变配电过程CAN总线时延特性分析及其节点实现

论文摘要

CAN总线由于其低成本、高可靠性、实施维护简单等诸多优点,是目前变配电过程总线的很好选择。随着通信网络规模的增大和变配电自动化系统复杂性的增加,通信系统对数据的实时性要求也越来越严格,因此分析CAN总线的时延特性具有非常重要的应用价值。本文在回顾与总结过程总线发展历程的基础上,借鉴实时调度基本理论,致力于CAN总线时延特性的分析研究工作,并设计了一种基于表的动态优先级晋升方法的CAN节点。（1）分析了变配电过程总线及CAN总线的研究现状与发展趋势,指出了标准CAN协议的局限性,阐述了研究CAN总线实时性的必要性,并介绍了变配电过程CAN总线实时通信技术基础。（2）从CAN总线媒体访问技术入手,分析了在高总线负载率下低优先级报文存在的实时性问题,并对数据在通信网络中传输的最糟糕响应时间进行了理论分析；比较了基于表的静态调度方法与动态优先级晋升方法,提出了一种以静为主动静结合的基于表的动态优先级晋升方法,并分析了该方法的理论可行性。（3）根据CAN协议国际标准、企业标准及项目的功能要求,提出了CAN节点模块的设计要求与总体设计方案。硬件系统以LPC2119为核心,包括了CAN接口模块、串行接口模块、电源模块、人机接口模块及调试模块等,详细地阐述了各模块的电路组成原理及其实现方法；软件系统结合硬件电路,以C语言为设计基础,以μVision3为开发平台,详细地讲述了基于表的动态优先级晋升方法的实现。（4）结合企业配电演示平台与智能断路器等,利用USB-JTAG转换器对CAN样机进行反复调试,并给出了测试结果,验证了该CAN节点的相关性能。最终的测试及运行结果表明,本文所提出的基于表的动态优先级方法的工程可行性,所设计的基于该方法的CAN节点样机运行稳定,相关的技术功能指标达到了预期的设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 课题研究的目的与意义
• 1.4 本文的主要工作和内容安排
• 第2章 CAN总线实时通信技术基础
• 2.1 CAN总线技术
• 2.1.1 CAN协议概述
• 2.1.2 变配电过程CAN总线通信模型
• 2.1.3 变配电站自动化系统对通信网络的要求
• 2.2 实时通信系统的相关技术
• 2.2.1 实时性能评价指标
• 2.2.2 消息触发机制
• 2.2.3 实时调度算法
• 第3章 CAN总线时延特性分析及改进
• 3.1 标准CAN协议时延特性分析
• 3.1.1 CAN总线媒体访问技术
• 3.1.2 CAN总线存在的实时性缺陷
• 3.1.3 CAN总线最糟糕响应时间分析
• 3.2 基于表的静态调度方法时延特性分析
• 3.2.1 时间触发机制在CAN总线中的引入
• 3.2.2 系统时钟同步的实现
• 3.2.3 系统调度表的设计与实现
• 3.2.4 基于表的静态调度方法最糟糕响应时间分析
• 3.3 动态优先级晋升方法时延特性分析
• 3.3.1 动态优先级晋升方法思路的提出
• 3.3.2 动态优先级晋升方法的实现
• 3.3.3 动态优先级晋升方法最糟糕响应时间分析
• 3.4 基于表的动态优先级晋升方法时延特性分析
• 3.4.1 时间窗口的分类
• 3.4.2 仲裁时窗中晋升优先级
• 3.4.3 基于表的动态优先级晋升方法最糟糕响应时延分析
• 第4章 基于表的动态优先级晋升方法的CAN节点实现
• 4.1 CAN节点总体设计
• 4.1.1 CAN节点主要功能与性能要求
• 4.1.2 CAN节点硬件结构框图
• 4.2 CAN节点硬件设计
• 4.2.1 微处理器与CAN控制器的选择
• 4.2.2 CAN接口模块设计
• 4.2.3 串行接口模块设计
• 4.2.4 电源模块设计
• 4.2.5 人机接口模块的设计
• 4.2.6 复位与调试接口模块的设计
• 4.3 CAN节点软件设计
• 4.3.1 CAN节点初始化
• 4.3.2 CAN节点数据通信
• 4.3.3 CAN节点算法实现
• 第5章 配电演示系统的测试及结果分析
• 5.1 测试平台的构建
• 5.1.1 通信规约
• 5.1.2 测试工具
• 5.2 系统通信功能测试
• 5.2.1 测试方法
• 5.2.2 测试结果及分析
• 5.3 CAN通信时延测试
• 5.3.1 测试方法
• 5.3.2 测试结果及分析
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的论文
• 附录B 攻读学位期间参加的科研项目
• 附录C 部分原理图
• 附录D 部分硬件检测报告