CN1153413C - 使用“控制器局域”协议的确定性串行总线通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种装置和方法，用于以符合控制器局域网络(“CAN”)通信协议的方式，在多重节点(500)间，进行数据的确定性通信。该系统适用于多重节点是一个操作系统环境中的功能块的情况，并适用于每个多重节点都连接到一个串行总线(501)上的情况。系统使用标准CAN误差校验，总线判优和消息格式化，从而使用标准的CAN控制器和收发器。总线上的一个节点被选为主节点。主节点发布一个定义时间分隔(TDn)的周期性同步信号(401，411)，在该时间分隔内，组织每个节点的操作和CAN总线上的通信。数据，特别是实时数据，是在已知时间分隔期间，在CAN总线上的节点间传送的。利用标准CAN总线判优来确保CAN总线上实时数据的传输优先于非实时数据的传输。如果合适的话，这能确保在每个时间分隔期间都传输实时数据。

Description

使用“控制器局域”协议的确 定性串行总线通信系统
技术领域
总地来说，本发明有关串行总线通信系统。具体地，本发明有关使用控制器局域网络协议(CAN)的串行总线通信系统的领域，更具体地，本发明有关一种使用CAN协议提供一个通信总线上的节点之间及一个节点中的功能块之间的实时数据的确定性通信的方法。
背景技术
数据总线通信系统被用于无数应用场合中。尤其是在工业过程的控制和操作的场合(统称为过程控制工业)中，需要多节点间的数据传输。过程控制工业要求多路传感器，例如流量计，和多路控制单元，例如阀门之间的数据通信。此外，传感器和控制单元共同称为仪器或测试仪器。一般，通地测量被处理材料的某些特性来监视并控制连续的过程，由被测特性推断该过程的一个状态或情况，并生成控制信号，该信号控制诸如泵，传送带或阀之类的设备以使过程保持在一个指定的操作范围内。所完成产品的质量，以及过程设备的安全性，是由过程自始至终被很好地控制所决定的。
过程控制设备中的一些测量仪表生成要被传送给一个中央控制系统的数据。控制系统处理来自不同仪器的数据并向控制元件发送控制信号。一个控制元件可能是一个，例如，阀，它根据控制系统生成的一个控制信号而打开或闭合。一个给定的过程设备的所有仪器和控制系统都通过一些类型的总线互相连接，以允许测量数据的必要处理和控制信号的传输。
在数据总线上通信的有不同类型的数据。“非实时”数据是这样的数据：如果从某一截止时间起数据未被接收到也不会变成无价值的数据的数据。一个非实时数据的例子是从一个中央控制系统向一个压力发送器发送的查询压力发送器的序号的请求。是否知道该请求确切的生成时间对系统的正确控制没有影响。“实时”数据有一个指定的截止时间，在这段时间内，数据必须被接收，否则，数据将丢失或被呈现无用数据。实时数据的一个例子是一个从质量流量计传送到一个控制系统的质量流率信号。控制系统可以，例如，使用质量流率信号为一个阀生成一个控制信号，以便通过系统的质量流率保持在目标值的0.5％范围内。在这种情况下，很重要的一点是，要向控制系统传送并从控制系统向控制阀传送一个连续并可预测的质量流率数据流。
因为各仪表所测量的过程的当前状态被处理并被反馈以校正过程本身，所以过程仪表数据的实时特性必须被保持。由于这个原因，除了其它部分之外，系统中的每块仪表一般都单独与控制系统相连并向控制系统提供表明其个别测量值的实时数据。然后，控制系统提供必要的时序和协调以处理来自多路仪器传感器的多路信号以生成必要的控制信号。在一些系统中，为每块仪表提供有一个专用的，硬连线的到控制系统的连接。这保证了来自各块仪表的数据将以一种能保持数据的实时特性的方式同控制系统通信。不过，该系统也需要一个复杂而昂贵的过程设备连线系统，以便有时能将上千个仪器连接到一个控制系统上。
有时，情况是这样的，一个单块仪表生成多路控制信号，用于本地控制或向控制系统传输。例如，一个Coriolis质量流量计可被用于测量流入一个槽中的液体量。当预定质量的液体流入槽中后，一个阀门关闭以使液体停止流入槽中。确定何时到达预定质量所必须的数据包括液体的质量流率和流入槽中的总的液体质量。这些值均由一个Coriolis质量流量计提供。与其从Coriolis质量流量计向控制系统通知质量流率值和总的质量值以生成阀门控制信号，不如在Coriolis质量流量计中当地处理质量流率和总质量数据并生成阀门控制信号。除了质量数据，在一个Coriolis流量计中还处理不同的非实时数据信号。这些信号包括(但不局限于)：对结构数据和标记信息的修改。这些非实时信号比实时信号优先级低，因为在处理它们时的延时并不降低精度或流量计性能，或槽的批控制。有时，一个数据总线必须协调一个单个仪器中不同的实时和非实时数据信号的传输。
不管是考虑贯穿整个过程设备的企业级总线，还是考虑一个单独的仪器计算机内的仪器内总线，都有两种可供选择的主要通信协议类型。在载波侦听多路访问(“CSMA”)协议中，总线上的每个节点都侦听业务并在发送一个消息之前，等待业务清除。当两个节点试图同时发送消息时，它们均跳返并试图稍后重发。另一个通信协议方案题为“时分多址”  (“TDMA”)。在TDMA类型协议中，总线上的每个节点都预选一个时隙，节点在该时隙内收发消息。除其它特性之外，TDMA协议一般还是确定性的。一个确定性通信协议提供实时系统中操作的计划性。
控制器局域网络(“CAN”)协议是一个一般被称为CSMA的协议组中的一种协议。CAN协议已被用于汽车工业中，作为汽车的内部工作数据的通信的标准之一。一般，在车辆的不同部位有多路传感器。一个两线串行总线被用于提供多路传感器和微处理器间的通信。例如，在发动机座中有管理发动机所需的传感器和在每个轮子上或附近有防锁制动器所需的传感器。这些传感器的输出通过两线总线与微处理器通信以决定车辆的正常操作。连同其它特性一起，CAN提供有一种用于在不同传感器间判优的装置，以避免它们各自信号间的冲突。判优包括按优先顺序排列信号的一种方式，以便在不太重要的信号之前处理更重要的信号。这就允许处理器在“空气调节打开”信号和“加制动”信号同时始发时，先处理“加制动”信号。CAN还提供一个定义消息格式和一个误差校验方案，以确认被通信消息的有效性。不过，CNA不提供一种装置，以保证某种类型的消息，例如实时消息，在一个有规律的，确定性的基础上通信。
由于汽车工业中使用了CAN协议，所以已经可以获得专门为实现基于CAN的系统而设计的微处理器和外围设备。它们广泛的应用和相对低廉的价格使这些CAN处理器对通信总线的设计者具有很强的吸引力。
已提出了可在确定性基础上发送消息的过程。一个这样的过程见于“Produeer-Distributor Consumer Model On A Controller AreaNetwork”，J.D.Decotignie and M.A.Peraldi，6 November 1995，IFACReal Time Programming of Fort Lauderdale，Florida U.S.A。在该提议中，提出了集中和分散判优模型。在集中式判优模型中，判优器向每个所要求消息发送数据请求。这极大增加了传送实时数据所需的消息数量，从而大大降低了网络上的传输率。在分散模型中，节点必须具有同样的时间概念，且必须包含在循环中的一个指定时间控制网络的仪器。这就要求网络中的每个节点使用大量的附加仪器，且不能提供增加额外节点的灵活性。于是，没有一种解决方法是令人满意的。
需要一种通信总线，它能提供CSMA通信协议中诸如判优、误差校验和定义消息格式之类的优点，并能提供TDMA类通信协议提供的确定性。具体地，需要一种确定性的基于CAN的协议，使得设计者可以利用CAN协议的价格较低的优点及确定性通信环境中已经可用的硬件。
发明内容
通过本发明的确定性串行总线通信系统，可以解决上述问题及其它问题，并可获得该领域中的技术进步。本发明提供了一种方法和装置，利用它，将标准CAN处理器和相关硬件用于一个实时，确定性的处理系统中。CAN协议的优点包括：低价的处理器，消息冲突解决，故障处理和消息定义，这些优点与一个时间同步方法相结合，保证了实时系统中动作的计划性。
总地来说，本发明使用了一个通过串行总线向多路节点发送的同步信号。该同步信号为连接到总线系统上的每个节点定义了一个时间分割的开始。在本发明的一个实例中，每个节点代表连接到一条总线上的一个或多个传感器。例如，化学处理工厂中的每块仪表都可能是串行总线上的一个节点。在本发明的另一个实施例中，每个节点代表一个或多个处理模块。例如，一个Coriolis流量发送器包含一个节点上的质量流处理模块和第二节点上的密度处理模块。两个节点都连接到总线上。在本发明的第三个实施例中，一个节点可以包含多重功能块。例如，一个Coriolis流量发送器包含一个生成配料控制信号的节点。配料节点包含一个确定总质量流量的功能块和根据总质量流量生成配料控制信号的第二个功能块。执行一个节点内各功能块间数据的节点内通信，以便很简单地与本发明的CAN协议相协调。本发明的CAN协议代表标准CAN协议与基于TDMA的协议的确定性的混合。此外，本发明的通信协议被称作具有确定性的CAN(“CAN-D”)。
在本发明的一个实施例中，每个时间分隔都包含三个区间。在时间分隔区间的第一段，一个同步信号(“Sync signal”)通知总线上的所有节点开始一个新的时间分隔。也是在这一区间，总线上的每个生成实时数据的节点将适当的数据排队以便传输。在该时间分隔的第二段或区间，生成实时数据的每个节点向点线发送该数据。在时间分隔的第三个段或区间，任何节点都可以通过总线请求并发送非实时数据。其结果是，实时数据在每个时间间隔内被有计划地向总线发送。本发明的这种被保证的有计划性，或确定性的含义是；用来控制连续的，实时的过程的实时数据，是在已知的，固定的时间间隔被发送的。
在本发明的另一个实例中，每个同步信号启动下一个时间分隔并结束前面的时间分隔。来自生成实时数据的节点的消息比来自生成非实时数据的节点的消息的优先级高。启动标准CAN冲突解决以对总线上的消息业务判优。要选择时间分隔的长度和总线上的节点数，以便所有实时节点都能在所有时间分隔期间发送一个消息。如果在一个时间分隔区间，在实时消息传送之后，没有剩余足够的时间，则非实时消息被保存，以便在下一个时间分隔期间传输。
在本发明的另一个实施例中，每个同步信号启动下一个时间分隔并结束前一个时间分隔。每个节点处的一个软件路由器指导当前时间分隔期间该节点的信息生成。根据来自每个节点各自的软件路由器的引导，生成每个节点处的消息。在一个时间分隔期间内，实时消息被排成队列以便在下一时间间隔开始时发送。在当前时间间隔期间，当时间允许时，发送非实时消息。随着下一个同步信号，下一时间分隔开始。在该时间分隔开始时，发送被排成队列的实时消息。之后，节点软件路由器引导生成下一组消息。
在每个时间间隔期间，按CAN协议执行消息判优，误差校验和消息格式化。一个时间间隔的结束和下一时间间隔的开始是由同步信号决定的。如果在同步信号始发时，总线空闲，即没有正在被发送的消息，则在同步信号始发时，开始下一个时间分隔。如果在始发同步信号的时间，总线上有多部件消息要被发送，则由于同步信号有更高的优先级，同步信号将截断一个或多个CAN包。任何由于一个新的时间分隔的开始而被截断或终止的信号都将在随后的时间分隔内被发送，直到它在总线上被完整地发送。
本发明允许一个仪器或设备的设计者使用已被证实并廉价的CAN协议和CAN处理器。并将其用于使用一个确定性的串行通信总线的实时数据的处理。本发明还允许使用标准CAN处理器的仪器的模块设计。按照本发明，仪器的不同处理模块使用CAN-D协议进行互相之间的通信。本发明还用于控制一个节点中各功能块间的节点内通信。
附图说明
图1是使用CAN协议的通信总线的方块图；
图2是一个时线，证明按照本发明，一个通信系统中的总线消息活动；
图3是一个时线族，说明按照本发明的总线消息活动以及节点消息生成活动；
图4是一个时线，图解说明了按本发明的通信系统的另一个实施例；
图5更详细地描述了一个单个节点；
图6是一个流程图，举例说明了与一个同步信号相应的有关消息通信的处理步骤。
具体实施方式
图1-控制器局域网络(CAN)协议和网络
图1举例说明了一个网络100，它包括节点101-103。每个节点101-103都被连接到两线总线104上。图1只示出了总线104的一部分，它向两个方向延伸。
网络100是典型的其中使用CAN协议的节点网络。一个典型的应用是在汽车制造业中，其中，节点101是一个发动机管理控制设备，节点102是一个防锁制动传感器，节点103是一个防锁制动控制设备。每个节点包括一个CAN控制器，它要么被嵌在微处理器中，要么是一个独立的控制器。带有一个可用的嵌入式CAN控制器的微处理器的例子是Motorola MC68HCOS微处理器。独立的CAN控制器的一个例子是Siemens 81 C90/91-Stand Alone Full CAN Controller。CAN控制器负责实施CAN协议的规则，以下将详细介绍。每个节点还包括一个CAN收发机，它控制一个节点和CAN总线间的物理接口。最普通的物理接口，和本发明推荐实施例中所用的接口，是基于ISO 11898；“Road Vehicles-Interchange of digital information ControllerArea Network(CAN)for high speed Communications”的。与ISO11898标准兼容的CAN收发机芯片的一个例子是Phillips 82C250 CAN收发机。
节点101包括CAN收发机105。CAN收发机105通过节点内路径108同CAN控制器106通信。CAN控制器通过节点内路径109同微处理器107通信。微处理器107每次通过总线104发送一条消息，该消息实际上是从微处理器107发送给CAN控制器106。CAN控制器负责按照CAN协议执行误差校验，总线判优和消息传输。CAN控制器106物理上通过CAN收发机105与总线104相连。类似地，节点102包括CAN收发机110。CAN收发机110通过节点内路径113与CAN控制器111通信。CAN控制器通过节点内路径114与微处理器112通信。节点103包含与节点101-102类似的功能性但硬件配置不同。CAN控制器被嵌入微处理器116中。微处理器116与CAN收发机115间的通信在节点内路径117上进行。
将防锁制动系统的例子应用到网络100上，一个传感器(未示出)向节点102的微处理器112输入车轮转速。节点102工作，通过总线104向节点101发送一条消息，该消息包括节点101检测到的车轮转速测量值。节点101的微处理器107根据来自节点102的消息计算合适的动作。节点101工作，通过总线104向节点103传送一个消息，该消息指导由节点103控制的车轮处的制动器的应用。节点103的微处理器116向一个制动器控制(未示出)输出一个信号以施加制动。总线104上的所有消息按CAN协议出现。
CAN控制器106，111和106协调总线104上消息的传输。CAN控制器实施CAN协议的CAN消息格式化，误差校验和消息判优。总线104上发送的每条消息都遵守以下将要描述的CAN消息格式。由于有多个节点连接到总线104上，所以消息判优是必须的。CAN提供了一个判优系统，它允许将来自不同节点的消息按优先次序排列。例如，若节点102，防锁制动传感设备，试图通过总线104发送一条消息，同时，一个发动机管理节点(未示出)也试图通过总线发送一条消息，则CAN协议自动决定哪个节点首先通过总线104取得会话。在该例中，来自节点102的防锁制动相关消息被认为比与发动机管理控制相关的消息更重要，所以，在CAN协议下，给来自节点102的消息一个更高的优先级。
CAN协议(Version 1.2)使用每条消息中的一个11位标识符域作为标识连接到总线104上的一个指定设备的优先级代码。标识符域类似于一个标题，后跟数据域。如本技术专业人士所理解的，CAN协议的11位标识符域可被用于标识系统中的一个特定装置，或者换句话说，可被用于标识一个特定消息。所有消息均按优先级顺序排列，具有最高优先级的消息被分配一个具有最小数字值的标识符域。下一最高优先级的消息被分配下一最小数字值，等等，直到具有最低优先级的消息，它被分配最大的数字值。每个节点101-103的发送逻辑在它所发送的消息和总线逻辑电平之间进行逐位比较。当两个节点正好同时在总线104上发送时，具有较低优先级的节点，在消息标识符的前面，将有一个退缩位，例如，一个逻辑“1”，被较高优先级信息的一个占优位，例如，逻辑“0”所代替。一旦检测到该情况，传输较低优先级消息的节点将停止发送并变为一个“接收器”。这是CAN优先级判优的基本概念。根据其节点地址，每个节点都被分配一个不同的优先级(或按优先次序排队)。每条消息的优先级是由标识域中设置的值决定的。标识域是由节点所发送的每条消息的第一个域。通常，CAN标识域和CAN判优是那些本技术传业人士所熟知的。CAN协议本身由Robert Bosch GmbH定义为“CAN Spocification Version1.2”。
CAN控制器的一个标准部件和CAN协议是一个误差校验功能。CAN误差校验一般是由CAN控制器进行的并为16位，循环冗余校验(CRC)校验和检测。
由于上述格式化，误差校验和消息判优，所以，部分地讲，现有CAN系统是非常灵活且实施有效的。不过，如所提到的，现有的CAN系统不提供确保某事件或消息在某时间区间出现的机制。例如，如果要测量液体通过一个管子时的质量流率(克/秒)，则必须具有定期基础上的信息，以生成一个准确的测量值。现在CAN系统不能保证在定期基础上通过总线发送某信息，即，现有CAN系统不是确定性的。现有CAN系统只能保证较高优先级的消息将在较低优先级的消息之前通过总线发送。
图2包括时序图200，大体例证了本发明操作。由于对按照本发明的网络来说，其有关总线104的基本硬件安排与按现有CAN系统的网络相同，所以，就本发明来说，参照了图1。此处，本发明通信系统被称为确定性CAN(“CAN-D”)。时线200代表了在一个时间序列期间，总线104上的消息活动。一个CAN-D通信系统通过发送同步脉冲201-204以生成相等，周期性的时间分隔TDn，TDn+1和TDn+2，来施加一个系统时间。同步脉冲201-204本身就是具有高优先级的CAN消息。时线200只举了几个时间分隔的例子。本技术专业人士可以认识到，这只代表了总系统时间的一部分。
随着在总线上发送同步脉冲201，开始时间分隔TDn。随着总线上同步脉冲202的传输，时间分隔TDn结束，TDn+1开始。随着总线104上同步脉冲203的传输，时间分隔TDn+1结束，TDn+2开始。同步脉冲周期性地出现，生成相等的时间分隔。网络上的任何节点都可被构造为能生成同步脉冲。只需简单地为一个节点分配网络中所用的最低地址，例如0，就可将该节点指定为“主节点”。节点地址为零的含义是，来自该主节点的消息具有最高优先级。在本发明的一个推荐实例中，每10毫秒在总线上发送一个同步脉冲，每秒生成100个时间分隔。本技术专业人士可以认识到，根据系统配置，可以调节总线系统的时间分隔。本发明推荐实例中10毫秒的时间分隔只适用于特定的总线系统配置。消息205-215中的每一个都是通过总线104传输的消息。每条消息的格式和位规定已在前面参照图1和现有CAN系统进行了讨论。为简单起见，在图2中，以沿时线100的单个的方块来代表每条消息，而不是详细地表示出每一位。
提供了一个工业过程控制的例子来进一步解释CAN-D系统。图1中的节点101包括一个质量流传感器(未示出)。节点101被构造为在每个时间分隔期间，生成一个消息，该消息中包含以克/秒表示的当前液体流过质量流传感器的质量流率。节点A生成的消息是实时消息。节点101在时间分隔TDn期间发送消息205，节点101在时间分隔TDn+1期间发送消息209并在时间分隔TDn+2期间发送消息213。节点102包括一个压力传感器。节点102被构造为在每个时间间隔期间生成一个消息，该消息包含以磅/英寸2表示的通过质量流传感器的当前的液体压差。节点102生成的消息是实时消息。节点102在时间分隔TDn期间发送消息206，在时间分隔TDn+1期间发送消息210并在时间分隔TDn+2期间发送消息214。周期性时间分隔的长度，总的节点数，实时节点数，和每条消息的长度是由系统设计控制的，以确保在每个时间分隔期间，有足够的时间进行必要的通信。
在每个时间分隔期间，由节点103读取来自节点101的质量流率消息和来自节点102的压降消息并由微处理器116进行处理。微处理器116以一种已知方式组合来自节点101-102的数据，生成代表被测液体的粘滞度的值。CAN-D系统的确定性特点保证了微处理器116利用几乎在同一时间生成的质量流率数据和压强数据计算粘滞度。在本实例时间间隔为10毫秒的情况下，已知质量流率数据和压强数据互相之间是在10毫秒内生成的。
微处理器116生成的粘滞度数据可被用于几种不同方式中的任一种内。例如，粘滞度数据可显示在显示器(未示出)上供用户查看。另外，粘滞度数据可通过总线104被发送给总线上的另一个节点。
对于非实时消息，任何时候，只要它们可用且优先级判优允许其传输，则它们可被在总线104上传输。消息207、208、211、212和215是通过总线104传输的附加消息。这些消息可以是实时或非实时消息。
非实时消息不是必须比实时消息优先级低。利用以上例子，一个附加节点(未示出)包括一个水位传感器，用来生成水位报警。水位传感器被安装在液体(其粘滞度正在被测量)正在流入的槽中。当液体到达槽中的某水位时，水位传感器生成一个水位报警，它被作为一个消息在总线上传输。水位报警消息不是一个实时消息，但它被分配一个相对高的优先级，这是由于若不对水位报警作出反应，将引起槽的溢出。
根据图2描述的CAN-D总线通信系统利用了根据CAN协议和图1描述的消息格式化，优先级判优和误差校验。另外，CAN-D使用了可大量供应的CAN控制器和收发器芯片。用于生成CAN-D中的系统时间的同步消息将TDMA类的确定性给予了标准CAN协议。这样，CAN-D就特别适合于实时过程控制应用场合或其它任何需要实时数据传输的应用场合。
以上节点101是一个质量流量计且节点102是一个压力变送器的例子是一个应用于处理设备中的分离仪表间的通信总线104上的CAN-D系统的例子。本技术专业人士可以认识到，CAN-D系统的同样原理可被用于任何类型的两个节点间的通信。
图3是一组时序图200，300和301，大体上举例说明了本发明包括节点101-102中的消息生成活动的操作。时线200与图2的时线200是相同的，表明了总线104上的总线活动(CAN消息)。时线300和301分别举例说明了在每个时间分隔期间，节点101-102内的活动。鉴于沿时线200的每个方块代表总线104上的一个CAN消息，沿时线300和301的三角形分别代表节点101-102内消息内容的生成。图3举例说明了节点中消息信息的生成和这些消息在总线104上的传输之间的时间关系。
时线300代表图1中节点101内的活动。同样，时线301代表图1中节点102中的活动。为描述CAN-D系统的总的操作，不必解释或理解发生在每个节点中的过程。只需理解到，在每个节点中使用标准CAN格式化和控制逻辑，以生成用来在总线104上传输的可用消息。例如，可以这样构造一个节点，以使每个同步脉冲201-204都能引起节点启动一个新消息的生成。换一种方式，可以这样构造一个节点，使每第三个同步脉冲引起节点启动一个新消息的生成。每个节点(实时或非实时的)不必在每个时间分隔期间都生成一个消息。同样，一个单一节点可在一个单一时间分隔期间生成不止一个消息。每个同步脉冲都被发送给一个CAN-D网络上的每一个节点，从而为每个节点提供共同的时间。
在时间分隔TDn+1期间通过总线104发送的CAN消息209包含消息内容302。在时线300上举例说明的消息内容302是由微处理器107在时间分隔TDn期间生成的。由于节点101被构造为在每个时间分隔期间生成一个实时消息，所以出现消息内容302的生成。换句话说，消息内容302可作为对请求消息生成的“发布要求”的响应而被生成。一个发布要求通知一个节点准备用来在总线上传输的消息。发布要求可作为一个系统消息从一个节点通过总线始发，或者可以在每个节点中始发。消息内容302将在节点101内排队，一直到同步脉冲202到来。消息内容304在时间分隔TDn期间在节点102中生成，并在节点102中排队，直到同步脉冲202到来。
每个同步脉冲201-204出现之后，在节点中排队的消息被通过总线发送，且新的消息在节点中生成并排队。例如，在同步脉冲202之后，在节点101-102中排队的消息通过总线104被发送，且新的消息在节点101-102中生成并排队。在同步脉冲202之后，时间分隔TDn+1期间，节点101中在时间分隔TDn期间生成并排队的消息内容302，象消息209一样被通过总线发送。在同步脉冲202之后，时间分隔TDn+1期间，节点102中在时间间隔TDn期间生成并排队的消息内容304，象消息210一样被通过总线104发送。来自节点101的消息有一个比来自节点102的消息更高的CAN优先级，所以，消息209在消息210之前在总线上发送。
在时间分隔TDn+1期间，在节点101中生成消息内容303并在节点102中生成消息内容305。两个消息都在它们各自的节点中排队，直到下一个同步脉冲203到来。正如在每个时间分隔期间所出现的，在每个同步脉冲之后，在总线上发送排队的消息。同步脉冲203之后，消息内容303如同消息213那样在总线104上发送，消息内容305如同消息214那样被发送。在一个时间分隔期间，何时生成某一消息无关紧要。重要的是在每个时间分隔期间，都生成一个实时消息，如果该节点是这样构造的。标准CAN优先级判优将保证总线104上消息传输的合适顺序。
在时间分隔TDn期间通过总线104传输的消息205和206是在前一时间分隔TDn-1(未示出)期间生成的。同步脉冲201启动它们各自在总线上从节点101-102的传输。上述图3有关总线104上实时消息的传输。一个确定性通信总线要求保证实时系统中动作和消息的计划性。CAN-D系统保证实时数据将在已知和可预测的时间分隔期间通信。对非实时数据来说，CAN-D系统的确定性是不重要的。在每个时间分隔期间，实时消息在非实时消息之前在CAN总线上传输。这是通过给实时节点分配一个比非实时节点更高优先级的CAN地址来保证的。在所有的实时消息传输之后，给定时间分隔内剩余的时间被用于非实时消息的传输。如果由于时间分隔结束而使任何非实时消息未能发送，则剩余的非实时消息被挂起，用于在下一时间分隔期间传输。在下一时间分隔期间，被挂起的非实时消息又必须等待，直到实时消息被发送完。
可能有不同的CAN-D实现，都能得到一个确定性的CAN通信环境。图4举例说明了本发明的一个实例的时序图，这里，每个时间分隔都分段为三个时段且同步信号除了通知一个新的时间分隔的开始之外，还执行多种功能。
时线400举例说明了在两个时间分隔时间，总线104上的消息活动。由每个时间段代表的时间分割TDn被分为三个段401-403。段401为“同步段”，段402为“实时段”且段403是“非实时段”。时间分割TDn由同步消息407的传输始发。同步消息407是一个高优先级的系统消息，它在同步期间401传输。类似于图2-3的同步脉冲，同步消息407是一个具有最高优先级的CAN消息。同步消息407的传输完成几种目的。同步消息407的传输完成的一个目的是启动一个新的时间分隔。同步消息407的传输完成的另一个目的是，由于同步消息的高优先级，所有其它消息的传输被从总线释放。同步消息的另一个作用是作为到每个节点的一个信号或中断以建立其实时消息。在同步期间401，消息在每个节点中作准备，它们在总线上的传输等待段402-403期间的标准CAN判优。在每个时间分隔期间，同步消息持续时间等长。例如，在一个使用10毫秒时间分隔的例子中，同步消息持续1毫秒。
在段401(它对应于同步消息407的传输)期间，不同的实时生成节点生成并排列其各自的实时消息。同步消息407结束时，TDn的段402开始。然后，标准CAN优先级判优自动对排队等候的实时消息排序并允许它们在段402期间通过总线104发送出去。实时和非实时消息被按优先级排列，这样，在每个时间分割的实时段期间，所有的实时消息，且只有实时消息被发送出去。
当所有的实时消息都已在总线上发送出去时，TDn的时段403开始。必须选择连接到总线104上的实时节点的数量，这样，每个节点都可以在每个实时时段期间传输消息并仍能留有足够长度的非实时时段供足够数量的非实时消息使用。在一个给定时间分隔期间没有足够时间用来传输的任何非实时消息被从总线上释放，直到下一时间分隔的非实时时段。
时间分隔被分割为同步时段404，实时时段405和非实时时段406。如根据时间分割TDn所描述的那样，在时间分隔TDn+1，和其它时间分隔(未示出)期间，形成并传送CAN消息。
本发明通信协议也适用于一个单一节点内各功能块间的通信。图5举例说明了连接到一个CAN-D总线501上的节点500。节点500包含有一个根据图1-4所描述的主要部件，称为CAN收发机502，CAN控制器504和微处理器506。CAN收发机502控制节点500和CAN-D总线501间的物理接口。CAN收发机502通过路径503与CAN控制器504通信，CAN控制器504实施诸如优先级判优和误差校验之类的标准CAN协议功能。CAN控制器504通过路径505与微处理器506通信。与图1中的微处理器相比，图5中更详细地示出了微处理器506。节点500所执行操作的编程指令在中央处理单元(“CPU”)507中是可执行的。CPU507通过存储总线508存储并/或检索来自存储设备(包括，但不局限于：随机存取存储器(RAM)509和只读存储器(ROM)510的编程指令和/或数据。另一个可访问的存储设备包括借助于本地总线511的固定存储设备512。用于实施多种应用513-515的编程指令被存储在固定存储设备512中。如以下所述，软件路由器516指导节点500的节点内操作。不同的输入和输出设备(未示出)被连接到本地总线511上，以允许用户与节点500的功能块相互作用。
软件路由器516是CPU 507执行的一个应用程序。软件路由器516是由用户编程的，以指导节点500中其它应用程序或功能块的操作。例如，在节点500的一个实施例中，节点500每隔一个时间分隔向CAN-D总线传送一个粘滞度的测量值。CPU507执行的软件路由器516，根据每个同步信号指导应用程序513-515的操作。在当前例子中，应用程序513生成一个质量流率数据，应用程序514生成一个压差数据且应用程序515生成一个粘滞度数据。应用程序515使用来自应用程序513-514的数据生成粘滞度数据。当软件路由器516要求时，应用程序513-515生成它们各自的输出。软件路由器516决定在每个同步信号之后，应该由应用程序513-515中的哪一个(如果有的话)产生输出。在当前例子中，软件路由器516被编程为：1)请求应用程序513(质量流率)在每个时间分隔期间产生输出，2)请求应用程序514(压差)在交替的时间间隔中产生输出，和3)请求应用程序515(粘滞度)在交替时间间隔(应用程序514不产生输出时的时间间隔)期间产生输出。响应于第一个同步信号，软件路由器516指导应用程序513和514产生输出。在第一时间间隔期间(由第一同步信号开始)，应用程序513和514向软件路由器516生成输出消息。响应于，第二个同步信号，软件路由器516将来自应用程序513-514的输出消息(在前一时间间隔期间产生)指向应用程序515，并将来自应用程序513的质量流率输出消息指向CAN-D总线501。CAN-D总线501上的其它节点(未示出)使用来自节点500的质量流率输出。软件路由器516还请求应用程序515生成一个粘滞度输出消息。应用程序515处理分别由应用程序513和514生成的质量流率和压差消息(在前一时间间隔期间产生)，以生成一个粘滞度消息，发送给软件路由器516。在第三个时间间隔期间(第三个同步信号之后)，软件路由器516使粘滞度消息(在前一时间间隔期间从应用程序515接收到)指向CAN-D总线501供其它节点(未示出)使用。
CAN-D协议和软件路由器允许灵活的实现和对整个系统结构的改善。例如，使质量流率信息在一个不同于且与粘滞度生成节点分离的节点中生成将更有效。于是，应用程序513从节点500中移到CAN-D总线501上的一个不同节点(未示出)中。对应用程序513不需作任何改变。它只是简单地寄存在另一节点中并由该节点的软件路由器指导应用程序513何时产生输出。
按本发明的通信协议，不需要一个“软件路由器”。例如，一个节点中的每个功能块都可被构造为在每个时间间隔期间产生合适的消息并发送该消息，所以，它们在一个合适的时间间隔期间被接收。软件路由器简单地起到一个便利的进度工具，除其它作用之外，它还将在一个时间间隔期间接收的消息排列并在下一时间间隔期间向合适的功能块发送排队消息。这保证了消息是以这样一种方式通信的，该方式保留了本发明通信协议的确定性品质。
在本发明的另一个实例中，使用了根据图5描述的节点内通信，其中，一个节点不与一个CAN-D总线或其它任何类型的总线交换数据。参照图5，只有微处理器506与该例相关，其余单元，例如CAN收发机502，CAN控制器504和CAN-D总线501，要么不存在，要么未使用。不是从总线上的一个主节点接收同步脉冲，而是使用操作系统方法生成一个与同步脉冲作用相同的周期性事件，来实现计时器。一个操作系统是一组业务，它提供了一种方法，通过它，一个或多个功能块可以共享一个硬件平台。每个计时器事件标识一个新的时间间隔的开始，在该时间间隔期间，软件路由器516向功能块513-515发送请求消息。功能块513-515从软件路由器接收请求消息并将被请求的数据送回软件路由器516。在该实例中，软件路由器516利用操作系统提供的一个消息队列对来自功能块513-515的消息排队，直到下一时间间隔。在下一时间间隔开始时，软件路由器将排队消息分配给功能块513-515中合适的一个，并向功能块513-515发送下一组请求消息。在该实例中，按操作系统方法将消息按优先级排列，给实时消息分配高优先级，给非实时消息分配低优先级。该实例使得即使在节点未被连接到一个CAN-D总线上时，仍能够进行单一节点内的确定性的、实时的处理。当然，如果合适的话，一个以这种方式操作的节点可以很容易地被集成到一个CAN-D总线环境中。
图6描述了在每个节点中响应一个同步信号而出现的步骤。图6用于描述包含CAN-D总线上的多重节点的实例的操作，以及一个未被连接到CAN-D总线上但却按一个CAN-D基础的协议在多重功能块间通信的单个节点的例子。在第600步，在一个节点接收到同步信号。如以上提到的，同步信号被从主节点发送到总线上，或换一种方式，当一个节点独立于总线工作时，同步信号作为一个本地计时器事件而被生成。每个节点都用每个同步信号重新启动一个新的时间分割，以此获得总线上所有节点和/或一个节点内的所有功能块间的时间共识。一个新的时间间隔由每个同步信息开始并继续到第601步进行处理。
在第601步，在前一时间间隔期间排队的任何实时消息都被适当地传递。在多个节点连接到一个CAN-D总线上的情况下，实时消息被放在CAN-D总线上。在单一节点的情况下，实时消息被分配给合适的功能块。接着执行第602步进行处理。
在第602步，生成当前时间间隔的实时数据。根据节点(和/或节点中的软件路由器)的配置，在生成实时数据的时间分隔期间，可能发送一些实时数据。非实时数据一般是在一个时间分隔期间有可用时间的任何时候被发送的。这可以是在所有的实时数据均已发送完毕之后或在正在生成实时数据且总线空闲的时间区间。进程从第602步继续到判定块603，这里若在当前时间分隔中可得到更多的时间，则进程转到第604步。在第604步，发送非实时数据。在该步中也可发送实时数据。重复第603-604步，直到生成另一同步信号，表明一个新的时间分隔的开始。
进程步骤600-604的工作是，首先在每个时间分隔期间发送实时数据，剩余时间被用于发送非实时数据。
本发明的串行总线通信系统将低价CAN部件和协议的简单性和可用性与确定性属性组合起来。于是，与以前的CAN实现相比，本发明的确定性CAN协议更适合于实时数据的通信。

Claims (23)

1.一种方法，用于减少以确定性方式在多重节点(101-103)间传输数据所需的信息量，多重节点(101-103)由一条使用控制器局域网络(“CAN”)串行通信协议的总线(104)连接起来，所述方法包括以下步骤：
1)在所述总线(104)上向所述多重节点(101-103)播出一个具有高优先级的同步消息(407)，其中，所述同步消息(407)包括一个表明用于传送消息的公用时间分隔(TDn)的同步信号，该时间分隔包括用来传送一组高优先级消息和至少一个低优先级消息所需的足够的时间；
2)在所述多重节点间执行判优(601)，以从所述多重节点之一中传送所述多重高优先级消息中的一个；
3)如果所述多重节点中的一个在所述判优中获胜，则从该节点发送(601)所述多重高优先级消息中的一个所述消息；
4)如果有至少一个所述高优先级消息要被发送，则重复(601)步骤2和3；
5)确定(603)所述公用时间令隔中是否还有剩余时间；
6)若所述公用时间分隔还有剩余时间，则在所述多重节点间为所述至少一个低优先级消息执行(604)判优；
7)从在所述判优中获胜的所述多重节点之一中发送(604)一个低优先级消息；
8)确定(604)是否还有要被发送的低优先级消息；并
9)在还有低优先级消息的情况下，重复(604)步骤5-8。
2.权利要求1的方法，其中确定在所述公用时间分隔中是否还有剩余时间的步骤包括以下步骤：
播出(600)一个高优先级的第二同步消息(411)，它包括一个表明所述公用时间分隔(TDn)结束及第二时间分隔(TDn+1)开始的同步信号。
3.权利要求1的方法还包括以下步骤：
在接到所述第二同步消息(411)时，暂停(603)所述低优先级消息(410)的传输。
4.权利要求3的方法还包括以下步骤：
在每个生成所述剩余低优先级消息的所述节点(101)中存储所述每个剩余低优先级消息(410)，以便在随后的公用时间分隔期间进行传输。
5.权利要求1的方法还包括以下步骤：
在接收到所述第一同步消息时，在所述多重节点之一中生成至少一个所述多重高优先级消息。
6.权利要求3的方法还包括以下步骤：
在所述多重节点(101-103)的至少一个中的存储器(509)中，存储所述高优先级消息(412-413)中的至少一个，以便在一个随后的公用时间分隔(TDn-1)中传输。
7.权利要求6的方法，其中，确定所述公用时间分隔中是否还有剩余时间的步骤包括：
在所述总线(104)上，向所述多重节点(101-103)播出一个具有高优先级的第二同步消息(411)，表明所述公用时间分隔(TDn)的结束和第二公用时间分隔(TDn+1)的开始。
8.权利要求7的方法还包括：
接收到所述第二同步消息时，重复步骤2)-9)。
9.权利要求8的方法还包括：
响应于存储在所述多重节点(101-103)的存储器(509)中的至少一个高优先级消息(412-413)的所述传输(601)的完成，传送(604)至少一个所述低优先级消息(414-415)。
10.权利要求5的方法中，生成(602)所述至少一个高优先级消息(412-413)的步骤包括：
所述节点(101-103)中的CAN控制器(504)从节点中的仪器接收数据；并
在接收到所述数据时，用所述CAN控制器将所述数据插入到一个CAN消息中。
11.权利要求10的方法中，所述多重节点之一中的所述仪器是一个质量流率传感器，且所述数据是一个物质的质量流率。
12.权利要求10的方法中，所述节点之一中的仪器包括一个压力传感器且所述数据是一个通过一个质量流传感器的液体压强。
13.权利要求10的方法中，所述多重节点之一包括计算液体粘滞度的仪器。
14.权利要求1的方法还包括以下步骤：
响应于所述第一同步消息的接收，在每个所述节点的操作系统中，根据所述第一同步消息设置一个时钟。
15.权利要求1的方法中，所述多重高优先级消息包括实时消息。
16.权利要求1的方法中，所述低优先级消息为非实时消息。
17.权利要求1的方法还包括在主节点中生成所述第一同步消息的步骤。
18.一种装置(100)，用于减小在多重节点(101-103)间提供确定性通信所需的消息数量，这些节点由一条使用控制器局域网络(“CAN”)串行通信协议的通信总线互连，所述装置包括：
作为主节点(103)的所述多重节点(101-103)之一，它具有一个CAN控制器，用于生成高优先级的同步消息(407)并在总线(104)上传送所述同步消息(407)以开始一个公用时间分隔(TDn)；
在其余每个节点的CAN控制器中的用于接收所述同步消息(407)的装置；
在所述多个节点的CAN控制器中的用来判优一条总线的控制和响应于所述同步消息的接收在所述公用时间分隔期间传送(601)高优先级(408-409)的消息(408-409)的装置；
在所述多个节点的CAN控制器中的用来确定所有所述高优先级消息已经被传送的装置；
在所述多个节点的所述CAN控制器中的用来根据已经确定到所有所述高优先级消息已经被传送时在所述公用时间间隔的剩余时间判优来传送低优先级消息的装置。
19.权利要求18的装置中，所述主节点生成并传送一个第二同步消息以结束所述公用时间分隔并开始第二个公用时间分隔。
20.权利要求18的装置还包括：
每个所述多重节点中，将在所述节点中生成的消息转换为符合所述CAN协议的格式的装置。
21.权利要求20的装置中，所述转换装置包括：
与所述总线接口的物理接口装置；和
CAN协议装置，用于将在所述节点内生成的消息转换为符合所述CAN协议的格式。
22.权利要求18的装置中，所述主节点包括用于确定每个公用时间分隔的定时装置。
23.如权利要求18的装置，其中，每个所述节点还包括用于生成一个包含数据的CAN消息的装置。
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