CAN总线实验系统及其双线冗余的研究

论文摘要

CAN(Controller Area Network)控制器局域网总线是一种广泛应用于工业控制领域的现场总线。在CAN总线系统开发中,通过实验平台验证CAN系统的实时性和有效性十分必要。有别于一般的CAN总线实验系统,本文采用双核微控制器和双线冗余方法,设计并完成了基于海船综合导航系统模型的CAN总线实验系统,为CAN总线性能研究提供了一个良好的实验平台。本文首先介绍了多核处理器的发展历程、结构和特点。详细分析了系统设计中所使用的飞思卡尔双核微控制器MC9S12XDT512在实时性方面的优势以及在双核通信和资源共享方面与单核的不同之处。随后,分析了CAN总线应用于综合导航系统的可行性。使用MC9S12XDT512微控制器设计并完成了CAN总线实验系统。给出了硬件结构组成和软件程序设计。通过时间开销测试、单总线单节点和双总线实验验证了实验系统的性能。然后,在对固定优先级调度算法的分析基础上,将该算法运用到CAN总线实验系统中。利用FPS算法性能分析软件计算出所有总线消息的性能参数,通过实验验证了该算法对于海船综合导航系统模型的有效性。针对最糟糕响应时间理论,本文开创性地利用实验系统实测了消息的响应时间,将实测数据与理论值进行对比分析,得出相关结论。最后介绍了CAN总线冗余技术和可靠性技术,利用数学模型对单总线系统和双线冗余系统的可靠性进行了理论分析,并通过长时实验采集数据,给出了两个系统的可靠度趋势图,验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 CAN 总线实验系统研究现状
• 1.2 基于CAN 总线的消息调度理论
• 1.3 冗余技术研究现状
• 1.4 课题研究的意义和内容
• 第二章 多核处理器概述
• 2.1 多核处理器的发展历程
• 2.2 多核处理器结构和特点
• 2.2.1 多核处理器架构分析
• 2.2.2 多核处理器特点
• 2.3 多核嵌入式微处理器的发展
• 2.4 飞思卡尔双核微控制器
• 2.4.1 MC9512XDT512 简介
• CPU 与XGATE 的通信'>2.4.2 S12X_CPU 与XGATE 的通信
• CPU 与XGATE 的资源共享'>2.4.3 S12X_CPU 与XGATE 的资源共享
• 2.5 小结
• 第三章 CAN 总线实验系统设计与实现
• 3.1 CAN 总线实验系统概述
• 3.1.1 海船综合导航系统
• 3.1.2 CAN 总线应用于综合导航系统的可行性
• 3.2 CAN 总线实验系统硬件结构
• 3.2.1 系统硬件结构
• 3.2.2 CAN 节点设计
• 3.2.3 海船综合导航系统消息模型
• 3.2.4 MSCAN 模块
• 3.2.4.1 发送结构
• 3.2.4.2 接收结构
• 3.2.4.3 驱动函数介绍
• 3.3 CAN 总线实验系统程序设计
• 3.3.1 发送消息程序设计
• 3.3.1.1 设计思想
• 3.3.1.2 发送消息主程序设计
• 3.3.1.3 发送中断程序设计
• 3.3.2 接收消息程序设计
• 3.3.2.1 设计思想
• 3.3.2.2 接收消息主程序设计
• 3.3.2.3 接收中断程序设计
• 3.4 实验分析
• 3.4.1 时间开销测试
• 3.4.2 单总线单节点实验
• 3.4.3 双总线实验
• 3.5 小结
• 第四章 固定优先级调度及实验研究
• 4.1 固定优先级调度算法
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 固定优先级调度算法可调度分析
• 4.2 FPS 算法在海船综合导航系统消息模型中的应用
• 4.2.1 FPS 算法理论分析结果
• 4.2.2 FPS 算法调度器的设计
• 4.2.3 实验数据及分析
• 4.3 响应时间的实验研究
• 4.3.1 硬件设计
• 4.3.2 程序设计
• 4.3.2.1 检测GPS 信号程序
• 4.3.2.2 记录发送时刻程序
• 4.3.2.3 记录接收时刻程序
• 4.4 实验数据及分析
• 4.5 小结
• 第五章 双总线冗余的研究
• 5.1 冗余技术
• 5.1.1 冗余技术概述
• 5.1.2 CAN 总线冗余技术
• 5.1.2.1 CAN 总线典型电路
• 5.1.2.2 CAN 总线驱动器的冗余
• 5.1.2.3 CAN 总线控制器的冗余
• 5.1.2.4 全系统冗余
• 5.2 可靠性概述
• 5.3 双线冗余可靠性分析
• 5.3.1 理论分析
• 5.3.2 实验验证
• 5.4 小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢