王瑞峰,劉 濤,孫 平,郝鐵軍

(1.蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,蘭州730070;

2.沈陽鐵路局遼西工程建設(shè)指揮部,遼寧錦州121000;3.沈陽鐵路局長春電務(wù)段,長春130000)

區(qū)域計算機聯(lián)鎖CAN實時性改進及仿真分析

王瑞峰1,劉 濤1,孫 平2,郝鐵軍3

(1.蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,蘭州730070;

2.沈陽鐵路局遼西工程建設(shè)指揮部,遼寧錦州121000;3.沈陽鐵路局長春電務(wù)段,長春130000)

區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)采用調(diào)度監(jiān)督加集中聯(lián)鎖的方式實現(xiàn),其安全通信網(wǎng)通過物理介質(zhì)的延伸進行區(qū)域性控制,隨著大量相鄰站點并入系統(tǒng),對安全協(xié)議的實時性要求也逐漸增高。為此,針對該系統(tǒng)使用的控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線協(xié)議,對站間安全通信網(wǎng)CAN總線的傳輸時延進行分析,采用動態(tài)優(yōu)先級算法對實時性進行改進。仿真結(jié)果表明,通過改變負載,相比于標準CAN,改進的CAN總線協(xié)議降低了節(jié)點的最大時延,能夠保證不同類型節(jié)點的實時性,可滿足區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)通信的要求。

區(qū)域計算機聯(lián)鎖;安全通信網(wǎng);控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線;實時性;動態(tài)優(yōu)先級算法;時延

1 概述

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、遠程控制技術(shù)、計算機冗余技術(shù)、安全信息傳輸技術(shù)和故障-安全技術(shù)的發(fā)展,區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)以其網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化等特點,已成為車站聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要發(fā)展方向［1］。而其安全通信網(wǎng)絡(luò)是區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)能夠正常運行的核心?？刂凭钟蚓W(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)總線以其具有多主方式通信、固定優(yōu)先級仲裁機制、報文濾波、短幀傳送等特點大量應(yīng)用

于鐵路系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中,保證了數(shù)據(jù)通信的實時性、可靠性和靈活性［2-5］。隨著大量鄰近車站并入?yún)^(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng),站間安全通信網(wǎng)絡(luò)通過物理介質(zhì)進行擴展,網(wǎng)絡(luò)負載增多,對安全協(xié)議的實時性要求逐漸增高,因此,對CAN總線進行實時性改進顯得越來越重要。

國內(nèi)外已有大量文獻針對CAN總線實時性的改進進行了相關(guān)研究。文獻［6］提出基于事件觸發(fā)的TTCAN協(xié)議,提高了系統(tǒng)的實時性,但在靈活性方面有些欠缺。文獻［7］證實了使用FIFO序列可以提高CAN網(wǎng)絡(luò)的實時性率。文獻［8］提出一種基于事件通道的CAN總線實時調(diào)度算法,利用后端通道配置數(shù)據(jù)庫實時修改CAN總線通道組合方式以提高消息傳輸?shù)膶崟r性。文獻［9］提出分類動態(tài)優(yōu)先級方法,在保證不同類別數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)耐瑫r,保證同一類別數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓叫?提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。以上文獻提出的改進方式都局限在處理周期性消息上,不能合理處理非周期性消息的傳輸,而區(qū)域計算機聯(lián)鎖安全通信網(wǎng)絡(luò)傳輸中存在大量的故障信號、報警信號等突發(fā)性較強的突發(fā)性信息,即非周期性消息。

本文提出一種動態(tài)優(yōu)先級算法,在基本CAN2.0B擴展格式的基礎(chǔ)上重新設(shè)計數(shù)據(jù)幀格式,通過仿真分析,驗證對其實時性的改進。

2 區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括4級,從下到上依次為聯(lián)鎖總線通信網(wǎng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)局域網(wǎng)、區(qū)域中心綜合數(shù)據(jù)局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信廣域網(wǎng)。

圖1 區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 實時性分析

區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)站間安全通信網(wǎng)消息的傳輸時間由排隊時延和傳輸時延構(gòu)成,指的是站點應(yīng)用層產(chǎn)生一個消息傳輸請求遞交給數(shù)據(jù)鏈路層的時刻開始,直至該消息的最后一位被成功傳輸至目的節(jié)點的時刻之間的時長［10］。其傳輸時延由消息幀長度和總線位速率確定;而排隊時延受總線仲裁機制影響,與消息優(yōu)先級有關(guān),為不確定值［11］。區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)站間安全通信網(wǎng)消息的傳輸時序如圖2所示。

圖2 消息傳輸時序圖

當(dāng)節(jié)點1和節(jié)點2同時發(fā)送信息(節(jié)點1發(fā)送信息時,另一個節(jié)點2在t時刻發(fā)送信息,t時刻發(fā)生在節(jié)點1仲裁場結(jié)束之前)時,優(yōu)先級高的節(jié)點在出現(xiàn)碰撞時不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),而優(yōu)先級低的節(jié)點主動退出,從而節(jié)省了總線沖突仲裁時間,保證了數(shù)據(jù)的實時性。CAN總線這種確定性的靜態(tài)優(yōu)先級機制的缺點就是不能均等的為高優(yōu)先級的節(jié)點和低優(yōu)先級的節(jié)點分配帶寬［12］。當(dāng)區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)安全通信網(wǎng)通過物理傳輸介質(zhì)進行延伸擴展時,其控制節(jié)點增多,網(wǎng)絡(luò)負載增大,低優(yōu)先級節(jié)點會在多次競爭總線使用權(quán)時失敗,從而導(dǎo)致低優(yōu)先級節(jié)點消息傳輸產(chǎn)生不確定的延時,甚至無法發(fā)送。此延時即排隊時延,可見數(shù)據(jù)傳輸時間延長,數(shù)據(jù)的實時性無法保證。下面將具分析動態(tài)優(yōu)先級算法對實時性的改進。

4 動態(tài)優(yōu)先級算法

4.1 改進協(xié)議幀格式

CAN2.0B數(shù)據(jù)幀有2種格式,一種是標準格

式,一種是擴展格式,這2種幀格式的主要區(qū)別在于標識符的長度,標準格式數(shù)據(jù)幀具有11位標識符,擴展格式數(shù)據(jù)幀具有29位標識符,數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 CAN2.0B數(shù)據(jù)幀格式

為避免帶寬分配不均,動態(tài)優(yōu)先級算法將CAN2.0B擴展幀的ID字段(標識符)重新定義為優(yōu)先級子域和內(nèi)容標識符子域2個部分。優(yōu)先級分為2級,第1級按消息類型劃分優(yōu)先級,2位,用于區(qū)分幀類型:取值為00時,優(yōu)先級最高,表示事件型消息幀(如報警信號或者故障信號);取值為11時,優(yōu)先級最低,表示時間型消息幀(如周期性狀態(tài)檢測信號);另2種取值保留。第2級對于同一類型消息基于動態(tài)優(yōu)先級分配機制分配內(nèi)部優(yōu)先級,9位,原始數(shù)值代表初始優(yōu)先級,發(fā)送失敗再按照動態(tài)優(yōu)先級公式晉升優(yōu)先級,數(shù)值越小優(yōu)先級越高。協(xié)議還應(yīng)該包含源地址(如中心站聯(lián)鎖主機的地址)和目的地址(如從控站驅(qū)采機的地址),區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信是多端的數(shù)據(jù)通信,在使用接收到的信息之前,需要用合適的方法檢查信息的來源。為實現(xiàn)這一功能,將源標識和目的標識加入到消息中,用戶不需要進行任何額外的對話就可以完成信息來源的驗證。安全協(xié)議中采用檢錯能力較強的32位CRC循環(huán)編碼,目的是檢測出信息中的錯誤,以此保證信息的完整性［13］。為減少信息干擾,采用將長信息幀切割為短的信息幀,利用標識符的低3位作為同一報文的不同報文段順序編號,可以在接收緩沖區(qū)內(nèi)實現(xiàn)拼接和拆卸［14］。綜上所述,改進的協(xié)議幀格式如圖4所示。

圖4 改進協(xié)議幀格式

4.2 動態(tài)優(yōu)先級算法原理

動態(tài)優(yōu)先級算法是基于全局的分布式先進先出隊列,是一種隨著時間間隔的動態(tài)更新節(jié)點在優(yōu)先權(quán)隊列中位置的算法,使總線中發(fā)送的消息形成一個與等待時間及本身優(yōu)先級等參數(shù)相關(guān)的分布式動態(tài)優(yōu)先權(quán)隊列［15］。與原有的靜態(tài)分配優(yōu)先級算法相比,該算法可使每個站點均等地競爭總線的使用權(quán),即能夠均等地分配帶寬,從而保證消息的實時傳輸。

國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在商務(wù)合同的文體特征和翻譯上。鄭紅蓮認為商務(wù)合同英語具有頻繁使用外來詞、專業(yè)術(shù)語和語言修飾詞的特征。凌縣華對古代商務(wù)合同古體詞的應(yīng)用進行了專門研究。余莉?qū)τ凇霸~匯重復(fù)”進行了詳細的分析，指出詞匯重復(fù)可以確保商務(wù)合同語言的準確性。在句法和文本層面，趙翠平認為商務(wù)合同具有標準化格式，其結(jié)構(gòu)準確性表現(xiàn)在長句、時態(tài)、語態(tài)和情態(tài)動詞方面。從中英文語言差異出發(fā)，周燕和廖瑛(2004：29-32)闡述了商務(wù)合同翻譯的策略和技巧。黃芬致力于尋找國際商務(wù)合同翻譯策略。張莉在功能翻譯理論的指導(dǎo)下，提出了一些商務(wù)合同的翻譯策略和技巧。

表1中改進協(xié)議幀格式的標識符中內(nèi)部優(yōu)先級分配了9位,網(wǎng)絡(luò)中形成一個優(yōu)先權(quán)隊列,總線上的每個節(jié)點存儲了本節(jié)點在隊列中的位置,此位置隨消息幀在隊列中的等待時間t動態(tài)變化,某一個節(jié)點i在隊列中的位置為:

其中,PRi為節(jié)點i某時刻在隊列中的位置,即節(jié)點在此時刻的優(yōu)先級;PR0為節(jié)點i的初始位置,即初始優(yōu)先級,當(dāng)原始優(yōu)先級最低時,PR0=29-1= 511;fi(t)為優(yōu)先級晉升項,在本文中取為正比例函數(shù),即fi(t)=kn:n為信息幀發(fā)送以來在排隊過程中發(fā)生沖突丟失仲裁的次數(shù),fi(t)表示內(nèi)部優(yōu)先權(quán)隨該次數(shù)動態(tài)重置的幅度,n越大優(yōu)先級晉升的次數(shù)越多;k為系數(shù)項,決定優(yōu)先級晉升速度的快慢［16］,k越大優(yōu)先級晉升速度越快,本文取為CAN總線系統(tǒng)中節(jié)點的個數(shù),由此可得:PRi=29-1-kn=511-kn,節(jié)點信息若發(fā)送成功后恢復(fù)原始優(yōu)先級,若發(fā)送失敗則按式(1)晉升優(yōu)先級。采用該算法還可以避免優(yōu)先級晉升過程中出現(xiàn)不同節(jié)點擁有相同優(yōu)先級的情況,即CAN總線優(yōu)先級死鎖的情況,例如,在某個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點個數(shù)為10,即k= 10,節(jié)點1在競爭失敗了1次后,優(yōu)先級晉升為PR1=511-10×1=501,競爭失敗了2次后,優(yōu)先級晉升為PR1=511-10×2=491,以此類推,各節(jié)點初始及晉升之后優(yōu)先級如表1所示,其中,n表示競爭失敗次數(shù)。

表1 節(jié)點動態(tài)優(yōu)先級晉升情況

可見,這種方法有效避免了優(yōu)先權(quán)死鎖的發(fā)生。如果所發(fā)送消息的內(nèi)部優(yōu)先級相同,則仍然按照逐

位仲裁規(guī)則進一步根據(jù)內(nèi)容標識符子域進行比較,如果消息沒有獲得總線訪問權(quán),則按照動態(tài)優(yōu)先級算法重置該消息的內(nèi)部優(yōu)先級,如果消息獲得總線訪問權(quán)成功發(fā)送出去,則將該消息的內(nèi)部優(yōu)先級重置為PRi=29-1=511,即設(shè)置為最低內(nèi)部優(yōu)先級。消息發(fā)送成功結(jié)束。

5 仿真實驗及結(jié)果分析

研究基于動態(tài)優(yōu)先級算法改進CAN協(xié)議的效果,可以通過搭建仿真平臺和建立分析模型2種方案,但是鑒于建立分析模型較繁瑣,本文采用搭建仿真平臺的方案進行分析研究。仿真中不考慮發(fā)送出現(xiàn)錯誤的信息,因為協(xié)議的安全性不是本文討論的重點,即仿真假設(shè)消息一旦發(fā)送,不會出現(xiàn)任何錯誤。

5.1 實驗平臺的搭建

為了驗證改進后的CAN網(wǎng)絡(luò)在區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的延時特性,本文設(shè)計了如圖5所示的實驗平臺,分析網(wǎng)絡(luò)的實時性。仿真系統(tǒng)設(shè)計10個節(jié)點,采用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu),每個節(jié)點由AT89S52單片機、SJA1000、6N137和TJA1050組成。

圖5 實驗平臺結(jié)構(gòu)

5.2 仿真軟件設(shè)計

基于動態(tài)優(yōu)先級算法的改進CAN協(xié)議主要針對類型優(yōu)先級相同的消息,因為類型優(yōu)先級不同的消息其實時性要求必然不同,如故障信息的優(yōu)先級肯定高于周期性檢測信息,因此也沒必要動態(tài)分配其優(yōu)先級。同一類信息的初始優(yōu)先級各不相同,不發(fā)生沖突時,各節(jié)點按初始優(yōu)先級發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)節(jié)點在發(fā)送過程中檢測到?jīng)_突,則按照動態(tài)優(yōu)先級仲裁規(guī)則判定當(dāng)前節(jié)點的優(yōu)先級,高優(yōu)先級節(jié)點信息發(fā)送成功,優(yōu)先級設(shè)定為最大值,低優(yōu)先級節(jié)點仲裁失敗,沖突次數(shù)加1,節(jié)點優(yōu)先級晉升,等待總線空閑后重新發(fā)送。最后需要注意的是,低優(yōu)先級節(jié)點優(yōu)先級晉升發(fā)送成功后,其優(yōu)先級必須降低為初始優(yōu)先級,以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行。算法程序流程如圖6所示。

圖6 算法程序流程

5.3 仿真結(jié)果分析

在仿真實驗中,CAN總線模型采用10個節(jié)點互連的環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu),其中節(jié)點1～節(jié)點3發(fā)送硬實時性信息,節(jié)點4～節(jié)點7發(fā)送軟實時性信息,節(jié)點8～節(jié)點10為非實時性信息?？偩€采用500 Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,數(shù)據(jù)幀長度為100 bit,數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔服從均值為λ的泊松分布,本文取站點i在60 ms內(nèi)的最大消息傳輸時延為性能分析指標。通過向每個節(jié)點發(fā)送消息,在改變網(wǎng)絡(luò)負載率的情況下,分別在標準CAN和動態(tài)優(yōu)先級算法改進CAN下進行實驗,不同負載下消息最大時延仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同負載下消息最大時延

從圖7可以看出,當(dāng)負載在10%～80%之間時,標準CAN總線和改進CAN總線的最大時延相差不大,而當(dāng)負載大于80%時,改進CAN總線節(jié)點最大時延大大小于標準CAN總線節(jié)點最大時延。當(dāng)負載過大時,標準CAN總線甚至不能傳輸消息?？梢?改進CAN協(xié)議通過改善仲裁方法,使得優(yōu)先級不同的節(jié)點排隊時延基本相等,總線帶寬均勻分配,

改善了消息傳輸?shù)膶崟r性。

不同類型的節(jié)點在過載情況下,標準CAN和改進CAN的平均時延如表2所示。當(dāng)負載為120%時,標準CAN總線節(jié)點9的平均時延激增,節(jié)點10信息發(fā)送失敗,不同類型節(jié)點的平均時延相差較大,改進CAN總線不同類型節(jié)點的平均時延相差較小。

表2 過載下標準CAN和改進CAN的平均時延ms

綜上所述,相比于標準CAN總線協(xié)議,改進的CAN總線協(xié)議不僅降低了節(jié)點的最大時延,而且保證了硬實時性信息和軟實時性信息的平均時延相差不大,即不同類型節(jié)點的實時性得到了保證。由此可說明基于動態(tài)優(yōu)先級算法的的CAN總線協(xié)議消息傳輸能力更優(yōu)。

6 結(jié)束語

基于區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng),本文對站間安全通信網(wǎng)絡(luò)的安全協(xié)議的仲裁方法進行改進,并在CAN2.0B擴展格式的基礎(chǔ)上設(shè)計其幀格式。分析影響CAN總線通信系統(tǒng)實時性的主要因素是與仲裁方法有關(guān)的排隊延時以及負載率。采用動態(tài)優(yōu)先級算法改進了該總線通信系統(tǒng)的排隊延時,仿真結(jié)果表明,負載在80%以下時,標準CAN總線和改進的CAN總線的節(jié)點最大時延相差不大;當(dāng)負載大于80%時,改進CAN總線節(jié)點的最大時延大大小于標準CAN總線節(jié)點最大傳輸時延;當(dāng)負載達120%時,標準CAN總線甚至不能傳輸消息,實際測得改進CAN總線的最大時延時間是3.492 ms,該時間延遲遠小于計算機聯(lián)鎖中最低250 ms的數(shù)據(jù)發(fā)送周期［17］,能夠滿足系統(tǒng)的實時性要求。因此,動態(tài)優(yōu)先級算法可以改進區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)安全通信網(wǎng)的實時性,同時,在實際應(yīng)用中,還可以通過采用塊幀、提高總線位速率等方法,對傳輸時延進行改進,進一步減小總線延遲時間。

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編輯 顧逸斐

Improvement and Simulation Analysis of CAN Real-time Performance for Regional Computer Interlocking

WANG Ruifeng1,LIU Tao1,SUN Ping2,HAO Tiejun3
(1.School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;
2.Liaoxi Project Construction Headquarter,Shenyang Railway Bureau,Jinzhou 121000,China;
3.Changchun Services Section,Shenyang Railway Bureau,Changchun 130000,China)

Regional computer interlocking system is implemented with the method of dispatching supervision and centralized interlocking.The extension of physical media is used for regional control of its security communication network.The real-time requirement of security protocol is gradually increasing with the large number of adjacent sites incorporated into the system.This paper analyzes the transmission delay of Controller Area Network(CAN)bus(used for existing regional computer interlocking system communication network)between stations,and proposes a dynamic priority algorithm to improve the real-time performance.The simulation result shows that the improved CAN bus protocol can reduce the maximum delay between nodes by changing the load.In addition,it can ensure the real-time performance of different types of nodes,and can meet the requirement of regional computer interlocking system for network communication.

regional computer interlocking;security communication network;Controller Area Network(CAN)bus; real-time;dynamic priority algorithm;delay

王瑞峰,劉 濤,孫 平,等.區(qū)域計算機聯(lián)鎖CAN實時性改進及仿真分析［J］.計算機工程,2015, 41(3):298-302.

英文引用格式:Wang Ruifeng,Liu Tao,Sun Ping,et al.Improvement and Simulation Analysis of CAN Real-time Performance for Regional Computer Interlocking［J］.Computer Engineering,2015,41(3):298-302.

1000-3428(2015)03-0298-05

:A

:TP393.04

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.03.056

甘肅省自然科學(xué)基金資助項目(1310RJZA046)。

王瑞峰(1966-),女,教授,主研方向:計算機測控技術(shù),儀器儀表技術(shù);劉 濤,碩士;孫 平、郝鐵軍,工程師。

2014-03-20

:2014-05-20E-mail:522481099@qq.com