考虑错误的CAN总线消息延时分布情况研究

摘要

本论文受国家自然科学基金项目(51475422)资助，经过对总线协议、容错机制、暂态性连接(IC)故障特性与因故障导致的延时特性的准确认知后，提出了在有错误情况下总线消息延时分布情况的估计方法。
　　控制器局域网（Controller Area Network，CAN）是一种已经被广泛地应用在各种工业领域的总线协议。为了对尚未搭建的网络系统在报文响应时间方面做出预测与估计，以便提前掌握网络带宽特征与性能;同时为了能够更好的分析了解在有错误情况下的网络行为，以便进一步优化网路控制系统的设计，必须分析清楚CAN总线各个节点所发送消息的响应时间及其延时特性。本论文提出了一个新颖的分析方法来估算轮询模式下的CAN总线各个节点在错误影响下的消息响应时间延时分布情况。首先，根据已经获悉的故障情形和总线协议得出单一子节点的延时概率分布情况;之后通过模式分类将多节点的复杂消息序列分解为单一子节点的情形来估计多节点的消息延时分布情况。最后本论文根据实际的实验研究结果验证了所提出分析方法的有效性。
　　本论文共分六章，各章内容分述如下。
　　论文第一章全面地介绍了有关CAN总线消息帧响应时间的国内外研究现状，由此总结了目前在响应时间方面存在的待研究问题以及研究的现实意义;之后系统地概述了本论文的研究目标、研究内容以及总体的研究手段。
　　论文第二章针对总线上所可能产生的延时问题进行了简要介绍，进而提出了本论文所关注的同时考虑消息阻塞和错误中断重发给报文带来的延时影响，并根据延时情形的详细分析定义了本论文所要研究的延时问题，同时给出了本论文的假设和约束。最后系统地阐述了论文研究的总体方案与步骤。
　　论文第三章分析了CAN总线上只有单一子节点的情形。由于没有其它报文的影响，单一子节点的延时只是由于IC故障事件引起的消息帧错误重发。首先针对IC故障事件建立了随机过程模型，进而基于IC故障随机事件，详细分析了故障产生在报文不同的位段中所能够引起的复杂错误中断情形，由此总结出了由IC故障导致错误中断的概率值。之后结合产生在报文上的不同的错误中断个数，给出了最后的单一节点的延时分析结果。
　　论文第四章将单一子节点的延时情形向多节点进行了扩展，也即增加了报文之间相互影响的情况。在对少数节延时概率分布分析的基础上，归纳总结出了三种不同的多节点延时分析模式，继而提出了总线上挂接更多节点时每个报文延时概率分布的计算方法。
　　论文第五章对本论文的延时概率分布理论研究进行了实验验证。首先详细介绍了基于DeviceNet协议搭建的实验平台以及实验中的相关概念与参数，之后分别从挂接单一子节点与多个节点的总线做出了理论计算延时分布与实际观测实验曲线，证明了本文所述方法的有效性。最后针对实验结果与实际观测值之间的偏差，提出了进一步提高概率分布求解准确度的优化方案。其优化结果表明此优化方案有效，并且能够令所计算的概率分布曲线更接近实际值。
　　论文第六章对本论文的工作做了全面的总结，阐明了本论文的研究结果与特色之处，同时也对本论文所研究的不足与未来的工作做出了展望。

目录

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致谢

摘要

插图

表格

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景

1．1．1 CAN总线及其相关问题介绍

1．1．2 DeviceNet网络结构

1．2 国内外研究现状

1．2．1 最糟糕响应时间的研究

1．2．2 非最坏情形响应时间的研究

1．3 论文的研究目标及意义

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究意义

1．4 论文的主要研究内容

1．5 论文的研究问题及总体方案

1．5．1 消息响应时间延时的介绍

1．5．2 延时问题的定义

1．5．3 论文研究总体方案

1．6 本章小结

第2章 单一子节点的消患延时分析

2．1 由故障导致错误帧产生的情况分析

2．2 单一子节点延时分析

2．3 本章小结

第3章 多节点消息帧的延时分析

3．1 少数节点的消息延时基础分析

3．1．1 两个节点的消息延时分析

3．1．2 三个节点的消息延时分析

3．1．3 四个节点的消息延时分析

3．2 更多节点的消息延时扩展分析

3．3 本章小结

第4章 实验验证与结果优化

4．1 实验与验证

4．1．1 实验台搭建

4．1．2 实验验证与结果分析

4．2 实验结果的优化

4．2．1 单一子节点或模式Ⅱ情形分析

4．2．2 模式Ⅰ情形分析

4．2．3 模式Ⅲ情形分析

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献