時(shí)分析

幀延時(shí)既報文信息的傳輸延時(shí)，由報文的幀長(cháng)度和總線(xiàn)的傳輸速率決定。根據CAN2.0B協(xié)議，CAN總線(xiàn)的報文信息共有以下4種幀類(lèi)型：數據幀、遠程幀、錯誤幀和過(guò)載幀。

CAN總線(xiàn)為實(shí)現總線(xiàn)空閑的確定、CAN控制器的同步和傳輸錯誤的檢測，采用位流編碼技術(shù)，即在幀的幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)以及CRC序列。均通過(guò)位填充的方法編碼。無(wú)論何時(shí)，發(fā)送器只要檢測到位流里有5個(gè)連續相同值的位，便自動(dòng)在位流里插入1位相反極性位;同時(shí)報文的位流根據“不歸零”(Not Return To Zero，NRZ)的方法來(lái)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”。位填充機制造成總線(xiàn)上實(shí)際傳輸消息的位數始終大于原始的位數。

CAN總線(xiàn)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(xiàn)上是串行發(fā)送的，因此傳輸速率由波特率度量。將CAN總線(xiàn)應用于實(shí)際工業(yè)現場(chǎng)中時(shí)，其傳輸速率隨著(zhù)傳輸距離(40 m～10 km)而相應的在1 M～5 kbit/s之間變化。

綜合上述幀長(cháng)度、波特率和傳輸距離對幀延時(shí)的影響，針對擴展幀，得到其在最大傳輸速率條件下對應不同數據字節的延時(shí)，如表1所示。

由于CAN總線(xiàn)的報文信息大都采用短幀結構，其傳輸的數據字節較少，標識符的差異對信息延時(shí)有著(zhù)較大的影響，平均能達到30%～40%左右。

1.3 軟件及控制器延時(shí)分析

軟件及控制器導致的延時(shí)主要與系統使用的MCU、CAN控制器及接口芯片有關(guān)。本文在碼頭岸電監控系統的實(shí)際應用中采用的是 C8051F040作為MCU(內嵌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節點(diǎn)作為發(fā)送節點(diǎn)，另一個(gè)作為接收節點(diǎn)，排除了總線(xiàn)媒體訪(fǎng)問(wèn)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(xiě)第一個(gè)數據開(kāi)始，一直到接收進(jìn)程中將接收緩存器中的有關(guān)數據全部讀出的整個(gè)階段。時(shí)間的測量可通過(guò)主控制器控制面板上的計數芯片的計數通道來(lái)獲取，精度為1μs，測量獲得的數據如表2所示。

從表2分析可知，在固定發(fā)送速率條件下，隨著(zhù)發(fā)送字節的遞增，非幀延時(shí)時(shí)間也成正比關(guān)系遞增，這主要歸因于CAN控制器和MCU之間的數據交換量的增加。同時(shí)，根據實(shí)際測量，CAN總線(xiàn)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;一旦通信速率達到50 kbit/s之上，發(fā)送信息的字節數將成為延時(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(zhù)信息字節數的遞增主要在30～100 μs之間變化。

1.4 基于排隊論的媒體訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)分析

在中大型控制網(wǎng)絡(luò )中，隨著(zhù)系統中控制節點(diǎn)的增加，控制網(wǎng)絡(luò )中的信息流也將急劇增加。在這樣的多節點(diǎn)、高負荷的網(wǎng)絡(luò )控制系統中，由報文搶占總線(xiàn)資源而引起的媒體訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)將越來(lái)越凸顯出其重要性，對于媒體訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)的分析將是設計控制系統時(shí)的重要參考因素。

排隊論主要研究統計平衡下的各項性能指標的概率性質(zhì)，根據CAN總線(xiàn)協(xié)議，可以把CAN總線(xiàn)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)模擬的排隊模型，n個(gè)待處理的信息相當于顧客，而處理信息節點(diǎn)相當于服務(wù)。待處理信息的到達服從泊松分布，呈現出規律性的特點(diǎn);CAN總線(xiàn)采用位填充的方式進(jìn)行報文傳送，報文的長(cháng)度不一而使服務(wù)時(shí)間呈現出一定的概率分布，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(xiàn)上傳輸。建立一個(gè)基于排隊論的非強占優(yōu)先級的N/W/1模型，如圖1所示。

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

消息i的消息等待時(shí)間Ti包括：

1)當前正在總線(xiàn)上傳輸的的信息的傳送完畢時(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(xiàn)發(fā)送信息的時(shí)間Tj，由此可得Ti=Tj+T0，求Ti的數學(xué)期望即消息i的平均等待時(shí)間

Tξi=E(Ti)=E(T0+Tj) (1)

依據排隊論的分析方法，可得到第i級報文的等待時(shí)間為

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

在實(shí)驗中模擬碼頭岸電監控系統中的8個(gè)下位機智能監控點(diǎn)，設定優(yōu)先級分別為0到7之間;在系統搭建完成之后，由于系統的晶振頻率已經(jīng)確定，則各個(gè)優(yōu)先級的報文到真實(shí)驗達速率一定，相應服務(wù)速率一定，仿得到的網(wǎng)絡(luò )性能參數如表3所示。

從上表可看出，網(wǎng)絡(luò )負載率對報文消息的等待延時(shí)有著(zhù)很大的影響;當網(wǎng)絡(luò )負載率較小時(shí)，消息基本能保證實(shí)時(shí)發(fā)送，但是當負載率極高時(shí)，CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)還是比較嚴重的。同時(shí)優(yōu)先級對等待時(shí)間的影響也是巨大的，當網(wǎng)絡(luò )負載較高且各優(yōu)先級的報文分布比較均勻的時(shí)候，優(yōu)先級小于λ-1/2的報文基本能及時(shí)的發(fā)送，但隨著(zhù)優(yōu)先級的繼續增加，網(wǎng)絡(luò )延時(shí)劇增，將無(wú)法滿(mǎn)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(guò)以上對CAN網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性能的分析，在設計實(shí)際的控制網(wǎng)絡(luò )中，給予讀者一下參考：

1)當標準幀能滿(mǎn)足系統對控制容量、傳輸可靠性等的要求時(shí)，盡量避免使用擴展幀。2)在滿(mǎn)足控制系統的穩定性的要求前提下，盡量提高系統的傳輸速率。3)減少控制網(wǎng)絡(luò )中不必要的節點(diǎn)及報文信息，以達到降低負載率的目的。

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(wèn)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節點(diǎn)，無(wú)論是數據鏈路層還是物理層。TTCAN節點(diǎn)不需要專(zhuān)用的總線(xiàn)防護裝置，節點(diǎn)之間總線(xiàn)沖突的防止依靠CAN的無(wú)破壞位仲裁機制和CAN故障限制。

文獻針對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”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(wèn)題且計算速度快，具有較好的優(yōu)化效果。

文獻針對，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(jiǎn)單、易于實(shí)現;在處理低維問(wèn)題時(shí)候具有一定的優(yōu)越性。在固定優(yōu)先級算法的基礎上，采用基于粒子群算法的TTCAN系統調度算法，在減少信息的傳輸抖動(dòng)和提高帶寬利用率上比傳統算法具有一定的優(yōu)勢性。在大型的綜合CAN系統中，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?jì)r(jià)值。

3 結論

針對于中小型港口，其靠港船舶相對較少，智能供電終端無(wú)需安裝太多就能滿(mǎn)足靠港船舶的供電需要，因而依靠CAN總線(xiàn)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十乃至上百個(gè)，這就存在傳輸實(shí)時(shí)性能否滿(mǎn)足要求的問(wèn)題。針對這一問(wèn)題的研究還是有一定價(jià)值的。

在碼頭岸電監控系統中，由于本課題僅僅采用CAN模塊模擬8個(gè)岸電供電監控點(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。但CAN總線(xiàn)作為當前最為廣泛應用的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，對其實(shí)時(shí)性的深入分析研究對于系統的優(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(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步的分析研究。