張宏巍，張文娟

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

飛行器雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略及其應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

張宏巍1，張文娟2

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

提出一種基于CAN總線的飛行器通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案，通過(guò)采用冗余總線結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略，保證了通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性.根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸需求設(shè)計(jì)出具有針對(duì)性的應(yīng)用層通信協(xié)議.通過(guò)搭建仿真平臺(tái)驗(yàn)證該協(xié)議滿足飛行器通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性等要求.

冗余總線；網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略；應(yīng)用層通信協(xié)議

0 引言

隨著控制技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器需要共享的數(shù)據(jù)激增且傳輸速率越來(lái)越快，而且針對(duì)某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，又提出飛行器要降低成本，減小質(zhì)量和體積，便于維護(hù)和管理.因此，選擇實(shí)時(shí)性強(qiáng)、體積小、成本低、可靠性高和維護(hù)簡(jiǎn)單的總線技術(shù)是確保飛行器通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵.

目前在飛行器上采用的總線技術(shù)主要包括RS422、ARINC429、RS485和1553B總線.其中：RS422和ARINC429總線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的組網(wǎng)通信方式，產(chǎn)生了大量的電纜及連接器，且體積大、質(zhì)量高，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的可靠性；1553B和RS485總線在使用過(guò)程中采取主/從通信方式，從機(jī)間數(shù)據(jù)交換必須經(jīng)由主機(jī)調(diào)度，此方式降低了總線數(shù)據(jù)的傳輸效率.[1]相比而言，CAN總線的短幀結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，完善的錯(cuò)誤檢測(cè)及處理機(jī)制，保證了通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，多主的通信方式提高了網(wǎng)絡(luò)的利用效率，而且成本低廉，大約是1553B組網(wǎng)價(jià)格的1%，安裝維護(hù)更加靈活，因此采用CAN總線搭建飛行器通信網(wǎng)絡(luò)可以較好地滿足各項(xiàng)要求.[2]

但是CAN總線采用的是一個(gè)基于事件觸發(fā)機(jī)制的多主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，默認(rèn)為固定優(yōu)先級(jí)非搶占式的任務(wù)調(diào)度方法，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)總線上需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大時(shí)，固定優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方法可能會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)報(bào)文搶占不上總線資源而產(chǎn)生不確定的延遲時(shí)間，在某些極端情況下甚至?xí)?dǎo)致低優(yōu)先級(jí)報(bào)文丟失，這對(duì)于一些關(guān)鍵報(bào)文的傳輸將會(huì)產(chǎn)生致命的后果.[3]

因此，搭建基于CAN總線的飛行器通信網(wǎng)絡(luò)不僅要考慮傳輸哪些數(shù)據(jù)，還要通過(guò)合理制定其應(yīng)用層通信協(xié)議來(lái)規(guī)定如何傳輸這些數(shù)據(jù).本文以某輕型、低成本飛行器的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了通信網(wǎng)絡(luò)的組成及應(yīng)用層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)方法，并可作為其他類(lèi)似通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考.

1 飛行器通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)組成

該飛行器的通信網(wǎng)絡(luò)主要由6個(gè)工作節(jié)點(diǎn)(1個(gè)GNC一體化分系統(tǒng)、1個(gè)導(dǎo)引頭分系統(tǒng)和4個(gè)舵機(jī)分系統(tǒng))、1個(gè)記錄節(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)記錄儀分系統(tǒng))、1個(gè)管理節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò)管理中樞)和1個(gè)地面測(cè)試節(jié)點(diǎn)(地面測(cè)試系統(tǒng))組成.

GNC一體化分系統(tǒng)：主要根據(jù)傳感器信息進(jìn)行導(dǎo)航解算、制導(dǎo)指令計(jì)算和控制指令計(jì)算，并輸出舵機(jī)舵偏指令信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈三通道的穩(wěn)定控制.GNC一體化分系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)男畔⒅饕ㄗ詸z信息、舵機(jī)舵偏指令信息、導(dǎo)航輸出信息、狀態(tài)反饋信息和其他指令應(yīng)答信息.

導(dǎo)引頭分系統(tǒng)：主要完成開(kāi)機(jī)后對(duì)目標(biāo)的搜索、識(shí)別和跟蹤，并輸出目標(biāo)相對(duì)位置信息.在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒅饕ㄗ詸z信息、目標(biāo)信息、狀態(tài)反饋信息和其他指令應(yīng)答信息.

舵機(jī)分系統(tǒng)：根據(jù)GNC一體化分系統(tǒng)發(fā)送的舵偏指令信息，通過(guò)控制舵面偏轉(zhuǎn)角度而形成空氣動(dòng)力，進(jìn)一步控制飛行器姿態(tài).在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒅饕ㄗ詸z信息、狀態(tài)反饋信息和其他指令應(yīng)答信息.

數(shù)據(jù)記錄儀分系統(tǒng)：用于記錄整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵報(bào)文信息，以便于飛行試驗(yàn)后期的數(shù)據(jù)分析.在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒅饕ㄗ詸z信息和其他指令應(yīng)答信息.

網(wǎng)絡(luò)管理中樞：負(fù)責(zé)監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，并根據(jù)具體故障類(lèi)別，完成相對(duì)應(yīng)的故障報(bào)警及適當(dāng)?shù)墓收咸幚淼炔僮?在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒅饕ㄗ詸z結(jié)果信息、故障報(bào)警信息、故障處理指令信息和其他指令應(yīng)答信息.

地面測(cè)試系統(tǒng)：主要完成對(duì)飛行器各分系統(tǒng)的功能測(cè)試和性能測(cè)試，在通信網(wǎng)絡(luò)中主要傳輸測(cè)試指令類(lèi)信息.

1.2 雙冗余CAN總線調(diào)度策略

由于飛行器通信網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越來(lái)越多且系統(tǒng)控制周期越來(lái)越短，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量急劇增加，總線負(fù)載率越來(lái)越高，采用單CAN總線的組網(wǎng)方案已經(jīng)無(wú)法滿足數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的需求.并且由于飛行器工作環(huán)境和用途比較特殊，從可靠性角度考慮需要采取冗余設(shè)計(jì)方案，但考慮到飛行器工作時(shí)間短，主CAN網(wǎng)絡(luò)癱瘓的概率比較小，網(wǎng)絡(luò)備份經(jīng)常不能利用而浪費(fèi)系統(tǒng)資源.因此，所制定的通信系統(tǒng)方案既要具備對(duì)主CAN網(wǎng)絡(luò)的備份功能，提高可靠性，又要能夠合理利用備份CAN總線的網(wǎng)絡(luò)資源，有效降低主CAN網(wǎng)絡(luò)的總線負(fù)載率，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性.

通過(guò)以上分析，最終提出一種雙冗余CAN總線的組網(wǎng)方案及調(diào)度策略.該策略采用雙CAN總線布局結(jié)構(gòu)，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為關(guān)鍵性數(shù)據(jù)、非關(guān)鍵性數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)指令.其中關(guān)鍵性數(shù)據(jù)主要包括用于控制飛行器工作的指令類(lèi)信息如舵偏指令，這些指令對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較嚴(yán)格，如果無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)成功發(fā)送，可能對(duì)整個(gè)飛行器的正常工作造成較嚴(yán)重影響；而非關(guān)鍵性數(shù)據(jù)主要包括對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的信息，如狀態(tài)反饋信息、指令應(yīng)答信息和地面檢測(cè)信息等；網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)指令是網(wǎng)絡(luò)管理中樞向通信網(wǎng)絡(luò)中全部工作節(jié)點(diǎn)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的隔離和恢復(fù).

當(dāng)主CAN網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)，通過(guò)在備份網(wǎng)絡(luò)中傳輸部分非關(guān)鍵性數(shù)據(jù)而降低主網(wǎng)絡(luò)的總線負(fù)載率，進(jìn)而提高主網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵性數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性.當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)上某些工作節(jié)點(diǎn)異常時(shí)，將其原在主網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)年P(guān)鍵性數(shù)據(jù)改成在備份網(wǎng)絡(luò)中傳輸，此時(shí)備份網(wǎng)絡(luò)的總線負(fù)載率劇增，為保證關(guān)鍵性數(shù)據(jù)在備份網(wǎng)中傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，又制定了一種高效率的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略，該策略在確保飛行器通信系統(tǒng)正常工作的同時(shí)，提高了關(guān)鍵性報(bào)文的實(shí)時(shí)性和非關(guān)鍵性報(bào)文的公平性.

在網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略中首先制定了CAN報(bào)文幀的標(biāo)志符分配方案，采用步進(jìn)式動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法與靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法相結(jié)合的混合式標(biāo)志符編碼方法，既保證了系統(tǒng)中所有報(bào)文幀發(fā)送的公平性和關(guān)鍵性報(bào)文幀發(fā)送的實(shí)時(shí)性，又避免了低優(yōu)先級(jí)報(bào)文幀的丟幀現(xiàn)象.靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法是CAN總線協(xié)議中默認(rèn)的總線仲裁方式，當(dāng)多個(gè)報(bào)文幀競(jìng)爭(zhēng)總線資源時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文幀搶占總線而開(kāi)始發(fā)送，低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文只有等待所有比其優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文幀發(fā)送完成后才開(kāi)始發(fā)送.步進(jìn)式動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法是通過(guò)動(dòng)態(tài)提高仲裁失敗報(bào)文幀的優(yōu)先級(jí)，令該報(bào)文幀隨著其總線仲裁失敗次數(shù)的增加而優(yōu)先級(jí)越來(lái)越高，直到成功搶占總線，因此該策略可以保證總線上低優(yōu)先級(jí)報(bào)文幀傳輸?shù)墓叫?，避免了低?yōu)先級(jí)報(bào)文幀的丟幀現(xiàn)象[4].

網(wǎng)絡(luò)管理中樞是實(shí)現(xiàn)雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部資源調(diào)度的關(guān)鍵.它通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的調(diào)度策略、主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的故障動(dòng)態(tài)更改部分報(bào)文幀的傳輸路徑及發(fā)送周期，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的故障監(jiān)測(cè)及恢復(fù).根據(jù)主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的不同原因有針對(duì)性地采取以下措施：

(1) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理中樞判斷出主網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，首先通過(guò)主網(wǎng)絡(luò)和備份網(wǎng)同時(shí)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送復(fù)位指令幀，該節(jié)點(diǎn)如果能夠成功接收此幀則進(jìn)行軟件復(fù)位操作.

(2) 如果網(wǎng)絡(luò)管理中樞發(fā)送復(fù)位指令幀后故障節(jié)點(diǎn)仍不能正常工作，即可確定是該節(jié)點(diǎn)的主網(wǎng)絡(luò)部分硬件出現(xiàn)故障，則網(wǎng)絡(luò)管理中樞通過(guò)備份網(wǎng)向故障節(jié)點(diǎn)發(fā)送切換網(wǎng)絡(luò)指令幀，然后在備份網(wǎng)上發(fā)送網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化廣播幀.

(3) 當(dāng)故障節(jié)點(diǎn)接收到切換網(wǎng)絡(luò)指令幀后，將所有原主網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的關(guān)鍵性報(bào)文變更到備份網(wǎng)中傳輸.備份網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化廣播幀后，將其在備份網(wǎng)中傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵類(lèi)報(bào)文幀的發(fā)送周期擴(kuò)大一倍，以降低總線負(fù)載率，從而保證備份網(wǎng)中新增的關(guān)鍵性報(bào)文幀傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性.

(4) 如果主網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓，解決措施同樣是通過(guò)向備份網(wǎng)中發(fā)送一個(gè)切換網(wǎng)絡(luò)指令幀，將原主網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)年P(guān)鍵性指令幀轉(zhuǎn)移到備份網(wǎng)中傳輸，并通過(guò)先后發(fā)送6個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化廣播幀，將原來(lái)備份網(wǎng)中傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵類(lèi)報(bào)文幀的發(fā)送周期擴(kuò)大6倍.

2 應(yīng)用層通信協(xié)議

CAN總線規(guī)范只對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層進(jìn)行了定義，僅能保證節(jié)點(diǎn)間無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸，在實(shí)際多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用場(chǎng)合中，除了基本的兩層服務(wù)之外，還需要有更多服務(wù)的支持，如發(fā)送大于8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)塊及關(guān)鍵報(bào)文幀應(yīng)答機(jī)制等，這些都可以通過(guò)制定其應(yīng)用層通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn).

CAN總線應(yīng)用層協(xié)議可以采用一些國(guó)際組織制定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也可以自行定義，考慮到飛行器應(yīng)用場(chǎng)合特殊，出于保密性角度，本文采用自制保密性高且專(zhuān)用性強(qiáng)的CAN總線應(yīng)用層通信協(xié)議.

為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，協(xié)議中規(guī)定CAN報(bào)文幀的標(biāo)志符采用標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀混合編碼格式.網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)指令和關(guān)鍵性報(bào)文由于具有數(shù)據(jù)種類(lèi)少和實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)幀的11位標(biāo)志符完全可以滿足所有報(bào)文幀的定義，而且標(biāo)準(zhǔn)幀的幀長(zhǎng)度更短，可以提高信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性；非關(guān)鍵性報(bào)文種類(lèi)繁多，數(shù)據(jù)量較大，而且為了滿足所有信息傳輸?shù)墓叫?，還要預(yù)留一段標(biāo)志符區(qū)用于實(shí)現(xiàn)調(diào)度算法的嵌入，所以選擇29位標(biāo)志符的擴(kuò)展幀格式，由于這些報(bào)文對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，選擇擴(kuò)展幀方式對(duì)總線延時(shí)的影響可以忽略.

協(xié)議中規(guī)定當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)，主網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸關(guān)鍵性報(bào)文，綜合考慮到實(shí)時(shí)性和可靠性要求，總線波特率采用500 kB/s，備份網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸非關(guān)鍵性報(bào)文，由于非關(guān)鍵性報(bào)文較多且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，總線波特率采用1 MB/s.

由于飛行器實(shí)際工作過(guò)程中所使用的關(guān)鍵性報(bào)文和網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)報(bào)文種類(lèi)較少，這兩類(lèi)報(bào)文采用CAN總線默認(rèn)的固定優(yōu)先級(jí)編碼方式即可滿足實(shí)時(shí)性要求；而飛行過(guò)程中的非關(guān)鍵性報(bào)文種類(lèi)較多，其標(biāo)志符通過(guò)采用靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法+動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)步進(jìn)調(diào)度算法的混合調(diào)度算法編碼方式，可以保證所有報(bào)文幀發(fā)送的公平性，并避免了低優(yōu)先級(jí)報(bào)文的丟幀現(xiàn)象.

2.1 網(wǎng)絡(luò)管理和關(guān)鍵性報(bào)文幀標(biāo)志符分配方案

這2類(lèi)報(bào)文幀統(tǒng)一采取標(biāo)準(zhǔn)幀格式，具體標(biāo)志符分配方案如表1所示.

表1 網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)和關(guān)鍵性報(bào)文幀標(biāo)志符分配方案

通過(guò)采用2位標(biāo)志符ID10和ID9來(lái)定義報(bào)文幀的全局優(yōu)先級(jí).網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)報(bào)文幀關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測(cè)及恢復(fù)，因此具有最高優(yōu)先級(jí)，將碼值為00定義為網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)報(bào)文幀的全局優(yōu)先級(jí)，碼值01定義為關(guān)鍵性報(bào)文幀的全局優(yōu)先級(jí).

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)號(hào)用于標(biāo)志接收此報(bào)文幀的節(jié)點(diǎn)代號(hào)，采用3位標(biāo)志符ID8、ID7和ID6來(lái)定義目標(biāo)節(jié)點(diǎn)號(hào)，具體含義如表2所示.

表2 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定義

ID5-ID0共6位ID用于定義該報(bào)文幀所傳輸數(shù)據(jù)或指令的具體功能及目的信息.

2.2 非關(guān)鍵性報(bào)文幀標(biāo)志符分配方案

非關(guān)鍵性報(bào)文幀采用擴(kuò)展幀格式，具體報(bào)文幀標(biāo)志符分配方案如表3所示.

表3 非關(guān)鍵性報(bào)文幀標(biāo)志符分配方案

ID28和ID27標(biāo)志符用于定義報(bào)文幀的優(yōu)先級(jí)類(lèi)別.非關(guān)鍵性報(bào)文幀的優(yōu)先級(jí)低于網(wǎng)絡(luò)管理類(lèi)報(bào)文幀和關(guān)鍵性報(bào)文幀，所以將非關(guān)鍵性報(bào)文幀這2位ID號(hào)定義為10.

ID26-ID22共5位標(biāo)志符用于定義非關(guān)鍵性報(bào)文幀的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí).其中EDF動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)區(qū)采取對(duì)數(shù)分區(qū)法，初值取最大值，由于標(biāo)志符取值越大優(yōu)先級(jí)越低，這樣就將新生成的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)幀放到了等待傳輸報(bào)文幀隊(duì)列的末尾.如果此時(shí)總線上沒(méi)有報(bào)文進(jìn)行傳輸，則該數(shù)據(jù)幀可以立刻啟動(dòng)發(fā)送；如果存在總線競(jìng)爭(zhēng)則高優(yōu)先級(jí)報(bào)文仲裁成功得到發(fā)送，而低優(yōu)先級(jí)報(bào)文將其動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)區(qū)的數(shù)值減小一個(gè)已知值，然后等待重發(fā).低優(yōu)先級(jí)報(bào)文幀每競(jìng)爭(zhēng)失敗一次，其動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)區(qū)就減小一個(gè)已知長(zhǎng)度，優(yōu)先級(jí)越來(lái)越高，直到發(fā)送成功.

ID21-ID20共2位標(biāo)志符用于定義報(bào)文類(lèi)型，根據(jù)非關(guān)鍵類(lèi)報(bào)文幀的不同用途，其報(bào)文類(lèi)型定義如表4所示.由表4可見(jiàn)：廣播幀代表總線上所有節(jié)點(diǎn)均接收；通知幀用于傳送數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息；開(kāi)機(jī)啟動(dòng)幀用于當(dāng)飛行器上電時(shí)，所有分系統(tǒng)啟動(dòng)完成后通過(guò)發(fā)送一幀開(kāi)機(jī)啟動(dòng)幀表示啟動(dòng)完畢.

表4 報(bào)文類(lèi)型定義

ID19-ID17共3位標(biāo)志符定義了非關(guān)鍵性報(bào)文幀的接收節(jié)點(diǎn)，它與前面所定義的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定義相同，具體內(nèi)容如表2所示.

ID16-ID7共10位標(biāo)志符用于定義非關(guān)鍵性報(bào)文幀的具體功能含義，由于種類(lèi)較多，在這里不詳細(xì)介紹.

每個(gè)CAN報(bào)文幀一次最多可以傳輸64 B即8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，而對(duì)于大于64 B數(shù)據(jù)包的傳輸可以通過(guò)制定多幀傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn).通過(guò)采用ID6至ID0共7位標(biāo)志符來(lái)定義多幀傳輸模式下的相關(guān)信息，如單幀傳輸則值為0 000 000，多幀傳輸時(shí)，這7位標(biāo)志符的值表示當(dāng)前傳輸報(bào)文幀是多幀中的具體第幾幀，如0 001 000表示當(dāng)前傳輸?shù)膱?bào)文幀是多幀傳輸中的第8幀.

2.3 數(shù)據(jù)類(lèi)型及存儲(chǔ)方式定義

CAN總線采用多主通信模式，即只要總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線上發(fā)送報(bào)文幀，而總線網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)均可以根據(jù)濾波機(jī)制來(lái)決定是否接收該報(bào)文幀.在CAN物理層協(xié)議中并未規(guī)定不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的傳輸方式，因此為了保證節(jié)點(diǎn)間可以正確編碼和解碼數(shù)據(jù)信息，必須要規(guī)定一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編碼和解碼格式.

根據(jù)飛行器上傳輸數(shù)據(jù)的種類(lèi)可以進(jìn)一步分為單精度浮點(diǎn)型、雙精度浮點(diǎn)型、短整型、長(zhǎng)整型、字節(jié)型、布爾型和自定義型.單精度浮點(diǎn)型和短整型長(zhǎng)度均為4個(gè)字節(jié)，規(guī)定其占用D0-D3的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)，且高字節(jié)在前(高字節(jié)存儲(chǔ)在D0中)；雙精度浮點(diǎn)型和長(zhǎng)整型長(zhǎng)度均為8個(gè)字節(jié)，規(guī)定其占用D0-D7的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)，且高字節(jié)在前(高字節(jié)存儲(chǔ)在D0中)；字節(jié)型長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，規(guī)定其占用D0的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)；布爾型長(zhǎng)度為1 B，規(guī)定其占用D0的最低位；自定義型的編碼定義需要根據(jù)具體數(shù)據(jù)大小而決定，占用CAN報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)原則是D0最先占用，而D7最后占用.

2.4 通信方式定義

根據(jù)CAN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸方法的不同，制定以下3種數(shù)據(jù)通信方式：

(1) 生產(chǎn)者與消費(fèi)者的通信方式.生產(chǎn)者是指CAN報(bào)文的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，消費(fèi)者是CAN報(bào)文的接收節(jié)點(diǎn)，根據(jù)CAN總線的多主工作模式，同一時(shí)刻可包括1個(gè)生產(chǎn)者和多個(gè)消費(fèi)者.該方式為CAN總線數(shù)據(jù)通信的默認(rèn)方式.

(2) 主/從式通信方式.CAN總線可以通過(guò)遠(yuǎn)程幀實(shí)現(xiàn)主/從的通信方式，主節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀，從節(jié)點(diǎn)接收到遠(yuǎn)程幀后立即發(fā)送與所接收遠(yuǎn)程幀標(biāo)志符相同的報(bào)文幀，并在該報(bào)文幀的數(shù)據(jù)區(qū)中發(fā)送節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程申請(qǐng)的數(shù)據(jù).該通信方式主要用于信息的獲取，如傳感器信息獲取.

(3) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式.CAN報(bào)文幀的數(shù)據(jù)區(qū)最大可承載8個(gè)字節(jié)的信息，往往無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)包的信息交換，而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式支持大于8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包傳輸.

3 仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)搭建全數(shù)字仿真平臺(tái)模擬飛行器通信系統(tǒng)實(shí)際工作過(guò)程，完成對(duì)所設(shè)計(jì)的飛行器雙冗余CAN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略及應(yīng)用層協(xié)議的驗(yàn)證工作.

該仿真平臺(tái)的搭建是在Vector公司多功能仿真與分析集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CANoe軟件上實(shí)現(xiàn)的.CANoe具有網(wǎng)絡(luò)的仿真、監(jiān)測(cè)和分析等功能，可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程的模擬.

根據(jù)文中所設(shè)計(jì)的基于雙冗余CAN總線的飛行器通信系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議，在CANoe中搭建2條CAN網(wǎng)絡(luò)，并模擬出所需的9個(gè)物理節(jié)點(diǎn).在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中完成以下測(cè)試：

(1) 模擬單CAN總線組網(wǎng)方式，并將協(xié)議中制定的所有報(bào)文幀在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況，通信速率采用1 MB/s.

(2) 采用雙冗余CAN總線組網(wǎng)方式，模擬主網(wǎng)絡(luò)正常工作狀態(tài)，分別測(cè)試主網(wǎng)絡(luò)和備份網(wǎng)絡(luò)的工作情況，其中主網(wǎng)絡(luò)總線波特率為500 kB/s，備份網(wǎng)為1 MB/s.

(3) 采用雙冗余CAN總線組網(wǎng)方式，模擬主網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓時(shí)備份網(wǎng)的工作狀態(tài)，并統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況，備份網(wǎng)的通信速率采用1 MB/s.

每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 min后，讀取并分析CANoe中記錄的過(guò)程數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中CAN網(wǎng)絡(luò)信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中CAN網(wǎng)絡(luò)信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 通過(guò)對(duì)采用雙冗余CAN總線結(jié)構(gòu)與單CAN總線結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)比較可知，飛行器通信系統(tǒng)的總線負(fù)載率從單CAN網(wǎng)絡(luò)的64%下降到雙CAN網(wǎng)絡(luò)中的主網(wǎng)絡(luò)為9%和備份網(wǎng)為57%，提高了報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性.

(2) 當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)癱瘓時(shí)，所有報(bào)文都在備份網(wǎng)中傳輸，由于采用了合理的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略，此時(shí)備份網(wǎng)的總線負(fù)載率也僅為18%，整個(gè)通信系統(tǒng)在正常且穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，保證了關(guān)鍵性報(bào)文幀的實(shí)時(shí)性，提高了系統(tǒng)的可靠性.

(3) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，總線上并未出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，保證了低優(yōu)先級(jí)報(bào)文幀的公平性.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制定的應(yīng)用層協(xié)議是正確且有效的.通過(guò)在應(yīng)用層協(xié)議中制定合適的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略，不僅在主網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)可以保證飛行器通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)備份網(wǎng)保證飛行器通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此在確保關(guān)鍵性報(bào)文幀傳輸實(shí)時(shí)性的同時(shí)，提高了整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性.

[1] 支超有.機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009：115.

[2] 楊春杰，王曙光，亢紅波.CAN總線技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：7-8.

[3] 張宏巍，張文娟.控制局域網(wǎng)中媒體訪問(wèn)延時(shí)研究與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，46(4)：61-65.

[4] 張宏巍，張文娟，賈宏光.飛行器控制系統(tǒng)雙CAN網(wǎng)絡(luò)混合調(diào)度策略設(shè)計(jì)[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，45(1)：65-70.

(責(zé)任編輯：石紹慶)

Design of application layer protocol and scheduling strategy based on dual redundancy CAN network for aircraft

ZHANG Hong-wei1，ZHANG Wen-juan2

(1.Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

Firstly，a data transmission scheme of aircraft communication system based on CAN bus is presented in this paper.By using redundant bus structure and optimized network scheduling strategy，it not only ensures the network real time，but also improves the system reliability.Secondly，a special application layer protocol is designed according to the actual data transmission requirement.At last，it’s tested by experiment that this protocol meets the requirement of data transmission reliability and real time.

redundant bus；network scheduling strategy；application layer communication protocol

1000-1832(2015)04-0053-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.012

2015-05-12

吉林省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(20130102028JC)；中國(guó)科學(xué)院“三期創(chuàng)新”平臺(tái)資助項(xiàng)目.

張宏巍(1983—)，男，博士，副研究員，主要從事飛行器數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究；通訊作者：張文娟(1983—)，女，博士，工程師，主要從事智能控制技術(shù)研究.

TP 336；V 249 [學(xué)科代碼] 510·50

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