龍 可，呂良慶

(1.國家空間科學(xué)中心 中國科學(xué)院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點實驗室，北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049)

0 引 言

CAN總線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定的是鏈路層協(xié)議，在實際任務(wù)中需要根據(jù)任務(wù)需要設(shè)計通信協(xié)議。由于任務(wù)需求各不相同，因此對應(yīng)的通信協(xié)議也各不相同，這使得任務(wù)之間難以通用，對項目合作時異構(gòu)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作造成了困難[1]。引入即插即用設(shè)計思路有利于解決這一問題?，F(xiàn)有的CAN總線即插即用方法多數(shù)是基于地面通用即插即用技術(shù)[2]，對設(shè)備信息描述的方法往往是個性化的，這不利于航天架構(gòu)異構(gòu)子網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化接入。目前，采用電子數(shù)據(jù)單(electronic data sheet，EDS)技術(shù)來管理設(shè)備信息已成為一種主流[3]。例如空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(consultative committee for space data system，CCSDS)提出的航天器接口業(yè)務(wù)(spacecraft onboard interface services，SOIS)[4]，采用SOIS EDS(SEDS)對部件信息進(jìn)行描述[5]；美國空軍實驗室(air force research laboratory，AFRL)提出的SPA(space PnP avionics)計劃，利用xTEDS(XML transducer electronic data sheet)來管理所有設(shè)備和服務(wù)[6]。在上述架構(gòu)中，CAN總線作為底層子網(wǎng)之一，需要在總線內(nèi)部先解決設(shè)備級的即插即用[7]，然后與上層的應(yīng)用和業(yè)務(wù)過程進(jìn)行銜接。

1 概 述

在CAN總線中增加即插即用特性，可以在不改變各自節(jié)點原有通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，建立它們之間的互通性，提高航天器的協(xié)調(diào)和集成效率。即插即用技術(shù)的實現(xiàn)思路一般可以歸納為以下幾個步驟：設(shè)備編址、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備描述、設(shè)備控制、設(shè)備事件和設(shè)備表達(dá)[8]。結(jié)合星載CAN總線的實際特點，擬定了CAN總線即插即用的整體流程，如圖1所示。

圖1 CAN PnP整體流程

為方便即插即用的過程描述，將系統(tǒng)主計算機(jī)所在的CAN總線節(jié)點定義為主節(jié)點(master node)，其余接入節(jié)點為從節(jié)點(slave node)。航天任務(wù)中CAN總線通信協(xié)議對系統(tǒng)中各節(jié)點的地址做了固定分配。

用于描述設(shè)備信息的EDS可以參考IEEE1451.0[9]的TEDS格式。當(dāng)主節(jié)點收到從節(jié)點的EDS消息，對消息內(nèi)容進(jìn)行解析、存儲，并依據(jù)解析結(jié)果進(jìn)行消息的編排，以啟動雙方的正常通信，這一過程需考慮單從節(jié)點、多從節(jié)點的接入以及撤出等多種場景。從節(jié)點方面只需按照協(xié)議約定的格式進(jìn)行EDS內(nèi)容的填寫，遵循握手協(xié)議發(fā)送給主節(jié)點。

CAN總線只是航天器綜合系統(tǒng)架構(gòu)底層子網(wǎng)的一種，若系統(tǒng)中還有其它異構(gòu)子網(wǎng)，則需進(jìn)行異構(gòu)子網(wǎng)之間的協(xié)議同構(gòu)，即匯聚層的設(shè)計。為方便用戶填寫EDS，還需考慮EDS的生成工具和解析工具的設(shè)計，構(gòu)建EDS工具鏈，使CAN總線即插即用協(xié)議能在實際應(yīng)用中推廣。

因此，CAN總線即插即用解決方案涉及的主要內(nèi)容包括：①EDS設(shè)計；②握手協(xié)議設(shè)計；③主節(jié)點設(shè)計(主要是消息調(diào)度算法設(shè)計)；④從節(jié)點設(shè)計；⑤匯聚層設(shè)計；⑥EDS工具鏈設(shè)計。

2 通信協(xié)議基礎(chǔ)約定

為了實現(xiàn)即插即用，需要在CAN總線技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的約定。①主節(jié)點地址固定為0，確保主節(jié)點消息的發(fā)送優(yōu)先權(quán)，明確從節(jié)點發(fā)送EDS消息的目標(biāo)地址；②不支持從節(jié)點之間的通信；③消息首幀的數(shù)據(jù)場前兩字節(jié)約定為消息類型，可根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行約定。細(xì)分為消息子類型和子編號，各占一個字節(jié)。其中EDS消息類型定義為0xEDXX。

定義CAN總線表的概念來描述總線上消息的運行情況，其作用類似于列車時刻表，它由一個個消息單元順序組成，每個消息單元包括一條消息的類型、地址、消息時間。由周期性消息組織而成的總線表稱為主總線表，突發(fā)性的消息編排入插入總線表。

對用于描述即插即用過程的相關(guān)時間概念做以下定義(如圖2所示)：

圖2 時間概念說明

(1)消息時間(TMSG)：一條消息傳輸所需的時間與幀間隙之和。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀包含44 bit-108 bit，考慮星上對CAN總線幀間隙Titv的常見要求在0.2 ms-0.6 ms(此處取0.4 ms)，以常用通信速率500 Kbps為例計算，即發(fā)送1 bit數(shù)據(jù)耗時2 μs。當(dāng)從節(jié)點接入系統(tǒng)時，單幀數(shù)據(jù)域為空的消息，TMSG=44 bit×2 μs/bit+400 μs=488 μs，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸時間為8 bit×2 μs /bit=16 μs，數(shù)據(jù)域每增加1個字節(jié)，消息幀傳輸時間增加16 μs，帶8字節(jié)數(shù)據(jù)的消息幀TMSG為616 μs。

(2)小幀周期(TFRM)：主總線表中一個小幀內(nèi)所有消息的TMSG累加和。為確保主總線表周期的相對穩(wěn)定，消息在不上線的小幀內(nèi)仍然占用該消息的TMSG時間。

(3)消息間隔(TITV)：同一消息連續(xù)兩次傳輸之間的最小間隔，是從節(jié)點的期望值。

下面以標(biāo)準(zhǔn)幀格式為例進(jìn)行說明。

3 CAN總線即插即用解決方案

3.1 EDS格式設(shè)計

為了增強(qiáng)協(xié)議的通用性，在一定程度上適應(yīng)不同的CAN總線通信協(xié)議，對地址分配、總線占用以及幀類型等方面的不同約定，本文設(shè)計了兩種形式的EDS：握手EDS(shake-hand EDS，SH EDS)和通信EDS(slave communication EDS，SC EDS)。SH EDS交代節(jié)點地址、幀類型、總線占用等信息，解決通信格式的識別問題。SC EDS用以描述從節(jié)點的個性化鏈路層通信需求，說明消息類型、方向、長度、最小期望間隔等信息，解決總線通信的消息編排問題。

3.1.1 SH EDS格式設(shè)計

SH EDS為數(shù)據(jù)幀，幀頭仲裁場的11位標(biāo)識符格式見表1。

表1 SH EDS仲裁場格式

D10～D5：由節(jié)點自行定義，以適應(yīng)不同節(jié)點遵循的不同協(xié)議。

D4～D0：節(jié)點地址，00000代表主節(jié)點，其余用于從節(jié)點地址。

SH EDS數(shù)據(jù)場包含8字節(jié)，前2字節(jié)為消息類型，方便初始握手時節(jié)點雙方的第一次識別，取值0xED00～0xED03(分別對應(yīng)單幀SH EDS、多幀SH EDS的起始幀、中間幀和尾幀)。

SH EDS數(shù)據(jù)場后6字節(jié)是正式內(nèi)容，解釋仲裁場D10～D5位的個性化格式約定。如果仲裁場D10～D5位有多個域的劃分，則每一個域?qū)?yīng)一個字節(jié)，最多6個域(擴(kuò)展幀域的數(shù)量可能大于6)。每個字節(jié)的格式都見表2。

表2 SH EDS數(shù)據(jù)場字節(jié)格式

D7～D4：標(biāo)識符類型，具體可根據(jù)實際工程需要自定義，例如表3。

表3 標(biāo)識符類型定義實例

D3～D0：該標(biāo)識符類型在仲裁場中所占的位數(shù)(1～6)。

3.1.2 SC EDS格式設(shè)計

主節(jié)點在解析完SH EDS后，開始向該從節(jié)點發(fā)送SC EDS請求消息，該消息為單幀數(shù)據(jù)幀，仲裁場內(nèi)容與SH EDS相同，消息類型為0xED04，數(shù)據(jù)場中的后6字節(jié)填0。

從節(jié)點收到請求消息后，向主節(jié)點發(fā)送SC EDS，用以描述其個性化的鏈路層通信需求，SC EDS消息仲裁場內(nèi)容與SH EDS相同。數(shù)據(jù)場的具體格式見表4。

表4 SC EDS數(shù)據(jù)場格式

表4中，EDS識別符：取值0xED05；EDS長度：消息定義部分的長度；消息定義：描述節(jié)點消息，每個消息的定義占用6個字節(jié)，分別包括消息類型、消息方向、消息長度和消息最小期望間隔。具體格式見表5。

表5 SC EDS中消息定義格式

①消息方向T/R：指該消息是由從節(jié)點發(fā)送(1)或接收(0)；②消息長度：0～32 767，單位字節(jié)；③U/D：默認(rèn)上下線。指該子地址消息在安排入總線表時，是默認(rèn)上線(1)還是默認(rèn)不上線(0)，默認(rèn)上線代表在從第一個運行周期開始該類消息一直周期性傳輸，直到從節(jié)點主動請求其下線(下線消息類型：0xFFFF)或者異常結(jié)束，主節(jié)點可以通過改變該位的狀態(tài)對消息實現(xiàn)上下線控制；④間隔：代表從節(jié)點期望的該消息傳輸最小間隔，全0代表該消息非周期性傳輸，即突發(fā)性消息，期望的最小間隔取值0 ms～32 767 ms。

3.2 握手協(xié)議設(shè)計

CAN總線即插即用握手時序圖如圖3所示。

圖3 CAN PnP握手時序圖

具體的握手步驟如下：

(1)從節(jié)點接入過程：

步驟1 從節(jié)點以500 ms周期性發(fā)送SH EDS。

步驟2 主節(jié)點收到SH EDS后解析從節(jié)點個性化通信格式并進(jìn)行記錄。

步驟3 主節(jié)點發(fā)送SC EDS請求消息。

步驟4 從節(jié)點收到SC EDS請求消息后，停止發(fā)送SH EDS，并向主節(jié)點發(fā)送SC EDS消息。

步驟5 主節(jié)點收到SC EDS后解析從節(jié)點對于消息的約定情況并進(jìn)行記錄。

步驟6 根據(jù)SC EDS解析內(nèi)容編排新的總線表并調(diào)整總線周期：同類型消息按從節(jié)點的接入順序編排；同一節(jié)點多次發(fā)送EDS按最新EDS定義的消息情況進(jìn)行編排，原紀(jì)錄被覆蓋。

步驟7 按照SH EDS定義的通信格式，啟動總線表運行，正常通信建立。

步驟8 重復(fù)以上步驟實現(xiàn)多個從節(jié)點的加入。

(2)從節(jié)點撤出過程：

步驟1 當(dāng)某一從節(jié)點連續(xù)5次出現(xiàn)應(yīng)答超時，且發(fā)送恢復(fù)幀和切換總線不能恢復(fù)，或從節(jié)點發(fā)送下線指令，可判定其下線。

步驟2 主節(jié)點刪除該節(jié)點的通信格式和信息記錄。

步驟3 重新計算總線周期，調(diào)整總線表。

步驟4 主節(jié)點與其余從節(jié)點正常通信。

3.3 主節(jié)點設(shè)計

主節(jié)點設(shè)計主要考慮對從節(jié)點的EDS的傳輸、讀取和解析等過程的控制，并根據(jù)EDS進(jìn)行總線表的編排，以實現(xiàn)后續(xù)的正常通信。

3.3.1 總線表構(gòu)建算法

總線表構(gòu)建算法主要解決在從節(jié)點從無到有加入以及從一到多加入過程中，主節(jié)點進(jìn)行總線表編排時對各從節(jié)點消息的合理調(diào)度問題，在滿足各節(jié)點消息傳輸需求的前提下，盡量減小接入和撤出節(jié)點時對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響?？偩€表的編排遵循以下步驟：

(1) 第一個節(jié)點加入主總線表：

步驟1 主節(jié)點收到第一個SC EDS后，將其中所有TITV非零的消息按順序編入主總線表。

步驟2 累加其中所有消息的消息時間TMSG作為TFRM，若TFRM滿足TFRM≥max{TITV1…TITVn}，說明小幀周期能滿足所有消息對最小間隔的要求，否則，應(yīng)調(diào)整TFRM，拉長最后一條消息的TMSG，拉長的長度為max{TITV1…TITVn}-TFRM。

(2)第N個節(jié)點加入主總線表：

步驟1 記錄當(dāng)前小幀周期為Tbase。

步驟3 若m=0或1，小幀不做復(fù)制，新接入節(jié)點的所有消息依次加入到該小幀中。

步驟5 所有消息插入完成后，計算新TFRM，若滿足TFRM≥max{TITV1…TITVn}，編排結(jié)束，否則應(yīng)調(diào)整TFRM，拉長最后一條消息的TMSG。

步驟6 若無后續(xù)節(jié)點的接入，該小幀即作為最終主總線表。

SC EDS中TITV為零的突發(fā)性消息順序編入插入總線表，將突發(fā)性消息與其觸發(fā)條件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

(3)節(jié)點撤出時總線表的編排：

步驟1 從主總線表和插入總線表中撤出該節(jié)點的所有消息。

步驟2 消息撤出完成后，計算新TFRM，若滿足TFRM≥max{TITV1…TITVn}，編排結(jié)束，否則應(yīng)調(diào)整TFRM。

3.3.2 管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了3種管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述即插即用通信過程：通信特征表(FEATAB)、消息表(MSGTAB)和節(jié)點信息表(NODEINFOTAB)。

首先，通信特征表(FEATAB)用于記錄初始握手時從節(jié)點SH EDS中對其標(biāo)識符段的分配使用情況，按SH EDS中標(biāo)識符定義順序依次記錄其長度和相對位置。

其次，消息表(MSGTAB)對SC EDS中定義的節(jié)點消息進(jìn)行記錄，包括消息地址、消息類型、消息長度和消息間隔等，是系統(tǒng)建立的消息索引表，能在需要某條消息時快速查詢。

第三，節(jié)點信息表(NODEINFOTAB)中記錄每個節(jié)點的地址信息、FEATAB指針、消息數(shù)和MSGTAB指針，包含了一個節(jié)點的所有個性化信息，方便在節(jié)點加入撤出時的索引及消息的上下線控制。

3.3.3 基礎(chǔ)功能模塊設(shè)計

根據(jù)CAN總線即插即用握手協(xié)議，對其中每一個步驟涉及的交互對象、交互數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，繪制了圖4所示的CAN PnP主節(jié)點數(shù)據(jù)流。

圖4 CAN PnP主節(jié)點數(shù)據(jù)流

為完成CAN總線即插即用主節(jié)點的軟件設(shè)計，主要需實現(xiàn)的功能包括：總線運行控制、數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)解析、總線表編排等。根據(jù)功能編寫了如表6所示的基礎(chǔ)模塊。

表6 CAN PnP主節(jié)點基礎(chǔ)功能模塊

用戶可根據(jù)需求對基礎(chǔ)功能模塊進(jìn)行編寫、擴(kuò)充，并與自定義系統(tǒng)進(jìn)行銜接，其中每個模塊可包括多個程序函數(shù)。

3.4 從節(jié)點設(shè)計

從節(jié)點的軟件只需按照CAN PnP協(xié)議，將個性化的SH EDS和SC EDS發(fā)送給主節(jié)點即可，建立握手后的通信過程按照從節(jié)點原有協(xié)議進(jìn)行。

3.5 匯聚層設(shè)計

如果在一個系統(tǒng)中存在多個具有即插即用能力的異構(gòu)子網(wǎng)，則需要在它們之上設(shè)計匯聚層協(xié)議以解決系統(tǒng)上層業(yè)務(wù)和應(yīng)用的銜接和標(biāo)準(zhǔn)化訪問問題。參考CCSDS.850.0-G-2[4]對匯聚層的設(shè)計，給出了匯聚層設(shè)計思路，如圖5所示。

圖5 匯聚層設(shè)計思路

匯聚層在鏈路協(xié)議子層可以采用冗余模型，即除了統(tǒng)一的路由功能和尋址功能外，其余功能都是平行設(shè)計。

路由功能旨在為上層應(yīng)用確定通信路徑，通過對子網(wǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得。靜態(tài)數(shù)據(jù)指從上層應(yīng)用到下層子網(wǎng)和設(shè)備之間的邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換對應(yīng)關(guān)系，以及一些固定的通信特征，如最大通信速率、設(shè)置的通信速率、最小傳輸單元和最大傳輸單元等。動態(tài)數(shù)據(jù)主要是指新接入設(shè)備的信息，主要體現(xiàn)在EDS上。系統(tǒng)內(nèi)部的管理信息庫(management information base，MIB)，用于保存靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)備EDS信息。

尋址功能在路由功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步為上層應(yīng)用提供可訪問地址的服務(wù)。提供的方式有兩種，一種是提供固定的設(shè)備、子網(wǎng)與應(yīng)用程序之間的地址對應(yīng)關(guān)系。另外一種是設(shè)備、子網(wǎng)與應(yīng)用程序之間的對應(yīng)關(guān)系事先不確定，這種情況下可以通過設(shè)計專門的應(yīng)用EDS，來描述應(yīng)用程序可以提供的服務(wù)以及所需的輸入服務(wù)信息。當(dāng)子網(wǎng)上傳的消息到達(dá)匯聚層時，尋址功能根據(jù)該消息的信息在MIB中檢索應(yīng)用EDS，如果發(fā)現(xiàn)消息與某個應(yīng)用EDS的服務(wù)信息能夠匹配，就可以建立設(shè)備、子網(wǎng)與應(yīng)用程序之間的地址連接和通信關(guān)系，表現(xiàn)為應(yīng)用程序的即插即用。

3.6 EDS工具鏈設(shè)計

從節(jié)點用戶需按照CAN PnP協(xié)議規(guī)定的格式編輯個性化的SH EDS和SC EDS。EDS采用XML(extensible markup language)進(jìn)行描述，以便使用相應(yīng)的語言生成工具和解析工具，從而擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍和使用的便利。圖6為EDS的生成轉(zhuǎn)換過程。

圖6 EDS的生成轉(zhuǎn)換過程

數(shù)據(jù)表單通過工具或者手工編寫，然后通過EDS生成工具轉(zhuǎn)換成XML格式。接收方通過EDS解析工具，將XML文件轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識別的個性化二進(jìn)制格式。

3.6.1 EDS生成工具

在互聯(lián)網(wǎng)上可以找到的XML編輯器有很多，本項目選用了XML Validator Buddy[10]，它是一個可在瀏覽器上直接編輯或閱讀XML源碼的編輯器，用于進(jìn)行CAN總線SH EDS、SC EDS的XML文件的編輯生成。在這個工具中輸入手工編輯的符合本文SH EDS、SC EDS格式的文件，就可以生成個性化的EDS編輯界面，供用戶進(jìn)行內(nèi)容的填寫和修改，如圖7所示。

圖7 SH EDS、SC EDS生成工具

由此生成的SH EDS和SC EDS的XML文件如圖8和圖9所示。

圖8 SH EDS XML文件實例

圖9 SC EDS XML文件實例

3.6.2 EDS解析工具

EDS解析工具的目的是將XML格式的EDS，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制格式。存儲與解析XML文檔的方法之一是使用萬維網(wǎng)聯(lián)盟(world wide web consortium，W3C)推薦的文檔對象模型(document object model，DOM)[11]。DOM通過提取XML文件中的元素和屬性值，組成樹狀結(jié)構(gòu)，通過對樹的操作實現(xiàn)信息的存儲、更新和訪問。圖10以SC EDS為例分析解析過程。

圖10 SC EDS的解析設(shè)計

文檔樹中保留了XML文件中元素名之間以及元素名與屬性值之間的層次歸屬關(guān)系。從根節(jié)點出發(fā)，一級子節(jié)點為節(jié)點地址和SC EDS定義項(見表4)，二級子節(jié)點為SC EDS消息定義詳情(見表5)。采用深度優(yōu)先的遍歷方法，遍歷完成之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，形成系統(tǒng)可識別的二進(jìn)制EDS文件。

4 實驗驗證

本節(jié)設(shè)計了實驗來驗證CAN總線即插即用協(xié)議的合理性。實驗基于CAN總線仿真卡USBCAN-2E-U，共使用三路CAN接口模擬一主兩從。編寫了主節(jié)點軟件及界面CANPnP和從節(jié)點測試軟件CANTest。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗驗證，結(jié)果如圖11所示。

圖11 即插即用節(jié)點接入及撤出過程演示

過程詳情和結(jié)果分析如下：①從節(jié)點1發(fā)送SH EDS；②主節(jié)點向從節(jié)點1發(fā)送SC EDS請求消息；③從節(jié)點1發(fā)送SC EDS；④主節(jié)點與從節(jié)點1交換數(shù)據(jù)，消息的幀頭、類型、長度等信息符合預(yù)期定義，說明EDS格式的設(shè)計是合理的，總線表的構(gòu)建算法能滿足單節(jié)點的加入情況；⑤從節(jié)點2發(fā)送SH EDS；⑥主節(jié)點向從節(jié)點2發(fā)送SC EDS請求消息；⑦從節(jié)點2發(fā)送SC EDS；⑧主節(jié)點與從節(jié)點1、節(jié)點2交換數(shù)據(jù)，觀察先前加入的從節(jié)點1消息的收發(fā)情況沒有受到影響，說明總線表的構(gòu)建算法能滿足多節(jié)點的加入情況；⑨從節(jié)點2發(fā)送下線指令；⑩從節(jié)點2相關(guān)消息全部下線，只剩從節(jié)點1的消息，說明總線表的構(gòu)建算法能滿足節(jié)點的撤出情況。

5 結(jié)束語

設(shè)備級即插即用需要在它接入的子網(wǎng)內(nèi)部解決識別和接入的問題，而這一點需要按照異構(gòu)子網(wǎng)的不同特點進(jìn)行設(shè)計。本文按照CAN總線的特點設(shè)計了兩次EDS的交換過程，第一次解決了消息格式的識別問題，第二次解決了總線通信的消息編排問題，實現(xiàn)了接入設(shè)備的自動識別和正常通信。這種兩次交換EDS的方式有利于適應(yīng)按照不同CAN總線通信協(xié)議設(shè)計的節(jié)點接入同一子網(wǎng)。但是仲裁場中地址的定義決定了物理層通信的特征，這限制了SH EDS對不同協(xié)議地址定義的適應(yīng)性。在CAN總線即插即用協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行了匯聚層和工具鏈的設(shè)計，增強(qiáng)了協(xié)議的通用性和使用的便利性。