文摘
物联网(物联网)是一种基于网络通信信息载体,它可以让所有普通物理对象,可以独立处理从一个相互联系的网络。控制器区域网络(CAN)是一种串行通信网络,能有效支持分布式控制或实时控制。本文提出了一个IoT-oriented通用CAN总线的设计。为了构建一个完整的可以通信仿真模型,分别构造消息发送和消息接收模型。仿真实验证明了IoT-oriented网络通信模型本文设计不仅具有低功耗,但它也可以解决前端兼容性问题造成的不同的通信协议。
1。介绍
物联网技术已经被列为世界上新兴产业的战略意义,发展迅速。物联网是一种面向对象的网络。其三个主要技术、传感器技术、通信技术和嵌入式系统技术,对应于三个属性的感知、传输和控制(1]。在这三种技术,嵌入式系统技术是基础,传感器技术是功能扩张,通信技术是物联网的核心连接技术(2]。物联网的通信技术包括四种类型:有线传输,无线传输,传统互联网和移动网络。物联网系统并不需要每个设备连接到互联网;它可以有一个设备控制核心,连接的其他设备通过无线通信技术和设备连接到互联网进行通信(3]。这种方法可以降低物联网的应用成本。CAN总线是一种串行通信网络,能有效支持分布式控制和实时控制,它已经广泛应用于自动控制领域有着很高的性能和可靠性。可以协议有multimaster控制和也有错误检测的功能,错误通知、和错误恢复。所有单位可以检测错误和单元检测到错误将立即通知所有其他单位(4]。此外,CAN总线有许多连接节点,它可以连接到总线与多个单位。从理论上讲,没有限制接入单位的数量。此外,通信速度快,通信距离。最快的速度是1 Mbps(距离不到40米)和最长的距离是10公里(速度慢于5 kbps) (5]。在现场总线CAN总线取得计算机芯片制造商的广泛支持,他们发布的微控制器单元(MCU)芯片直接可以一个接一个接口。CAN总线技术的发展,它已经成为现场总线之一,已经广泛应用于许多领域,包括农业、机器人,计算机数控机床、医疗器械、汽车、船舶、国防(6]。
本文的特殊贡献包括以下:(我)它首先阐述了本文的意义和背景,分析了物联网的国内外研究现状和CAN总线,并阐述了相关的理论基础。(2)它介绍了工业设备的技术架构和逻辑架构物联网平台,可以实时通信技术,分析和研究了网络通信,插座机制,断点恢复与可靠的时间序列。(3)它提出了一个IoT-oriented普遍CAN总线和探索一些应用中应注意的问题。它还提出了CAN总线接口电路的设计方法的高度集成的通信控制器。(iv)它有效地模拟和构造可以沟通,构建完整的模型结构,并进行了仿真和操作检查其效果。它证明,本文的可以沟通设计方案是有效的。
本文的其余部分组织如下。部分2讨论相关的作品,勾勒出IoT-oriented可以沟通设计部分3。实验过程提出了部分4。部分5给出了实验仿真结果和部分6总结了论文的总结,提出了未来的研究方向。
2。相关工作
随着物联网的发展,通信技术和控制技术,传统的工业控制领域一直经历着前所未有的改革和工业控制网络扩大了工业控制领域的发展空间,带来了新的发展机遇7]。在广泛的工业领域,可以作为现场设备级的CAN总线通信总线和与其他公共汽车相比,它具有较高的可靠性和性价比。这将是一个主要的方向可以技术对物联网的发展和应用开放8]。可以是一个multimaster串行通信总线和根据其基本设计规范,它有一个快速比特率和高的抗电磁干扰,它可以检测到任何错误。首先,控制器可以在不同的工作模式,网络中的每个节点都可以采用按位仲裁无损结构和发送数据到总线争用总线访问优先级和消息标识符。此外,可以与通信协议已经取代站地址编码数据编码,使不同的节点同时接收到相同的数据(9]。这些特点导致了强大的实时数据网络节点间的通信由CAN总线和从容构成冗余的结构,提高系统的可靠性和灵活性。CAN总线的数据通信有出色的可靠性、及时性、灵活性。由于其出色的性能和独特的设计,CAN总线已经吸引了越来越多的关注。大多数汽车制造商之间的数据通信采用CAN总线实现内部控制系统和各种测试和执行机构。与此同时,由于CAN总线的特点,其应用已不再局限于汽车行业,但它也对物联网等领域的发展。能已经成为一个国际标准,它已被认为是最有前途的现场总线之一(10,11]。
早在1998年,在美国麻省理工学院提出了物联网的概念,即。,EPC system, and one year later, the concept of IoT had been deemed as the logistics network based on Radio Frequency Identification (RFID) [12]。物联网还没有一个正式的定义:物联网的网络使所有对象,可以实现独立功能实现互连,直到2005年国际电信联盟(ITU)发布的“2005年电联网络报告:物联网”(13]。CAN总线是现场总线之一已被应用在世界上最。首次推出了博世,一家德国公司,用于内部测量和执行单元之间的数据连接协议。CAN总线的应用范围从高速网络低成本多行网络之间的数据通信,它广泛应用于各种检测和执行机构的控制系统(14]。的山很多通信节点,CAN总线之间的信号通过传输总线,实现节点通信。使用rs - 485只能构成主从结构系统和通信只能通过主站进行轮询。更糟的是,这个系统有可怜的及时性和可靠性15]。
理论上,只要公共汽车有足够的负载,不是有限的,节点的数目和中继器可以提高负载。CAN总线能有效减少电线的数量,灵活沟通,优秀的及时性和可靠性高。然而,通信质量可以与许多因素有关,主要包括通信节点之间的距离、通信线路的类型和阻抗,晶体振荡器错误各种通信节点和外部环境造成的偏差(16]。在实际工程领域,预设可以采样点可能无法保证数据接收和调度通信节点和质量可能有损失和帧收发异常数据影响产品功能的正常操作由于上述因素的影响。为了解决现有技术中存在的问题,本文提供了一个IoT-oriented方案中使用CAN总线消息管理和CAN总线接口电路的硬件设计方法的高度集成的通信控制器以保证网络通信的安全(17]。
3所示。IoT-Oriented可以通信控制设计
3.1。接口电路设计中的关键问题
任何节点都可以把一个项目,将消息发送给网络中的其他节点无论主人和奴隶。采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时发送一条消息到网络,优先级低的节点自愿停止数据传输而有高优先级不为所动的继续传输数据。此外,它的功能点对点,一个点测点,全球广播数据传输和接收。每一帧的消息CRC检查和其他错误检测措施,极低的错误率和高可靠性。一个严重的错误发生在消息传输时,节点可以自动将其与总线连接,以便其他总线中的操作不受影响18]。
3.1.1。光电隔离电路
虽然光电隔离电路可以增强系统的抗干扰能力,还增加了can总线有效循环的信号传播延迟时间和降低通信速度或距离。可以收发器本身具有瞬时抗干扰,射频干扰(RFI),并且能够实现热保护;此外,其电流限制电路还提供了进一步的保护公共汽车。因此,在传输距离短的字段和电磁干扰,光电隔离可能不会采用使系统达到最大的通信速度或距离,简化了接口电路。如果需要光电隔离的环境,高速光电隔离装置应选择减少传播延迟时间有效循环的CAN总线的信号。传播延迟时间短是近似的水平传播延迟时间(TTL电路5]。
3.1.2。电源隔离
的力量Vdd和Vcc用于光电隔离装置的双方必须完全隔离。否则,光电隔离不能发挥应有的作用。可以通过低功耗电源隔离DC / DC电源隔离模块。
3.1.3。总线阻抗匹配
必须与CAN总线的终端n电阻,一个重要的角色在总线阻抗匹配;否则,它将极大地降低总线数据通信的可靠性和抗干扰性能,甚至可能使它不可能进行沟通。为了提高接口电路的抗干扰能力,也可以考虑以下措施:连接n并联电容器CANH和CANL之间的收发器和总线中的地球过滤高频干扰和防止电磁辐射(19]。
3.2。CAN总线的同步机制
通信是异步串行通信。它的同步方法不是通过提供额外的时钟信号,而是通过实现读写同步时间,固定的消息框架结构和硬同步和同步操作。条件对CAN总线网络中各个节点之间的通信,它们有相同的正常比特率(NBR),即比特每秒传输。它的倒数称为正常时间这是由四个不重叠的时间段:倒数时间,传输周期、相位缓冲段1,相位缓冲段2。正常的时间可以定义如下:
每一段时间在正常时间是由多个时间量 ,它的长度取决于振荡器的频率 。它们之间的关系如下:
,BRP的波特率预分频系数和设备,采用相同的主时钟频率振荡器在CAN总线网络,正常的比特率丁腈橡胶可以调整到相同的数值只有通过设置BRP和在每一个时期(20.,21]。
当物联网进行无线通信,如果传输层有很高的包丢失加速率或数据被阻塞,通道自动启动保护机制。假设 是通信传输数据和的联系 , 代表了源和目标数据聚合节点。换句话说,当系统访问任何聚合点,如果时停止传输和转发节点在拥堵点会找到相应的缓冲区中不断累积的数据同时进行自检和放弃。落后的节点在传输层不会删除链接。所以,没有同源缓冲区中的数据。因此,节点可以根据连接通道是否做出判断是否拥挤,开始可替换主体动态额外通道保护机制(22,23]。
关于保护机制,节点沿着这一技术的传输通道。在遍历,代理包括两个参数综合测量:空置率和剩余带宽接收节点。在复合测量,对应的方程来计算接收节点的队列占用率如下:
在这,接收节点,空置的队列,当前的节点队列长度吗 ,和和代表着速度为通信节点的缓冲区t阶段来发送和接收分组,分别。是队列的缓冲区,用来控制“流”的传播消息和 。 代表节点的通信缓冲区的大小(24]。
代理旅行的复合测量恢复被定义如下:
在这,和代表权重系数和 。它控制实时消息的传输通过低 率,数据流将产生低抖动期间传播。因此,应适当增加。
有两种主要类型的物理层。可以通信网络图1是一个高速、短途“闭环网络”,符合ISO11898标准。其最大总线长度为40米,和通信速度1 Mbps。每个结束都需要120Ω电阻(25]。
图2是一个低速,长途“开环网络”,遵循ISO11519-2标准。它的最大传输距离1公里,它的最大通信速率是125 kbps。两辆公交车是独立的,不构成一个闭环。每个总线是必需的。有一个2.2 kΩ电阻串联在每个[26]。
4所示。实验的程序
4.1。创建消息传输模型
这部分是关于创建消息传递可以一部分的模型。它集和与每个模块通过使用相关的模型库模块。
以下4.4.1。创建模型
开始仿真软件MATLAB软件平台,选择“空白模式”→“创建模型,并完成创建一个新的空白模型窗口。
4.1.2。添加相关模块
单击按钮的工具栏中的“库浏览器”和开放的仿真软件模块库。在左边是可用的模块库。选择相关模块从“车辆网络工具箱”→“沟通”和使用它们的传播可以沟通在这个实例中。
移动的模块”可以配置”、“可以包,”和“传输”编辑界面,分别为它们创建一个实例。相关的模块描述如表所示1。
选择不同类型的模块作为数据源。摘要常数是用作数据源验证可以通信模型。
4.1.3。连接模块
上述模块通过导线连接:恒定的输出端口的输入端口连接可以包,它的输出端口连接到传输的输入端口,可以配置不与任何其他模块。在这个模块配置,可以用于通讯通道。
4.1.4。设置模块参数
双击可以配置来配置其参数。描述的具体参数如表所示2。
双击可以包配置参数,具体描述见表3。
双击可以传输配置参数,可以发现在表的具体描述4。
各个模块连接后的模型结构和配置的传输部分如图3。
4.2。创建模型来接收消息
这部分是用来创建模型,收到消息的一部分。它集和连接各个模块通过使用仿真软件图书馆相关模块。
4.2.1。准备添加相关模块
从“选择相关模块车辆网络工具箱”→“沟通”和接受可以通信在这个实例中使用它们。选择模块的“模型”→“下沉”→“范围”来显示接收到的数据。
移动模块:“配置”、“可以接受”,“可以解压,”和“范围”编辑界面,分别为每创建一个实例。相关的模块描述如表所示5。
4.2.2。连接模块
创建可以消息包子系统模块的“函数调用子系统”“港口与子系统”模块库,可以打开这个子系统。
在可以接收、味精(输出端口)连接In1(输入端)可以解压缩子系统(27]。在可以接收,f()(输出端口)连接函数()(输入端)可以解压缩子系统和解压子系统,可以味精(输出端口)连接的输入端口范围(28]。可以Configuration1不与任何其他模块和配置可以通信通道(29日,30.]。
4.2.3。设置模块参数
双击可以Configuration1配置参数和它们的描述在表表示6。
双击可以接收配置参数。相关的表中演示了这些参数的描述7。
双击可以打开配置参数。指可以包相关参数的描述。
前台部分的模型结构后,各个模块如图连接和配置4。
4.3。操作模式
选择工具栏中的“运行”按钮,单击它来模拟。当操作模拟,可以传输将获得信息。那么它将传输的信息通过虚拟通道1和可以得到的虚拟通道2将收到此消息和传输可以解压缩子系统将消息。最后,双击范围检查传输结果。
5。仿真实验和结果分析
上面的链接后,模型结构包括传输等几个环节,接待,和操作基本上是建立。在本节中,不同类型的模块将被选为数据源,以验证可以通信仿真软件模型。
使用“常数”作为数据源,并添加一个常数的模型仿真软件→来源。不断生成实数或复数常数值信号,用于提供恒定的输入信号。其中,“固定值”的参数设置为(1 2 3 4 5 6 7 8]。可以沟通的最终输出结果如图5。
使用“正弦波”作为数据源,并添加一个正弦波的模型仿真软件→源库。正弦波模拟时间时间源产生正弦波和输出正弦信号波。波函数的方程
在这个例子中,每个参数的值设置如下:振幅是1,偏见是200,频率是1,和相位是0。可以沟通的最终输出结果如图6。
使用“重复序列”作为数据源,并添加一个重复序列的模型仿真软件→源库。重复序列用于生成周期信号的形状和它可以输出周期性的标量信号波形参数:指定的时间值和输出值。其中,时间值分配输出向量和输出值指定相应的信号振幅矢量输出时间。在这种情况下,各种参数的值设置如下:时间值在[0 5],在[0 100]和输出值;换句话说,从仿真开始,重复一个锯齿波形的最大振幅100每5秒。可以沟通的最终输出结果显示在图7。
使用“步骤”作为数据源和步骤模块添加到模型从模型→源库。一步是用来产生阶跃函数,它可以提供2步骤中可以定义级别指定的时间。如果仿真时间小于时间步的参数值,初始值是输出的参数值,如果大于或等于时间步,输出参数淡水河谷的最终价值。在这种情况下,各种参数设置如下:步骤时间是15日初始值是5,和最终值是100。可以沟通的最终输出结果如图8。
使用“脉冲发生器”作为数据源,并添加一个模块从脉冲发生器的脉冲发生器模型库。脉冲发生器是用来产生方波脉冲以固定时间间隔及其波形参数、幅值、脉冲宽度、时期,和相位延迟,确定输出波形的形状。在这种情况下,各种参数的值设置如下:相位延迟是0,振幅是100,脉冲宽度是20,周期是5。可以沟通的最终输出结果如图9。
以“斜坡”为数据源,并添加一个“跳板”模块的模型仿真软件→源库。斜坡用于生成信号不断增加或减少,它可以生成信号在指定的速度从指定的时间变化和价值。其斜率参数、启动时间和初始输出决定输出信号的特点。在这种情况下,这些参数的值设置如下:斜坡是5,开始时间是15,和初始输出是5。可以沟通的最终输出结果如图10。
使用信号发生器”作为数据源,从模型→源库,添加一个模型的信号发生器模型。信号发生器可以产生四种不同的波形:正弦波、方波、锯齿波、随机波。波函数的方程
在这种情况下,选择正弦波,参数的值设置如下:振幅是1和频率是1。可以沟通的最终输出结果如图11。
使用“线性调频信号作为数据源,从模型→源库,添加一个“线性调频信号”模型。这个模块是用于生成海浪,不断增加的频率。初始频率的参数、目标,在目标时间和频率决定其输出。在这种情况下,参数的值设置为:初始频率为0.1,目标时间是100年,在目标时间和频率是5。可以沟通的最终输出结果如图12。
通过以上实验结果,它可以观察到,IoT-oriented网络通信模型不仅具有低消费,而且还解决了前端通信兼容性问题造成不同的通信协议。
6。结论
物联网是互联网的延伸,延伸到通信网络对象之间通过无线网络。通过各种传感器设备,它可以执行实时采集、远程监控、连接操作和交互信息的设备。它与互联网技术可以构成一种新型网络。在CAN总线接口电路是一个重要的链接网络,其可靠性和安全性直接影响整个通信网络的操作。本文总结了应注意的几个关键问题的设计接口电路,抓住关键的设计,并提出一个IoT-oriented通用CAN总线设计,提高了质量和性能的多界面的电路和CAN总线的安全可靠运行。仿真实验证明,该设计方案是有效的。
数据可用性
所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了江苏省基础研究计划(自然科学基金)项目(批准号BK20191393),江苏农业科技创新基金(JASTIF残雪(20),3038)。