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基于CAN总线的工业测控通信系统的研究

作　者: 吴涛
导　师: 刘超
学　校: 江西师范大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 现场总线 CAN 调度算法通信协议控制网络测控系统
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

控制技术、网络通信技术和计算机技术的飞速发展,工业自动化向网络控制系统发展已成为必然的事实,网络控制系统因此成为计算机应用领域最具活力的一个分支。控制网络作为网络控制系统实现的基础,始终是一个研究热点,控制网络的变化决定网络控制方式的转变。目前,工业网络控制系统在经历了从集中式控制到集散型控制后,已进入到现场总线控制阶段。由于CAN总线具有结构简单、低成本、高可靠性、较高实时性、抗干扰能力强等突出的特点,而成为40多种现场总线中应用最为广泛的现场总线。但应用CAN总线作为工业测控系统的控制网络还存在两个方面的问题。一是静态优先级分配策略,使得网络资源的利用率低,容易造成迎面死锁,从而难以满足工业测控系统对精确性和实时性要求越来越高的需求。另一是CAN总线仅定义了物理层和数据链路层,这虽然使得CAN总线具有很强的开放性,但要进行高效率的通信还需要进一步定义应用层协议。正是基于这样一个背景,本文在研究改进CAN总线的优先级调度算法的基础上,针对工业测控系统的特点,开展CAN应用层协议设计研究。本文在分析CAN总线通信协议原理、现有动态优先级调度算法的优缺点与适应性的基础上,针对CAN总线固定优先级容易造成死锁和网络资源利用率低等问题,在不改变CAN帧结构的前提下,对其标识符进行了重新的定义,依据优先级动态晋级原理,提出了BEWP动态优先级调度算法(Binary Exponent Weight Promotion二进制指数权值晋升)。并对该调度算法进行了可调度性和延时分析。针对CAN总线本身没有应用层协议和工业测控系统的特点,本文为CAN总线设计了一个的应用层协议----CMCP(CAN Measurement and Control Protocol)。在保证系统的兼容性的前提下,使得CAN总线的应用更为灵活。并利用网络仿真工具OPNET对CAN总线的通信协议进行了建模与仿真,验证了协议的可行性。以CAN总线通信协议原理为基础,结合本文提出的BEWP动态优先级调度算法和设计的CMCP应用层协议,分别从硬件和软件两方面对工业测控通信系统进行了设计,为搭建工业测控通信系统奠定了基础。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-16
  1.1 课题研究的背景  9-12
    1.1.1 课题研究的意义  9-10
    1.1.2 国内外研究现状  10-12
    1.1.3 课题研究的可行性分析  12
  1.2 课题研究的概述  12-14
    1.2.1 课题研究的目标与内容  12-13
    1.2.2 课题研究拟解决的关键问题与创新点  13-14
    1.2.3 课题研究的基础  14
  1.3 论文的组织结构  14-16
第二章现场总线工业测控系统与CAN 总线通信协议  16-25
  2.1 现场总线工业测控系统的概述  16-17
    2.1.1 工业测控系统及其特点  16
    2.1.2 现场总线工业测控系统及其特点  16-17
    2.1.3 现场总线工业测控系统的体系结构  17
  2.2 CAN 总线的通信协议  17-23
    2.2.1 CAN 总线的主要特性与通信模型  17-18
    2.2.2 CAN 总线物理层规范  18-19
    2.2.3 CAN 总线的数据链路层的帧类型及其格式  19-21
    2.2.4 CAN 总线的错误类型和故障界定  21-22
    2.2.5 CAN 总线非破坏性仲裁  22-23
  2.3 CAN 总线的相关器件  23-25
    2.3.1 CAN 总线控制器--SJA1000  23-24
    2.3.2 CAN 总线驱动器--82C250  24-25
第三章 CAN 总线的调度算法及其改进  25-37
  3.1 网络调度算法的概述  25-27
    3.1.1 互联网络及其控制策略  25-26
    3.1.2 网络调度算法及其类型  26-27
  3.2 CAN 总线的调度算法  27-30
    3.2.1 静态调度算法  27-29
    3.2.2 动态调度算法  29-30
  3.3 CAN 总线的二进制指数权值晋升(BEWP)动态调度算法  30-34
    3.3.1 BEWP 动态调度算法的基础  30-31
    3.3.2 BEWP 动态调度算法  31-33
    3.3.3 实时性消息的抢占机制  33-34
  3.4 BEWP 动态调度算法的分析  34-37
    3.4.1 调度算法的可调度性分析  34-35
    3.4.2 调度算法的通信时延分析  35-37
第四章 CAN 总线工业测控通信系统的设计  37-47
  4.1 CAN 总线测控通信系统的硬件设计  37-38
    4.1.1 CAN 测控通信系统的体系结构  37
    4.1.2 CAN 节点通信模块的物理实现  37-38
  4.2 应用层协议的设计  38-42
    4.2.1 应用协议设计的基本原则与功能需求  38-39
    4.2.2 报文格式及功能编码定义  39-41
    4.2.3 大块报文的多帧传输  41-42
    4.2.4 版本协商与地址动态分配  42
  4.3 测控通信系统的软件设计  42-47
    4.3.1 上位机的软件设计  43-44
    4.3.2 下位机的软件设计  44-47
第五章 CAN 总线工业测控通信系统的仿真实验  47-58
  5.1 网络通信仿真与OPNET 仿真软件  47-49
    5.1.1 网络通信仿真  47
    5.1.2 OPNET 仿真软件  47-49
  5.2 CAN 与CMCP 网络仿真模型  49-54
    5.2.1 网络模型  49
    5.2.2 节点模型  49-50
    5.2.3 进程模型  50-53
    5.2.4 链路类型与包格式  53-54
  5.3 CAN 与CMCP 网络通信仿真的配置与运行  54-58
    5.3.1 网络通信仿真的配置  54-55
    5.3.2 实验结果分析  55-58
第六章总结与展望  58-60
  6.1 主要研究工作总结  58-59
  6.2 进一步研究展望  59-60
参考文献  60-63
致谢  63-64
攻读硕士学位期间发表的论文  64

基于CAN总线的工业测控通信系统的研究

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