基于CAN总线的工业控制网络实时性应用研究

论文摘要

随着工业控制系统的不断发展,越来越多的工业控制系统要求实现信息的快速传递,实现现场设备的快速采样和实时控制,实现上位机的快速显示和操作,对控制系统的实时性提出了越来越高的要求。以现场总线为代表的工业控制网络已成为新一代工业控制系统中的重要技术,它是计算机网络技术在工业控制底层的具体实现。在现场总线控制系统中,CAN总线由于采用了许多新技术及独特的设计,与一般总线相比具有突出的可靠性、实时性和灵活性,被公认为几种最有前途的现场总线之一。本论文以CAN总线的网络通信实时性问题为研究对象,对其实时性问题进行理论上的研究以及改进。首先,在系统分析了CAN总线协议的特点并指出CAN总线的主要局限性的基础上,对CAN总线网络通信的实时性问题进行理论分析,说明在高负载情况下网络延时会大大增强。其次,根据CAN协议的特点提出基于优先权动态时分CAN调度方法。该方法在调度过程中没有增加额外的网络负载,减少了网络的信息碰撞;另一方面,能保证低优先级信息在高负载时占有一定的带宽。最后,完成CAN仿真实验平台的设计与开发,通过实验证明优先权动态时分CAN相对于基本CAN在高网络负载下有更小延时,其成果表明,相对于基本CAN协议优先权动态时分CAN的实时性得到进一步改进。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 现场总线技术综述
• 1.2 几种典型的现场总线介绍
• 1.3 CAN总线的起源与特点
• 1.4 CAN总线的技术局限性
• 1.5 课题的提出及意义
• 1.6 CAN总线的国内外研究动态
• 1.7 论文研究内容
• 2 CAN总线基本原理
• 2.1 CAN总线概述
• 2.1.1 CAN在国外的发展
• 2.1.2 CAN的工作原理
• 2.1.3 CAN总线的基本特点
• 2.2 CAN的分层结构
• 2.2.1 逻辑链路控制（LLC）子层
• 2.2.2 媒体访问控制（MAC）子层
• 2.2.3 物理层
• 3 工业控制网络实时性分析
• 3.1 工业控制网络实时性总述
• 3.2 控制系统实时性内容及要求
• 3.3 控制网络协议实时性分析模型
• 3.3.1 控制网络协议的典型结构
• 3.3.2 数据类型和延迟模型
• 3.3.3 控制网络数据链路层协议分析模型
• 4 CAN总线网络通信实时性分析及改进
• 4.1 CAN总线的总线仲裁技术分析
• 4.1.1 载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的总线访问机制
• 4.1.2 总线仲裁过程分析
• 4.2 CAN总线实时性分析
• 4.2.1 CAN控制器结构
• 4.2.2 CAN总线网络模型与参数
• 4.2.3 平衡状态下单个帧平均等待时间的求解
• 4.3 CAN总线实时性改进及优先权动态算法分析
• 4.4 算法的程序实现
• 5 CAN总线实时性仿真实验平台的搭建
• 5.1 实验平台的设计
• 5.2 下位通讯模块的硬件电路设计
• 5.2.1 SJA1000CAN控制器电路
• 5.2.2 物理层接口驱动电路
• 5.2.3 A/D模拟信号的采集电路
• 5.2.4 D/A模拟信号输出电路
• 5.2.5 系统通讯
• 5.3 下位通讯模块的软件设计
• 5.3.1 软件开发环境
• 5.3.2 通讯模块的软件设计
• 5.4 上位操作平台软件设计
• 5.5 系统运行及实验结果分析
• 结论
• 参考文献
• 附录优先权动态时分源程序
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果