A compression-gathering technique for improving the performance of ISO 11898 networks

ISO 11898 (CAN) networks suffer from serious limitations on both the maximum network extension and the allowable bit rate because of the particular arbitration technique they adopt.

In this paper, a modification of the basic ISO 11898 protocol is described which combines the content compression and data gathering techniques and provides high performance services for periodic data exchanges and message transmissions.

The new protocol yields, on the average, a 10-times performance improvement over conventional CAN without worsening neither the responsiveness nor the bus length, and also features a satisfactory degree of compatibility with the original standard protocol.     

基于CAN 网的模糊优先级配置策略

利用CAN网的广播特性,提出一种新的闭环模糊优先级配置策略.各节点数据优先级的设定既与其QoS需求有关,又与其节点标识位及前一个传输数据的优先级有关.该策略尽管使用较少的优先级,但仍能保证实时数据较高的可调度性和非实时数据的服务公平性.较少的优先级只占用较少的bit位,这样不仅扩大了CAN网的服务能力,而且提高了CAN网的带宽利用率.     

面向无线传感器节点的集成CAN总线芯片设计

根据CAN(Controller Area Network)总线国际标准协议(ISO11898)完成了一款应用于无线传感器节点的集成CAN总线芯片设计,提高无线传感器节点的集成度与可靠性.采用混合信号集成电路设计技术实现了CAN总线控制器芯片与收发器芯片的集成,最终采用Global Foundry的0.35 μm CMOS工艺进行设计并流片,芯片面积为4 mm2.芯片测试结果表明,该芯片设计符合标准协议规定,通信速度最高为1 Mbyte/s,与商用CAN总线通信芯片正确通信,可方便地应用到无线传感器CAN总线通信系统中.     

Schedulability analysis for Controller Area Network (CAN) with FIFO queues priority queues and gateways

Controller Area Network (CAN) is widely used in automotive applications. Existing schedulability analysis for CAN is based on the assumption that the highest priority message ready for transmission at each node on the network will be entered into arbitration on the bus. However, in practice, some CAN device drivers implement FIFO rather than priority-based queues invalidating this assumption. In this paper, we introduce response time analysis and optimal priority assignment policies for CAN messages in networks where some nodes use FIFO queues while other nodes use priority queues. We show, via a case study and experimental evaluation, the detrimental impact that FIFO queues have on the real-time performance of CAN. Further, we show that in gateway applications, if it is not possible to implement a priority queue, then it is preferable to use multiple FIFO queues each allocated a small number of messages with similar transmission deadlines.     

机器人关节通信总线系统的建模与验证

高速串行现场总线Controller Area Network （CAN）被广泛部署到机器人通信系统中.而服务机器人任务具有并发性和高实时性的特点,因此如何根据总线协议规范和应用需求精化设计模型,保证系统设计的正确性和实时性要求,避免设计阶段的漏洞十分必要.针对传统方法的局限性,本文提出使用形式化方法对基于CAN现场总线型控制系统进行建模分析.首先对系统进行模型抽象和形式表达;其次进行形式建模和自动验证,在UPPAAL中实现主控制器、关节控制器、收发器、仲裁器和CAN总线的时间自动机模型;最后对机器人通信系统进行正确性验证和实时性分析.实时性分析发现随着总线上关节节点数的增多,低优先级节点的最坏仲裁时延的增长速率加大,针对这个问题在形式模型中加入了改进的动态优先级策略.实验结果表明部署动态优先级策略后不仅减小了低优先级节点的仲裁时延而且还可以加大CAN总线的节点负载量,为系统设计提供有效的指导和参考.     

面向安全关键系统的CAN总线应用研究综述*

控制器局域网适合小型安全关键系统的现场总线控制要求,能够以最大1Mbps速率发送和接收实时短消息。分析了CAN总线的结构、特点、协议仲裁机制、接口设计方法、实时特性和错误处理机制。为了支持任务关键网络,比较了事件触发协议与时间触发协议的特性,讨论了时间触发CAN协议的研究进展。     

CAN总线通信过程的Stateflow建模与仿真

控制器局域网（CAN）是一种广泛应用于实时通信系统中的现场总线,其建模和仿真是对CAN总线通信性能进行综合评估和优化设计的必要手段。针对CAN总线通信性能指标优化设计问题,文章采用Simulink／Stateflow仿真工具对CAN通信过程的建模方法进行了深入研究,给出了仿真模型并对仿真实例进行了研究分析,得到了信息到达时间间隔,通道忙闲率,高优先级发送引起的受阻率等网络特性对总线通信性能吞吐量和平均端到端延时的影响,从而有效地分析了CAN总线的实时通信性能,提出了优化通信性能指标设计时重要参数的选取方法。     

改进型CAN总线协议的实时性研究

目前,CAN总线广泛应用于实时控制系统,其实时性对系统的安全性和可靠性产生很大影响。为了提高CAN总线的实时性,文中系统分析了CAN总线协议特点,提出减少标识符、增加数据位等改进措施。降低其数据帧自身开销,对CAN协议进行改进。最后对改进型协议的帧利用率进行了分析,并通过将改进型协议应用于一个消息集,得到了消息集的最坏响应时间。实验结果表明,改进型协议在提高帧利用率的同时,缩短了消息的最坏响应时间,从而提高了CAN总线通信的实时性。     

CAN报文实时性分析及在线评估

结合CAN总线的位填充机制和最坏情况下的报文延迟时间的数学模型，针对周期性报文,提出基于主节点的报文调度方式，给出了该调度方式下的报文响应时间数学模型．通过CAN总线系统实验平台,对CAN报文的实际长度进行检测和分析，并对符合SAE标准的报文实时性进行了分析和评估．实验表明，基于主节点的调度方式保证了CAN报文的实时性，使得系统具有可调度性．     

矿用新能源电机车CAN通信网络软件优化方法

针对矿用新能源电机车CAN节点发送错误造成关键信息丢失的隐患,在TTCAN协议的基础上提出了CAN总线发送容错方法,即对CAN节点发送失败的报文重新发送,当发送成功或者达到预设的最大重发次数后退出该报文的发送;给出了一种CAN总线高效接收、处理报文方法,在中断接收报文期间对报文进行缓存操作,同时修改接收到的报文数量,主程序以此为依据逐条对存放在缓冲区的报文进行后续处理,实现了报文接收与处理的分时操作。测试结果表明,该优化方法可有效提高CAN总线通信的实时性和可靠性,同时减小了各CAN节点CPU开销,提高了工作效率。     

带时间触发的CAN网络设计

为解决CAN总线系统中事件触发报文发送时,固定优先级仲裁机制所引起的发送时间不确定,低优先级报文可能被延误的问题,根据时间触发CAN的基本原理和结构特征,结合通用CAN控制器SJA1000,举例介绍如何组建一个TTCAN实验系统的基本步骤和算法。该设计可以确保实时和安全性要求较高的自控系统的正常运行。     

一种适用于煤矿安全监控系统的CAN总线应用层通讯协议

针对煤矿安全监控系统中的CAN总线通讯,提出了一种适用于该系统的应用层通讯协议。通过对CAN2.0B帧结构的分析,根据监控系统的通讯要求对扩展帧的报文标识符的各位进行了定义,用来存放通讯中的控制信息,而8字节长度的数据场可以全部用来存放通讯数据,进而提高了通讯效率。基于管道技术设计了支持多线程通讯的应用层通讯协议,实现了监控系统中的命令和数据并行传输。基于帧号和位图进行数据包的拆分与重组,解决了由于CAN总线本身的短帧结构所造成的大数据量传输困难的问题。最后对通讯过程中的控制协议及其帧格式的构成进行了简要的阐述。     

流程加工CAN测控网络的应用层协议研究

为提高CAN测控网络的适应性和通信效率,以CAN2.0A技术规范为基础,针对流程加工测控网络的特点,设计面向流程加工领域的CAN总线应用层协议ProCAN。在明确流程加工概念及范围的基础上,分析流程加工测控系统结构模型的特征,提出通信报文的类型,定义标准数据帧仲裁域与数据域的编码格式,并讨论ProCAN协议的通信模式、通信状态、通信异常及长报文误帧重传控制。利用OPNET网络仿真软件进行实验,结果表明,ProCAN协议能实现报文通信,并且具有延时短、实时性强、可靠性高的特点,尤其当网络负载较大时,效果更为明显。     

时间触发及冗余结构的CAN网络研究与实现

航空控制系统对通信网络的实时性和可靠性要求很高,目前通用的CAN总线采用位仲裁的调度原则,可能使一些低优先级的报文失去总线占有权,不能满足需求。提出了一种基于时分思想的CAN报文调度策略,设计了多主结构的余度配置方案,在此基础上实现了时间触发CAN总线冗余网络,并完成了通信软件的编写。实验结果证明,该网络具有良好的实时性和可靠性,可满足航空控制系统的需求。     

CAN总线中改进的EDF调度算法可调度性分析

针对于CAN总线的调度问题,因现有的平均分区EDF调度算法在对于优先级反转问题上收效甚微,从而导致消息缺乏一定的可调度性,故提出一种改进的基于幂函数分区的EDF算法;同时借助量化误差的概念,对该调度算法进行可调度性分析,充分论证了在该调度算法下,消息可调度的判定条件;采用CANoe平台进行实验仿真,对比平均分区EDF调度算法和双幂函数分区EDF调度算法,经试验测试验证了双幂函数分区EDF调度算法的可行性和优越性,改善了消息的最坏响应时间,提高了CAN网络通讯的实时性。     

基于FPGA消息识别和过滤的1553B总线监视器的设计

在1553B总线应用中,总线消息的识别和过滤是总线监视器（BM）的扩展功能,在很多工程应用中具有非常重要的意义,尤其在高负荷实时通信中,总线上数据量庞大,给系统设计带来很大困难。在研究1553B总线协议的基础上,提取了消息分类的特征信息,设计了基于FPGA的具有信息识别和过滤功能的BM。该BM根据1553B总线消息特征进行消息识别,从而将总线上传输的信息处理成有意义的数据块;在此基础上,按照一定的策略进行消息过滤,仅保留过滤后的信息,从而降低总线负荷。采用VHDL语言、有限状态机技术和模块化设计,进行BM的开发,并通过仿真验证和硬件综合,测试结果表明本文设计的BM达到了设计目的。     

基于CAN总线通信系统实验的设计

分析了CAN总线位仲裁方式的不足与局限性,设计并实现了基于C8051F单片机的CAN总线通信系统实验。通过改变参与总线竞争的各个节点的延时时间,实现了所有节点公平享用总线的目标,提高了系统的稳定性和实时性,具有广泛的应用前景。     

车载CAN总线脱离攻击及其入侵检测算法

CAN总线脱离攻击作为一种新型的攻击方式，通过CAN总线通信的错误处理机制，可以使节点不断产生通信错误并从CAN总线上脱离。针对上述攻击所引发的车载CAN总线通信安全问题，提出了一种车载CAN总线脱离攻击入侵检测算法。首先，总结了车载CAN总线脱离攻击发生的条件与特点，指出正常报文与恶意报文的同步发送是实现总线脱离攻击的难点，并利用前置报文满足同步发送的条件来实现总线脱离攻击。其次，提取了CAN总线脱离攻击的特征，通过累计错误帧的发送数量，并根据报文发送频率的变化实现了对CAN总线脱离攻击的检测。最后，利用基于STM32F407ZGT6的CAN通信节点模拟车内电子控制单元（ECU），实现了恶意报文和被攻击报文的同步发送。进行了CAN总线脱离攻击实验和入侵检测算法的验证。实验结果表明，检测算法对高优先级恶意报文的检测率在95%以上，因此可以有效保护车载CAN总线通信网络的安全。     

应用于电动汽车的CAN网络应用层协议研究

介绍了CAN技术规范和OSI参考模型;从通信内容的确定、标识符分配、消息编码方式、消息调度策略、数据格式定义5个方面考虑,制定了一套适用于电动汽车的CAN网络应用层协议。实际应用表明,采用该协议的CAN总线通信系统有很高的可靠性,通信负载率不超过30%,保证了紧急报文的及时发现和处理。     

Network access protocol for hard real-time communication systems

Distributed hard real-time systems are characterized by communication messages associated with timing constraints, typically in the form of deadlines. A message should be received at the destination before its deadline expires. Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) appears to be one of the most common communication network access schemes that can be used in distributed hard real-time systems. In this paper, we propose a new real-time network access protocol which is based on the CSMA/CD scheme. The protocol classifies the messages into two classes as ‘critical’ and ‘noncritical’ messages. The messages close to their deadlines are considered to be critical. A critical message is given the right to access the network by preempting a noncritical message in transmission. Extensive simulation experiments have been conducted to evaluate the performance of the protocol. It is shown that the protocol can provide considerable improvement over the virtual time CSMA/CD protocol proposed for hard real-time communication by Zhao et al.¹.