梁　鵬　王春生

摘要：文章主要介紹了CAN總線技術(shù)的特性、實(shí)時(shí)性，以及應(yīng)用在電網(wǎng)調(diào)度中的實(shí)現(xiàn)過程和取得的效果。

關(guān)鍵詞：CAN總線技術(shù)；實(shí)時(shí)性；電網(wǎng)調(diào)度；靜態(tài)調(diào)度

中圖分類號(hào)：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2009）01-0071-02

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，對電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性要求也越來越高。而電力系統(tǒng)對變電站又提出了減員增效的要求，這兩者之間的矛盾可以通過CAN總線技術(shù)來解決。

一、現(xiàn)場總線及其特點(diǎn)

現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)。它的產(chǎn)生是自動(dòng)化儀表發(fā)展的必然趨勢，同時(shí)也是企業(yè)綜合自動(dòng)化發(fā)展的需要[1]。

和以往的控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線具有以下特點(diǎn)：

全數(shù)字通信、多分支結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)可控、互操作性和互換性、控制分散等等特點(diǎn)簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。

CAN（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡稱，它屬于現(xiàn)場總線的范疇，是德國Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制。已經(jīng)被列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，稱為ISO11898。今天，CAN已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。

經(jīng)過十余年的發(fā)展，出現(xiàn)了CAN，F(xiàn)F，P rofibus，Lonworks等多種現(xiàn)場總線產(chǎn)品，其中CAN總線因?yàn)榫哂袌?zhí)行成本低，高可靠性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工控自動(dòng)化，過程控制等領(lǐng)域，成為主流現(xiàn)場總線之一。

二、CAN總線及其特點(diǎn)

CAN總線協(xié)議建立在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放系統(tǒng)互連參考模型基礎(chǔ)上，但是，其模型結(jié)構(gòu)只有兩層，即只取OSI底層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層主要分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC） [2]。

和其他現(xiàn)場總線相比，CAN總線具有以下特點(diǎn)：

CAN總線通信機(jī)制——仲裁場、節(jié)點(diǎn)不分主從通信方式靈活、CSMA/CA、多種方式傳送接收數(shù)據(jù)、傳輸距離遠(yuǎn)通信速率高、采用短幀結(jié)構(gòu)、通信介質(zhì)選擇靈活。

三、CAN總線的實(shí)時(shí)性

盡管CAN具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在許多不足?；镜腃AN總線協(xié)議中采用的是固定優(yōu)先級(jí)機(jī)制，它比較適合于確定性硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的消息調(diào)度，但靈活性較差，即只適用于系統(tǒng)時(shí)間特性固定不變的系統(tǒng)，如果網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸消息的時(shí)間特性發(fā)生變化，則會(huì)造成整個(gè)靜態(tài)調(diào)度的重新構(gòu)建；同時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)中初始優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)較多，就會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)總也得不到機(jī)會(huì)發(fā)送，直至被丟棄，這就降低了系統(tǒng)的執(zhí)行性能，甚至可能造成嚴(yán)重錯(cuò)誤；CAN總線通信協(xié)議采用事件觸發(fā)機(jī)制，而在工業(yè)控制中同時(shí)存在時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)信息，且以時(shí)間觸發(fā)為主，這就需要我們對CAN總線設(shè)計(jì)合理有效的調(diào)度策略，消除或減小信號(hào)抖動(dòng)，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[3]。

在CAN總線應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的過程中，實(shí)時(shí)性是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。實(shí)時(shí)是指信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都要在極短的時(shí)間內(nèi)完成，并根據(jù)生產(chǎn)過程工況的變化及時(shí)地進(jìn)行處理。而實(shí)時(shí)系統(tǒng)指在事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生的同時(shí)，能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給予響應(yīng)，以足夠快的速度處理，及時(shí)地將處理結(jié)果送往目的地的一種處理系統(tǒng)。研究CAN協(xié)議的實(shí)時(shí)性問題，采取合理的措施克服CAN協(xié)議中固定優(yōu)先級(jí)機(jī)制的缺陷，提高CAN總線通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性具有重要的應(yīng)用價(jià)值。設(shè)計(jì)一種有效的優(yōu)化調(diào)度方式與算法實(shí)現(xiàn)，提高CAN總線在工控領(lǐng)域的通信實(shí)時(shí)性[4]。

首先以CAN總線通信機(jī)制為基礎(chǔ)對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，采用有效的調(diào)度方案與算法實(shí)現(xiàn)通信信息的實(shí)時(shí)調(diào)度，以便消除或減小信號(hào)抖動(dòng)，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性；設(shè)計(jì)CAN總線硬件平臺(tái)，編寫相關(guān)算法，進(jìn)行試驗(yàn)測試、分析與改進(jìn)。以CAN總線通信機(jī)制為基礎(chǔ)，應(yīng)用實(shí)時(shí)調(diào)度理論和優(yōu)化算法，提出一種基于CAN總線的有效的工控優(yōu)化調(diào)度方案與算法，消除或減少信號(hào)抖動(dòng)，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。根據(jù)CAN總線對應(yīng)用層開放的特點(diǎn)，應(yīng)用SCM芯片設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)，編寫和驗(yàn)證所提優(yōu)化調(diào)度方案與算法的有效性。進(jìn)一步將TTCAN（Time-triggered CAN）和容錯(cuò)控制算法引入到研究中。

基于CAN總線的實(shí)時(shí)調(diào)度算法有多種分類方式，整體上可以分為兩類：靜態(tài)調(diào)度算法和動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，其中動(dòng)態(tài)調(diào)度算法又包括混合調(diào)度算法。

靜態(tài)優(yōu)先級(jí)是指系統(tǒng)中需要調(diào)度的各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是事先固定的，在運(yùn)行過程中不再發(fā)生變化，因此，靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法也可以稱為固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法[5]。

靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的缺點(diǎn)是不靈活，缺少對系統(tǒng)運(yùn)行過程中突發(fā)事件的實(shí)時(shí)處理能力，需要事先考慮系統(tǒng)中各種可能出現(xiàn)的情況；并且可能出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)信息等待時(shí)間過長、總也得不到發(fā)送機(jī)會(huì)的情況，這對實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行是非常不利的。因此，我們需要考慮采用更加靈活的調(diào)度算法：動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法。

動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)是指系統(tǒng)中需要調(diào)度的各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，是隨時(shí)間推移而動(dòng)態(tài)變化的，在動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法中，任務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)隨著系統(tǒng)中任務(wù)運(yùn)行而變化，任務(wù)優(yōu)先級(jí)不僅僅與任務(wù)自身有關(guān)系，而且與系統(tǒng)中的其他任務(wù)有關(guān)。這使得系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性大大提高。

將動(dòng)態(tài)調(diào)度算法與靜態(tài)調(diào)度算法相結(jié)合，同時(shí)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、啟發(fā)式算法等思想融入其中，稱為混合調(diào)度算法。

綜上所述，對于一個(gè)CAN總線的應(yīng)用系統(tǒng)，通常都混合有實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的信息，所以需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求，仔細(xì)分析上述各種調(diào)度算法的優(yōu)缺點(diǎn)，選定一種合理的調(diào)度算法滿足信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可預(yù)測性要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陽憲惠．工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M]．清華大學(xué)出版社，2003．

[2]馮冬芹，等．以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線[J]．自動(dòng)化儀表．2003，24（6）．

[3]Jean Pierre Thomesse， Intelligent Components， The Fieldbus， Proceedings of the International Symposium on The and Instruments for Control Application， 1997．

[4]David A．Glanzer， Interoperable Fieldbus Devices: A Technical Overview， ISA Transaction 1996，34(2)．

[5]周震，楊正林．時(shí)間觸發(fā)CAN——TTCAN[J]．汽車電器，2005，(5)．

作者簡介：梁鵬（1981- ），男，山東濟(jì)南人，錦州供電公司助理工程師，工程碩士，研究方向：電網(wǎng)管理。