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基于时间触发的导航系统CAN网络设计与实现

作　者: 于影
导　师: 周卫东
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: CAN网络时间触发调度算法实时性可靠性
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 32次
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内容摘要

由于串行通信有结构简单，传输距离远等优点，传统导航系统采用串行接口进行通信，但是随着导航设备技术的进步，传输数据的快速性和多样性等都有较大的提高，串行通信方式将无法满足现代导航系统的需要。近些年，CAN总线技术在层次设计、抗干扰能力、错误检测机制以及可靠性和实时性等方面有很突出的优势，在现代船舶工业系统中已经开始普及使用。但是CAN总线本身也存在很多固有的缺陷，例如CAN总线采用位仲裁机制的自主抢占式模式，当信息量和数据密度大并且接近CAN总线额定带宽时，将导致低优先级的信息产生很大的数据延迟，甚至出现数据丢失等现象。对网络内部分节点的传输时刻的正确性和精确性有严格要求的导航系统，通常的CAN总线已经无法满足其实时性。针对上述CAN总线存在的缺陷，本文采用在CAN总线的会话层添加时间触发机制的时间触发CAN协议来提高网络的实时性，该协议的底层技术与CAN总线完全一致。时间触发CAN网络内各节点的通信都是基于一个全局时间，全部同步于离线设计的时间调度表，根据调度表的安排，在各自既定的时间窗口内定时的完成相应的操作，从而可避免信息量大时产生数据延迟，保证各信息能够在最大传输期限内顺利的完成操作，系统的实时性得以保证。首先本文对时间触发CAN总线的底层技术和关键技术的相关规范进行了详细的介绍。通过分析时间触发CAN协议内部的时间触发机制、时间同步机制以及时间调度表的构建等，结合船舶导航系统设备信息的特点，设计了一维装箱算法、粒子群优化算法和动态优先级提升算法，与时间触发CAN协议相结合提高船舶导航系统实时性能。然后通过总结时间触发导航系统CAN网络可靠性和冗余技术的特点，选用静态硬件冗余技术实现对整个网络的冗余备份；对时间触发CAN网络时间触发机制中重要的时间主节点进行冗余备份设计以及故障切换设计；对网络结构改变时的系统矩阵进行设计，完成导航系统可靠性能的提高。最后，搭建时间触发导航系统CAN网络的测试环境，对时间触发导航系统CAN网络的实时性和可靠性进行测试分析，结果分析显示，本设计提高了时间触发导航系统CAN网络的实时性和可靠性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-14
  1.1 课题研究背景和意义  10
  1.2 CAN 网络及 TTCAN 网络发展现状  10-12
    1.2.1 CAN 网络的发展现状  10-11
    1.2.2 TTCAN 网络的发展现状  11-12
  1.3 时间触发 CAN 网络在应用中存在的问题  12
  1.4 研究的主要内容及结构安排  12-14
第2章 TTCAN 总线网络技术  14-26
  2.1 TTCAN 总线底层技术  14-19
    2.1.1 总线的分层结构  14-15
    2.1.2 报文的结构  15-16
    2.1.3 总线的位定时与位同步  16-17
    2.1.4 总线位仲裁机制  17-18
    2.1.5 总线错误检测及处理  18-19
  2.2 TTCAN 总线的关键技术  19-24
    2.2.1 TTCAN 协议的时间触发机制  19-20
    2.2.2 TTCAN 协议的时间基准  20-22
    2.2.3 TTCAN 协议的系统矩阵  22-23
    2.2.4 参照报文  23
    2.2.5 基本周期以及时间窗口  23-24
    2.2.6 TTCAN 时间标记  24
  2.3 本章小结  24-26
第3章时间触发导航系统 CAN 网络实时性设计  26-36
  3.1 导航系统 TTCAN 网络需求分析  26-27
  3.2 导航系统调度算法  27-29
    3.2.1 静态和动态调度算法介绍  27
    3.2.2 动态生成系统调度表设计  27-29
  3.3 周期性导航信息调度设计  29-34
    3.3.1 典型一维装箱算法  29
    3.3.2 导航系统 TTCAN 网络基本周期设计  29-30
    3.3.3 导航系统 TTCAN 网络系统矩阵设计  30
    3.3.4 周期性导航信息调度算法流程  30-32
    3.3.5 导航系统的 TTCAN 网络系统矩阵优化  32-34
  3.4 随机性导航信息调度设计  34-35
    3.4.1 DPP 提升算法  34-35
    3.4.2 随机性导航信息调度算法流程  35
  3.5 本章小结  35-36
第4章时间触发导航系统 CAN 网络可靠性设计  36-48
  4.1 TTCAN 网络冗余技术及故障状态  36-39
    4.1.1 TTCAN 网络冗余技术  36-37
    4.1.2 TTCAN 网络故障状态  37-39
  4.2 导航系统 TTCAN 网络可靠性分析  39-40
  4.3 导航系统 TTCAN 网络驱动设计  40-44
  4.4 导航系统 TTCAN 网络冗余备份设计  44-47
    4.4.1 TTCAN 全网络冗余设计  44
    4.4.2 TTCAN 主节点设计  44-45
    4.4.3 TTCAN 主节点冗余备份切换设计  45-47
  4.5 本章小结  47-48
第5章时间触发导航系统 CAN 网络性能测试  48-62
  5.1 导航系统 TTCAN 网络测试环境搭建  48-52
    5.1.1 时间主节点测试环境搭建  48-51
    5.1.2 导航设备节点测试环境搭建  51-52
    5.1.3 系统测试分析工具  52
  5.2 导航系统 TTCAN 网络实时性测试  52-59
    5.2.1 导航系统的系统矩阵构建  52-56
    5.2.2 导航系统实时性验证与结果分析  56-59
  5.3 导航系统 TTCAN 网络的可靠性验证  59-61
  5.4 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-67
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  67-68
致谢  68

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