基于系統工程的汽車(chē)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，一種是基于系統工程技術(shù)的設計方法。試錯法是通過(guò)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。系統工程法是基于一定的理論思路，考慮通信的系統級需求對通信協(xié)議進(jìn)行設計。

　　在試錯法中，由于各個(gè)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(wú)法從整個(gè)系統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(guò)程中難以發(fā)現，也無(wú)法通過(guò)測試的手段解決。

　　系統工程法則從系統級需求出發(fā)，充分考慮零部件之間的相互作用和需求，在系統層面對通信協(xié)議進(jìn)行設計，因此在設計過(guò)程中可以對設計結果進(jìn)行優(yōu)化，并驗證設計結果的正確性。下面的內容就對系統工程設計法進(jìn)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(jìn)行分析，分別說(shuō)明其重要性。

　　CAN總線(xiàn)采用多主結構，CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)和按位仲裁機制決策訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)的節點(diǎn)。CSMA/CA指節點(diǎn)在發(fā)送的同時(shí)也在監聽(tīng)總線(xiàn)，已避免沖突的發(fā)生，按位仲裁則規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(shí)往總線(xiàn)上發(fā)送時(shí)，總線(xiàn)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(shuō)明設計中的主要問(wèn)題，下面以有3個(gè)節點(diǎn)的總線(xiàn)通信為例。如圖1所示有3個(gè)節點(diǎn)通過(guò)CAN總線(xiàn)相互連接。

　　每個(gè)節點(diǎn)的內部程序決定了何時(shí)需要通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送數據，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(xiàn)競爭的時(shí)候，根據按位仲裁原理，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(gè)例子，假設在某一時(shí)刻，三個(gè)節點(diǎn)同時(shí)往外發(fā)消息，每個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的消息ID(二進(jìn)制格式)分別為：ID1=11001101010，ID2=11001011011，ID3=11001011001。每個(gè)節點(diǎn)都以發(fā)送SOF位開(kāi)始，然后逐位發(fā)送ID域。不發(fā)送消息的節點(diǎn)，監聽(tīng)到SOF位后自動(dòng)轉為接收節點(diǎn)。發(fā)送節點(diǎn)之間的仲裁發(fā)生在ID發(fā)送的過(guò)程，發(fā)送過(guò)程中發(fā)送節點(diǎn)同時(shí)在監聽(tīng)總線(xiàn)上的信號，只要發(fā)送信號與監聽(tīng)到的信號一致，發(fā)送過(guò)程將繼續，否則停止。如圖所示，節點(diǎn)1在第6位上發(fā)送的是隱性信號，但是總線(xiàn)上的信號是顯性信號。節點(diǎn)1停止發(fā)送，轉為接收節點(diǎn)。在第10位的時(shí)候，節點(diǎn)2發(fā)送隱性信號，但是總線(xiàn)是顯性信號，所以節點(diǎn)2又停止發(fā)送，轉為接收節點(diǎn)。至此仲裁結束，節點(diǎn)3仲裁勝利，繼續發(fā)送消息余下的數據位。

　　從這個(gè)過(guò)程可以看出，由于消息ID3優(yōu)先級高，所以?xún)?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(shuō)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)議規定，消息沒(méi)有發(fā)送完畢不會(huì )釋放總線(xiàn)。因此有低優(yōu)先級的消息在發(fā)送的時(shí)候，高優(yōu)先級的消息也會(huì )被延遲。

　　延遲也是影響CAN通信性能的主要問(wèn)題，如果消息延遲時(shí)間過(guò)長(cháng)，將影響接收節點(diǎn)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(shí)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(jìn)行有效控制，因此CAN協(xié)議設計的一個(gè)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)議的系統工程設計方法通過(guò)對通信中的時(shí)間進(jìn)行量化，依據量化結果分析功能之間的交互關(guān)系，從而進(jìn)一步創(chuàng )建消息、分配消息ID和確定其周期。

　　CAN協(xié)議系統工程設計方法

　　系統工程設計方法與試錯法的本質(zhì)區別是采用了量化的體系獲取通信過(guò)程中的時(shí)間要求。圖4顯示的是通信的時(shí)間要求。TP是事件發(fā)生到數據準備好發(fā)送給驅動(dòng)程序之間的時(shí)間間隔，TB是數據被組建成消息并準備發(fā)送到總線(xiàn)上之間的時(shí)間間隔，TT是實(shí)際的傳輸時(shí)間，TA是消息接收完畢到數據能被應用程序使用之間的時(shí)間間隔，TS是數據可以使用到實(shí)際使用之間的時(shí)間間隔。整個(gè)通信過(guò)程必須要在規定時(shí)間內完成，而這個(gè)時(shí)間就是maximum age.這個(gè)時(shí)間標志了數據發(fā)送的實(shí)時(shí)性，只要數據在這個(gè)時(shí)間范圍內送到接收節點(diǎn)，接收節點(diǎn)的功能將得到實(shí)時(shí)的執行。

除了這些參數以外，完整的系統設計還需要以下信息：
　　●信號定義：類(lèi)型、大小等；
　　●發(fā)送節點(diǎn)數據定義：收發(fā)的信號、TP和TS的定義；
　　●接收節點(diǎn)數據定義：收發(fā)的信號、TP、TS和maximum age的定義；
　　●拓撲結構的定義：節點(diǎn)之間的互聯(lián)關(guān)系。

以上數據為基礎，對通信過(guò)程的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析，計算通信中的延遲。然后根據單調速率分析法(deadline monotonic analysis)，分配消息ID并設置周期。

　　根據系統獲取的時(shí)間要求，系統計算消息的延遲并驗證設計的協(xié)議是否滿(mǎn)足這些時(shí)間要求。如果不滿(mǎn)足時(shí)間要求，系統將自動(dòng)調整消息ID和周期，直到滿(mǎn)足所有的時(shí)間要求。

　　本文用Mentor Graphics公司Volcano產(chǎn)品線(xiàn)的設計工具VNA進(jìn)行了實(shí)驗。VNA是CAN/LIN協(xié)議的自動(dòng)化設計工具，其核心思想就是采用了本文介紹的系統工程設計方法。其使用方法可以如圖5所示，用戶(hù)提供信號及節點(diǎn)定義、本文介紹的時(shí)間參數定義及項目管理定義，VNA將自動(dòng)對CAN通信協(xié)議進(jìn)行設計，輸出通信協(xié)議規范。

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

輸入參數后，VNA自動(dòng)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(shí)間為1.734ms。

結論

　　系統工程設計法，采用一套量化體系描述數據收發(fā)的完整過(guò)程。明確定義這些指標，并清晰描述了系統功能的時(shí)間性要求。正因為這樣，使得自動(dòng)化設計協(xié)議成為可能。

　　根據這些量化指標，系統將自動(dòng)計算消息的延遲時(shí)間，并自動(dòng)調節消息的優(yōu)先級和周期，以控制消息的延遲時(shí)間，保證用戶(hù)提出的時(shí)間要求全部得到滿(mǎn)足，從而實(shí)現從設計角度控制消息延遲的目的。

　　自動(dòng)化設計協(xié)議降低了協(xié)議設計的技術(shù)門(mén)檻，特別是對于中國的整車(chē)廠(chǎng)，沒(méi)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(xiàn)上的研發(fā)。