覃 喜

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530023）

0 引言

控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）是一種具備低成本、高可靠（誤碼率為4.7×10-11）、長(zhǎng)距離（在5 kbit/s時(shí)通信距離可達(dá)10 km）、強(qiáng)抗干擾、能實(shí)時(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療電子、家用電器、傳感器，以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)總線。

CAN總線雖然擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于受其硬件電氣特征的限制，且CAN總線本身缺少邏輯上的層級(jí)概念，因此往往難以直接構(gòu)建大型、復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，當(dāng)前基于CAN總線的主要通信協(xié)議，大多只能直接構(gòu)建不超過(guò)256個(gè)甚至不超過(guò)64個(gè)節(jié)點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò)。雖然理論上可以將多個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議組合拼接成一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)，但這需要掌握并維護(hù)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，或需要開發(fā)不同網(wǎng)絡(luò)間的轉(zhuǎn)換協(xié)議，這勢(shì)必會(huì)增加開發(fā)和維護(hù)成本，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)的通信效率和靈活性。以上各種原因，使得直接基于CAN總線和現(xiàn)有通信協(xié)議構(gòu)建大型通信網(wǎng)絡(luò)變得更復(fù)雜，難度也更高。

CAN總線理論上可以同時(shí)掛接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，幾乎沒(méi)有限制，其本身具備直接構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)的潛質(zhì)?；谶@一前提并結(jié)合CAN總線本身的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于CAN總線的千節(jié)點(diǎn)級(jí)大型虛擬樹網(wǎng)絡(luò)及其通信協(xié)議，可以搭建多達(dá)1576個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的大型網(wǎng)絡(luò)，滿足大型分布式設(shè)備控制系統(tǒng)、大型分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及二者相結(jié)合的大型分布式綜合測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為基于CAN總線的四層級(jí)大型樹狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它由根級(jí)、一級(jí)、二級(jí)和葉級(jí)四個(gè)層級(jí)組成。其中，根級(jí)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，稱為根節(jié)點(diǎn)；根節(jié)點(diǎn)有1～7個(gè)直系子節(jié)點(diǎn)，稱為一級(jí)節(jié)點(diǎn)；每個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)又有1～7個(gè)直系子節(jié)點(diǎn)，稱為二級(jí)節(jié)點(diǎn)；而每個(gè)二級(jí)節(jié)點(diǎn)，又有1～31個(gè)直系子節(jié)點(diǎn)，稱為葉級(jí)節(jié)點(diǎn)。由此可見(jiàn)，該樹狀網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)容量為：1個(gè)根節(jié)點(diǎn)，1×7=7個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)，7×7=49個(gè)二級(jí)節(jié)點(diǎn)，以及7×7×31=1519 個(gè)葉級(jí)節(jié)點(diǎn)，共計(jì)1+7＋49+1519=1576個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 大型樹狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在該大型樹狀網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)對(duì)各層級(jí)進(jìn)行編層并對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)的方式，能夠識(shí)別各層級(jí)和各節(jié)點(diǎn)的唯一性。其中，葉級(jí)不需要編層，而根級(jí)、一級(jí)和二級(jí)均使用位寬為2的二進(jìn)制數(shù)nn進(jìn)行編層，分別為01、10和11；根節(jié)點(diǎn)不需要編號(hào)，而一級(jí)、二級(jí)和葉級(jí)節(jié)點(diǎn)則分別使用位寬為3、6和11的二進(jìn)制數(shù)xxx、xxx-yyy和xxx-yyy-zzzzz進(jìn)行編號(hào)，分別為 001～111、xxx-001～xxx-111 和 xxxyyy-00001～xxx-yyy-11111；其中 ，xxx=000、yyy=000、zzzzz=00000的編號(hào)用于多播、廣播通信，其余編號(hào)用于單播通信。

圖1所示的大型樹狀網(wǎng)絡(luò)，被設(shè)計(jì)為虛擬的樹狀網(wǎng)絡(luò)。它僅要求網(wǎng)絡(luò)的物理通信鏈路在邏輯上是樹狀結(jié)構(gòu)的，而不要求網(wǎng)絡(luò)的各物理節(jié)點(diǎn)也連接成樹狀結(jié)構(gòu)。換言之，只要網(wǎng)絡(luò)的物理通信鏈路在邏輯上能夠形成圖1所示的樹狀結(jié)構(gòu)，就可以依照?qǐng)D1所示的層編碼和節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則，將網(wǎng)絡(luò)映射為圖1所示的虛擬樹網(wǎng)絡(luò)。虛擬化設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)了樹狀網(wǎng)絡(luò)的物理連接靈活性，使得該網(wǎng)絡(luò)至少能夠支持如下四種典型物理連接。

（1）節(jié)點(diǎn)并聯(lián)方式。如圖2所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)較少，不超過(guò)CAN收發(fā)器電氣特征所能連接的數(shù)量上限時(shí)，可以將所有的CAN節(jié)點(diǎn)直接并接在同一條CAN總線上，然后通過(guò)圖1所示的層編碼和節(jié)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則，將網(wǎng)絡(luò)映射為圖1所示的虛擬樹網(wǎng)絡(luò)。

圖2 節(jié)點(diǎn)直聯(lián)的虛擬樹網(wǎng)絡(luò)

（2）總線級(jí)聯(lián)方式。如圖3所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)較多，超過(guò)CAN收發(fā)器電氣特征所能連接的數(shù)量上限時(shí)，也可將各CAN節(jié)點(diǎn)連接成多條CAN總線，并通過(guò)中繼器及其透明轉(zhuǎn)發(fā)功能，將各CAN 總線級(jí)聯(lián)成一條邏輯上的虛擬CAN總線，然后將虛擬CAN總線按照?qǐng)D2所示的方法進(jìn)一步映射為圖1所示的虛擬樹網(wǎng)絡(luò)。

圖3 節(jié)點(diǎn)直聯(lián)的虛擬樹網(wǎng)絡(luò)

（3）樹狀連接方式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)一步增加時(shí)，為了避免過(guò)多的中繼級(jí)聯(lián)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的通信產(chǎn)生太大的延遲，可以直接將所有的CAN節(jié)點(diǎn)在物理上連接成如圖1所示的虛擬樹網(wǎng)絡(luò)。

（4）復(fù)合連接方式。如果有必要，也可靈活組合前三種連接方式來(lái)構(gòu)建圖1所示的虛擬樹網(wǎng)絡(luò)，或?qū)⑻摂M樹網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)合并為同一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，以減少某些非必要的物理節(jié)點(diǎn)和中繼器，從而節(jié)約硬件成本和提升網(wǎng)絡(luò)通信效率。這時(shí)，合并后的物理節(jié)點(diǎn)應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)合并前的各節(jié)點(diǎn)的功能。

2 通信協(xié)議

圖1所示的大型虛擬樹網(wǎng)絡(luò)主要用于分布式測(cè)控系統(tǒng)，其信息流被設(shè)計(jì)為僅能在不同層級(jí)的直系節(jié)點(diǎn)間縱向傳播。這使得通信雙方能充分利用通信節(jié)點(diǎn)在虛擬樹網(wǎng)絡(luò)中的位置信息來(lái)減少地址冗余，從而有效縮短通信地址的位寬。最終，虛擬樹網(wǎng)絡(luò)僅使用13位通信地址（不含方向碼），就能支持1576個(gè)節(jié)點(diǎn)的任意兩個(gè)層級(jí)的任意兩個(gè)直系節(jié)點(diǎn)間的雙向單播通信，下行多播和廣播通信，以及其他特殊通信。

虛擬樹網(wǎng)絡(luò)應(yīng)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置恰當(dāng)?shù)膱?bào)文接收和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠接收以自己為宿地址的通信數(shù)據(jù)，同時(shí)接收并無(wú)條件轉(zhuǎn)發(fā)那些以自己為中繼節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)。這樣設(shè)置后，虛擬樹網(wǎng)絡(luò)只需正確配置各節(jié)點(diǎn)的通信地址，就能夠?qū)崿F(xiàn)任意直系節(jié)點(diǎn)間的縱向通信。進(jìn)一步為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立地址和恰當(dāng)?shù)墓灿玫刂?，可使某些?bào)文只能被特定的某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收，而使另一些報(bào)文只能被特定的某些節(jié)點(diǎn)接收，從而在虛擬樹網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)單播、多播和廣播通信鏈路。

完整的單播、多播和廣播通信地址分配方案如表1所示（按照仲裁優(yōu)先級(jí)從高至低排列，并假設(shè)xxx ≠000，yyy≠ 000，zzzzz ≠ 00000）。表1中的單播、多播和廣播通信地址的具體實(shí)現(xiàn)，是彈性的、可剪裁的。實(shí)際的虛擬樹網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)需要，僅實(shí)現(xiàn)表中的部分或全部單播、多播和廣播通信地址。

表1 大型虛擬樹網(wǎng)絡(luò)的單播、多播和廣播通信地址分配方案（不含方向碼）

3 數(shù)據(jù)傳輸格式的制定

為充分提高大型虛擬樹網(wǎng)絡(luò)的通信效率和靈活性，虛擬樹網(wǎng)絡(luò)將底層CAN通信協(xié)議的29位標(biāo)識(shí)符定義為表2所示格式。該格式將單播通信的方向碼與優(yōu)先級(jí)碼融合為2位特征碼，節(jié)約了仲裁標(biāo)識(shí)符位。同時(shí)，考慮到CAN總線在仲裁時(shí)0比1優(yōu)先，特規(guī)定：對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上行報(bào)文的優(yōu)先級(jí)為01，下行為10；對(duì)于設(shè)備控制系統(tǒng)，下行報(bào)文的優(yōu)先級(jí)為01，上行為10；而對(duì)于測(cè)控相結(jié)合的綜合系統(tǒng)，則根據(jù)數(shù)據(jù)流的特征綜合考慮后設(shè)置。

表2 大型虛擬樹網(wǎng)絡(luò)底層CAN通信的29位仲裁標(biāo)識(shí)符分配方案

4 樓宇綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用示例

某高校有一棟5層高的教學(xué)樓，每層有14個(gè)房間單元（10個(gè)教室、4個(gè)辦公室、2個(gè)公共衛(wèi)生間）。每個(gè)教室有13個(gè)開關(guān)需要控制（8個(gè)照明燈開關(guān)、2個(gè)空調(diào)開關(guān)、1個(gè)投影儀開關(guān)、1個(gè)總控開關(guān)，以及1個(gè)走廊燈開關(guān)），每個(gè)辦公室有7個(gè)開關(guān)需要控制（4個(gè)照明燈開關(guān)，1個(gè)空調(diào)開關(guān)，1個(gè)總控開關(guān)，以及1個(gè)走廊燈開關(guān)），每個(gè)公共衛(wèi)生間有2個(gè)開關(guān)需要控制（1個(gè)照明燈開關(guān)，1個(gè)走廊燈開關(guān)）。

本文的大型CAN虛擬樹網(wǎng)絡(luò)，可以輕松構(gòu)建該教學(xué)樓的綜合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該教學(xué)所有開關(guān)的可靠、精細(xì)和靈活控制。

（1）系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)洹?/p>

該教學(xué)樓控制系統(tǒng)省略了根節(jié)點(diǎn)，使用1個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)作為教學(xué)樓節(jié)點(diǎn)，5個(gè)二級(jí)節(jié)點(diǎn)作為各樓層節(jié)點(diǎn)，每個(gè)分節(jié)點(diǎn)使用14個(gè)子節(jié)點(diǎn)作為房間節(jié)點(diǎn)，并規(guī)定：各樓層節(jié)點(diǎn)的1～10號(hào)、11～14號(hào)、15～16號(hào)子節(jié)點(diǎn)，分別用作該樓層教室、辦公室、公共衛(wèi)生間等空間的子節(jié)點(diǎn)，控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 某教學(xué)樓綜合控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)?/p>

（2）節(jié)點(diǎn)地址分配。

根據(jù)教學(xué)樓的設(shè)備控制需求，從表1中選出表3所示的地址分配方案。在該方案中，每個(gè)房間節(jié)點(diǎn)都分配有6個(gè)下行通信地址，分別用于接收房間所在樓層節(jié)點(diǎn)和教學(xué)樓節(jié)點(diǎn)的下行單播和廣播報(bào)文。

表3 教學(xué)樓綜合控制系統(tǒng)的單播和廣播通信地址分配方案（不含方向碼）

（3）開關(guān)的分配方案。

每個(gè)房間節(jié)點(diǎn)連接并控制若干個(gè)開關(guān)。為了便于批量控制，規(guī)定：各房間節(jié)點(diǎn)的0～7號(hào)、8～9號(hào)、10～11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)開關(guān)，分別控制該房間的照明燈、走廊燈、空調(diào)、投影儀、總閘。若某房間沒(méi)有相應(yīng)設(shè)備（例如公共衛(wèi)生間沒(méi)有投影儀），則對(duì)相應(yīng)編號(hào)的開關(guān)進(jìn)行虛擬控制。

（4）開關(guān)的控制策略。

教學(xué)樓節(jié)點(diǎn)和樓層節(jié)點(diǎn)都可以向直系房間節(jié)點(diǎn)發(fā)送攜帶指令的單播或廣播報(bào)文，從而單獨(dú)或批量控制目標(biāo)房間節(jié)點(diǎn)的特定開關(guān)；當(dāng)然，各房間節(jié)點(diǎn)也能夠直接控制本房間節(jié)點(diǎn)的開關(guān)。例如，在教學(xué)樓節(jié)點(diǎn)下行發(fā)送宿地址為10 001 100 00000，指令為“斷開8～9號(hào)開關(guān)”的報(bào)文，就可以批量關(guān)閉4樓的所有走廊燈；而在教學(xué)樓節(jié)點(diǎn)下行發(fā)送宿地址為10 001 000 00000，指令為“斷開1～7和10～13號(hào)開關(guān)”的報(bào)文，則可以關(guān)閉整個(gè)教學(xué)樓除走廊燈之外的所有設(shè)備的電源。

5 結(jié)語(yǔ)

CAN總線具備低成本、高可靠（誤碼率4.7×10-11）、長(zhǎng)距離（在5 kbit/s時(shí)通信距離可達(dá)10 km）、強(qiáng)抗干擾、能實(shí)時(shí)傳輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在大型分布式可靠測(cè)控領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿薮?。本文針?duì)當(dāng)下CAN總線及其通信協(xié)議不容易直接構(gòu)建大型通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套可直接基于CAN總線構(gòu)建大型虛擬樹網(wǎng)絡(luò)的方案，支持靈活的物理連接方式并能實(shí)現(xiàn)多達(dá)1576個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)規(guī)模，具備完善、靈活和豐富的單播、多播和廣播通信鏈路，能夠有效保障該大型網(wǎng)絡(luò)的通信效率和靈活性，足以滿足大型分布式設(shè)備控制系統(tǒng)、大型分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求，以及二者相結(jié)合的大型分布式綜合測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，具有一定的推廣價(jià)值。

該系統(tǒng)預(yù)留了寬度多達(dá)12位的指令碼設(shè)計(jì)空間，能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的指令功能設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在完善指令碼及上層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將能夠支持與管理多達(dá)160路設(shè)備，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠測(cè)控的設(shè)備規(guī)模，多達(dá)25萬(wàn)路以上，具有較大的拓展空間。