王军1,2，曾献辉1,2

　　（1. 东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620; 2.数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620）

       摘要：RS-485总线与CAN总线是工业现场数据采集最常用的有线组网方式，它们均有各自的局限性。针对一类多节点网络的数据实时采集问题，提出了基于主控同步的CAN总线多点实时数据采集技术，将RS485总线主控思想应用于CAN总线的数据通信中，通过对各节点发送数据时间的同步，有效地避免了节点间数据冲突问题。实验结果证明了该方案能有效地提高数据传输的实时性和可靠性，解决了CAN总线访问冲突。

　　关键词：数据采集；CAN总线；主控同步；实时性

0引言

　　现场数据采集一般有CAN总线与RS485总线［1］两种有线组网方式，但是RS485采用主从多址轮询的方式，实现多址接入，轮询周期随着节点数量的增大而加长，影响数据传输的实时性。而CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，它可靠性高，且网络内的节点个数在理论上不受限制，各节点之间实现自由通信。CAN总线［2-3］具有多主发送、采用确定性的优先级仲裁机制等特点，保证了CAN总线数据通信的可靠性、实时性和灵活性。在数据通信过程中，如果出现碰撞，低优先级的节点会主动退出，而最高优先级的节点可以不受影响继续传输数据，从而大大节省了总线访问冲突［45］仲裁时间，保证了传输数据的实时性。但是，在数据采集这种特殊环境下，由于各个节点的数据的优先级都是相同的，因此本文在标准CAN总线的基础上，结合RS485的工作模式，提出了基于主控同步的CAN总线多点实时数据采集技术，它可以解决数据采集过程中总线冲突的问题，提高数据传输的可靠性与实时性。

　　1RS-485工作模式

　　RS-485是半双工的工作模式，任何时候只能有一点处于发送状态，它采用主从式多址轮询方式实现多址接入，也就是说所有的节点共用一条总线，主节点按照地址依次轮流查询各个从节点，被查询的从节点返回数据或者空操作。由此可以看出，随着节点的增多，轮询的周期也会变长，这对数据的实时性传输具有很大的影响。RS-485的网络结构示意图如图1所示。

2CAN总线协议和仲裁机制

　　CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，CAN总线具有多主发送、采用确定性的优先级仲裁机制等特点，保证了CAN总线数据通信［6-7］的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线的网络结构示意图如图2所示。

　　报文信号使用差分电压［8］传送，可以提高CAN总线传输数据的可靠性和传输距离。两条信号线分别为CANH与CANL。这两根线之间的电位差可以对应两个不同的逻辑状态进行编码。如果CANH-CANL>2，此时状态表示为逻辑 0，也可以叫作显性。如果CANH-CANL=0，此时状态表示为逻辑1，也可以叫作隐性。当总线上２个不同节点在同一位时间分别强加显性和隐性时，总线上呈现显性位，即显性位可以覆盖修改隐性位。电平标称值如图3所示。

　　在数据传输过程中，如果出现碰撞，低优先级的节点会主动退出，而最高优先级的节点可以不受影响继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，保证了传输数据的实时性。但是这种静态优先级机制［9-10］的一个缺点就是不能均等地为高优先级和低优先级站点分配带宽，在网络负载很大时，低优先级站点会在多次竞争总线使用权时失败，从而导致低优先级站点消息传输产生不确定的延时，甚至无法发送。而在数据采集的环境下，各个节点采集到的数据没有优先级之分，所以CAN总线的静态优先级机制对于数据采集来说并不是最好的机制。

3主控同步的CAN总线

　　CAN总线的特点之一就是多主发送，各个站点在任何时候都可以随机发送数据，如果在某一个时刻有２个或２个以上的站点要发送数据，就要通过非破坏性仲裁机制进行仲裁来竞争总线的使用权，标识符数值小的站点即优先级较高的站点可以获得总线使用权，竞争失败的站点则需等待下次重新竞争。在数据采集中，每个节点的优先级都是相同的，所以本文提出了主控同步的CAN总线多点实时数据采集技术，流程图如图4所示。

　　RS-485是主从结构，采用主从轮询的方式，主节点依次询问每个从节点。主从同步的CAN总线就是将主控节点应用在CAN总线上。

　　3.1静态主控同步CAN总线

　　静态主控同步CAN总线就是对CAN总线上的所有节点进行编号分别为1,2,3，…，n，所有节点都发送１次数据的时间称为周期T，每个节点发送数据时间为t=T/n，主控节点可以控制开始发送数据的时间，在总线空闲时，总线广播一次，此时可以发送数据，然后所有节点依次在自己规定的时间发送数据，第一个节点发送数据的时间为0-T/n，如果它的数据没有发送完就停止发送，则在T/n时刻第二个节点开始发送数据，在2T/n时刻第三个节点发送数据，以此类推下去，直到最后个节点发送完数据，只要保证T/n合适，就可以让每个节点顺利地传输数据。每个节点发送数据的时刻与时间段如图5所示。

　　CAN总线上的节点并不一定都是同时在线或者不在线，有可能突然故障或者断线，也有可能突然上线，这样节点发送数据就容易产生冲突。所以规定每个节点都是T/n的时间，不管该节点是否在线都占用T/n的时间段，以此来避免某个节点上线或者下线产生冲突。这是最简单的也是最容易实现的结构，虽然提高了数据传输的可靠性，但是会浪费时间，不管几个节点在线都需要一个周期T的时间才能进行下次数据的发送，传输的效率不高，对数据的实时性有一定的影响。

　　3.2动态主控同步CAN总线

　　由于静态主控同步的缺陷性，在其基础上本文又提出动态主控同步CAN总线来提高数据发送的实时性。在CAN总线初始化的时候，所有在线节点给主控节点报告自己在线的信息，此时，主控节点知道总线中所有节点的状态，然后将所有节点状态广播给每个节点。总线上所有上下线的节点如图6所示。

　　假如此时3和4号节点未上线，其余都正常上线且不会突然下线，那么，1号和2号正常发送数据，5号节点在2t~3t时间段内发送数据，其余的依次类推，则所有节点发完一次数据的时间为T-2t，比静态主控同步少了2t，总线的周期从T变成了T-2t,提高了数据传输的实时性。w是每个上线节点给主控节点汇报所需要的时间，V=Xw，X是不在线节点的个数，Y为在线节点的个数，X+Y=n，Y×t=T1。在实际情况中不可避免地会出现某些节点（假如节点5）突然下线的情况,如图7所示。

　　此时如果节点5突然从在线变成下线，所有节点收到的广播还是只有3和4不在线，其余都在线，那么5号节点仍会占用一个t，6号节点仍然在第4个时间段t发送数据，保证了所有节点都可以按照自己的编号依次发送数据，当所有在线节点发送完数据后，主控节点根据收到的数据就可以判断哪些节点（例如5号节点）中途下线，然后将这些信息再广播到总线，之后其余在线节点就可以调节自己发送数据的时刻，那些下个周期下线的节点（5号）就不占用时间段，从而减少了时间的浪费，缩短了数据发送时间周期。

　　某个节点（4号）突然上线时，此时主控节点广播的时候还是3与4号节点不在线，其余节点都在线的状态，如图6所示。此时如果4号节点突然上线，但是所有节点收到的广播还是3与4号节点不在线，实际上4号节点已经在线，如图8所示。

　　所有节点在依次发送完数据后会暂停时间段V，使得上线节点可以及时向总线汇报，使其在下个周期可以发送数据。

　　开始时主控节点广播当前上线和下线的节点，每个在线节点收到的信息应该还是3和4号节点不在线，其余节点都在线，而实际上4号节点已经上线，要将自己的状态汇报给主控节点，如果没有缓冲时间片V，在2号节点发送完数据后5号节点发送数据，此时就会出现5号节点发送数据，同时4号节点也发送自己上线的信息，从而发生冲突。时间片V就解决了发送数据与汇报状态的冲突问题。如图8所示，如果只有3和4号节点不在线，那么V=2w，在第一个w里，由于4号节点上线，会向主控节点汇报自己在线，下个周期主控节点会将最新的从节点状态广播到总线上，因此从节点会重新安排上线节点（4号）发送数据的时刻与顺序。如果出现连续两个节点上线，那么这两个节点就会出现仲裁，号数小的节点会优先向主控节点汇报，号数大的节点在下个w时间段内汇报给主控节点。这样就解决了汇报状态与发送数据的冲突问题。下个周期主控节点会刷新节点状态广播给所有的在线节点，刚上线的节点就拥有一个t时间段来发送数据，这样就解决了动态主控同步CAN总线的节点突然上下线的问题。

4设计仿真实验及结果分析

　　为了验证在数据采集时，主控同步的CAN总线可以解决冲突问题和提高数据可靠性，设计了图9所示的仿真平台。

　　主控同步的CAN总线在采控集数据时，当时间周期为T时，所有节点都发送一次采集的数据的时间就是T，T越小，每个节点所分到的时间t就越短，当T小到某一个值时，可能会出现所有节点的数据都无法发送完，就会出现数据采集失败。所以只有当t≥tmax时，每个节点都可以顺利地向总线发送数据，tmax为所有测试节点中正常发送数据所需时间最长的时间。同时T=T1+V=Yt+Xw，由于w<t，因此T=T1+V<nt，随着X的增多，Y的减少，T=T1+V越来越小，动态地减小了数据发送的周期，提高了实时性。

　　对于标准CAN，由于每个节点之间是不相关的，因此它们是独立同分布的。假设总线空闲时每个节点发送数据的概率为P，数据发送过程中会发生冲突的概率为Px，总线空闲同时也没有节点发送数据的概率为P0=C0nP0(1-P)n，总线空闲同时只有一个节点会发送数据的概率为P1=C1nP1(1-P)n-1，则Px=1-P0－P1=1-C0nP0(1-P)n-C1nP1(1-P)n-1=1-(1-P)n-nP(1-P)n-1。但是主控同步的CAN因为主控节点的缘故使得发生冲突的概率为0。标准CAN与主控同步CAN的实验结果对比如表1所示。

　　通过表1对比可以看出主控同步CAN总线的冲突的概率为0，优于标准CAN，静态主控同步CAN的数据传输的实时性比动态的差，因为在t和w变化的条件下，X和Y也动态地变化，从而动态地改变了总体消耗的时间T=T1+V，最终提高了数据传输的实时性，由此看出动态主控同步CAN更加适合数据采集的环境。

5结论

　　本文通过分析RS485和CAN总线的仲裁机制，在标准CAN的基础上提出了基于主控同步的CAN总线，它能

　　够解决数据冲突的问题，避免了仲裁，提高数据传输的实时性与可靠性。静态主控同步的CAN总线可以提高数据的可靠性，但是会浪费一些时间段T/n，所以在此基础上提出了动态主控同步的CAN总线。通过对比发现，动态主控同步可以提高数据传输的实时性和可靠性，所以在数据采集这个特殊的背景下，动态主控同步的CAN总线有着自己独特的优势。

　　参考文献

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