1、一種應(yīng)用于無線ATM中的新型CAN信息傳遞方法(1)摘 要 就控制局域網(wǎng)（CAN）現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)的普遍用途而論，在處理控制的環(huán)境中通常需要它來互聯(lián)信息。在工業(yè)化實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中互連的CAN節(jié)點(diǎn)，采用無線異步傳送模式（WATM）可以為全局系統(tǒng)的集成和控制提供有效的作用。本文介紹了一種新型方法，這種方法采用WATM作為一種無線電協(xié)議來描述無線CAN網(wǎng)絡(luò)。使用封裝技術(shù)來解決從CAN到WATM的映射的問題在此也有所闡述。這種模式的性能分析可以通過采用計(jì)算機(jī)模擬的OPNET模型的結(jié)果來提供。 關(guān)鍵字 控制局域網(wǎng)；無線異步傳送模式；網(wǎng)絡(luò)互連；實(shí)時(shí)控制1 引言CAN最早是由德國(guó)BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中

2、的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，按照ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，CAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，因此也稱為CAN總線。CAN協(xié)議是眾多高級(jí)通信協(xié)議中的一種協(xié)議。雖然最初只打算在汽車應(yīng)用方面使用，但是由于它的高性能和優(yōu)越特征，它在許多其他工業(yè)應(yīng)用方面也得到了很好的開展。基于載波偵聽多路存取（CSMA/CD）機(jī)制并充分使用其優(yōu)越性的CAN是一種串行通信協(xié)議。它經(jīng)常可以使用于一些應(yīng)用領(lǐng)域中，這其中包括智能電動(dòng)機(jī)控制、機(jī)器人控制、智能傳感器/計(jì)數(shù)器、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室等。當(dāng)CAN使用在一些移動(dòng)/無線領(lǐng)域中，比如汽車、飛機(jī)和火車等，它仍然能夠在連接節(jié)點(diǎn)時(shí)提供一種非常高速的通信網(wǎng)絡(luò)。異步傳送模式（ATM）

3、是一種新的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。其特點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)復(fù)用、信元長(zhǎng)度固定、虛通道（VP）與虛通路（VC）交換、帶寬的動(dòng)態(tài)分配、能綜合多種業(yè)務(wù)。ATM技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的結(jié)合形成無線ATM技術(shù)，無線異步傳送模式（WATM）實(shí)質(zhì)上是將ATM網(wǎng)上寬帶業(yè)務(wù)延伸至無線移動(dòng)網(wǎng)，把ATM無縫隙地?cái)U(kuò)展到移動(dòng)通信終端。而本文就是研究如何通過無線網(wǎng)絡(luò)和ATM終端將信息從一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）傳送到另一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）。 2 無線ATM中的CAN總線 2.1 控制局域網(wǎng)CAN早期CAN主要應(yīng)用于汽車中，目前由于可以通過使用少量的總線帶寬，就能夠允許以對(duì)等和廣播的形式執(zhí)行多點(diǎn)傳送通信，因此CAN的應(yīng)用逐漸延

4、伸到機(jī)器和自動(dòng)化市場(chǎng)。 CAN具有非常多的特點(diǎn)，比如：采用高速串行接口、采用低成本的物理媒介、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較短、具有快速反應(yīng)時(shí)間和高級(jí)檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力等。CAN利用帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路存取 (CSMA/CD)機(jī)制，使得它的節(jié)點(diǎn)可以使用總線技術(shù)。當(dāng)CAN使用一個(gè)基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁的過程時(shí)，最高優(yōu)先權(quán)的節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)傳送，不產(chǎn)生任何中斷。因而CAN有不可預(yù)測(cè)的價(jià)值，并且CAN網(wǎng)絡(luò)將在總線帶寬方面起關(guān)鍵作用。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的區(qū)別是標(biāo)識(shí)符（ID）長(zhǎng)度的不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。 圖1 CAN報(bào)文格式如圖1所示，在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11

5、位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR）組成的仲裁區(qū)。RTR位標(biāo)明的是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中是沒有數(shù)據(jù)字節(jié)的。控制區(qū)包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位（IDE），IDE指出的是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式，控制區(qū)還包括一個(gè)保留位（ro），為將來擴(kuò)展使用，控制區(qū)的最后四位用來指明數(shù)據(jù)區(qū)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（DLC）。數(shù)據(jù)區(qū)范圍為08個(gè)字節(jié)，其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查（CRC）。在一幀報(bào)文中加入冗余檢查位可以保證報(bào)文的正確性。接收站通過CRC可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)。應(yīng)答區(qū)（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的是這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保

6、證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收?qǐng)?bào)文。報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。 2.2 無線異步傳送模式（WATM）通信發(fā)展導(dǎo)致了ATM的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)則作為寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)（B-ISDN）概念的依據(jù)。為了滿足QoS最大限度的要求，ATM已經(jīng)成為國(guó)際上認(rèn)可的集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。ATM網(wǎng)絡(luò)是采用固有地定向連接方式，并且具備QoS的保證。ATM提供如下的優(yōu)越特點(diǎn)，包括靈活性，可測(cè)量性，快速的開關(guān)，和高效率地運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)多路技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的用途。通過一種可升級(jí)的方式，它能支持不同的特性。在ATM中，信息以信元方式被傳送

7、。我們可以根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)傳送的信元數(shù)去計(jì)算傳輸率。53個(gè)字節(jié)的ATM信元包括48個(gè)字節(jié)的信息域和5個(gè)字節(jié)的報(bào)頭。如圖2所示。信元報(bào)頭包括一個(gè)虛通道/虛通路標(biāo)識(shí)符（VCI/VPI），這個(gè)標(biāo)簽被應(yīng)用在多路技術(shù)中，用于表示路由地址。這個(gè)報(bào)頭還包含其他4個(gè)部分，即通用流量控制（GFC），凈荷類型標(biāo)識(shí)（PTI），信元丟棄優(yōu)先權(quán)（CLP）和信頭錯(cuò)誤校驗(yàn)（HEC）。剩余的48字節(jié)的信息段是凈荷的數(shù)據(jù)。 圖2 ATM信元格式圖3 CAN/WATM模型及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在WATM中，數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是提供封裝、報(bào)頭壓縮、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（ARQ）技術(shù)和正向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)。以前被提議的數(shù)據(jù)鏈路層打

8、算通過無線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接來實(shí)現(xiàn)信元的傳送，由于這種方式可能出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，所以現(xiàn)在我們結(jié)合使用有選擇性的ARQ和FEC技術(shù)。為了具備這些新的功能，這里提出的WATM的信元結(jié)構(gòu)與一個(gè)通用ATM網(wǎng)絡(luò)中的信元結(jié)構(gòu)是有所不同。所以，在無線ATM網(wǎng)絡(luò)和通用ATM網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)換ATM信元是必須的，也是必要的。 WATM網(wǎng)絡(luò)主要有兩種工作模式，即本機(jī)模式WATM和IP結(jié)束WATM模式。前者所支持的應(yīng)用比如：通過直接使用WATM實(shí)現(xiàn)住宅之間的無線視頻傳送。另一方面，后者為現(xiàn)有的基于IP的應(yīng)用提供WATM作為傳輸技術(shù)。所以，后者廣泛地用于數(shù)據(jù)應(yīng)用方面。在本文中，通過使用WATM，CAN信息被傳輸在固定的無線CAN節(jié)點(diǎn)之

9、間。雖然現(xiàn)今存在著許多無線技術(shù)例如IEEE 802.11，HiperLAN/2，Home RF，Bluetooth和ZigBee等，但是WATM可以選擇哪些無線技術(shù)來使用呢？滿足WATM要求的無線技術(shù)必須具有以下幾個(gè)好處，一是通過ATM中樞可以很容易地集成網(wǎng)絡(luò)，二是在保證Qos的情況下提供端到端的實(shí)時(shí)多媒體能力。 2.3 采用WATM的遠(yuǎn)程CAN節(jié)點(diǎn)互連方法在本節(jié)中，我們把WATM作為ATM本地網(wǎng)到遠(yuǎn)程的CAN用戶/結(jié)點(diǎn)的延伸。在易出錯(cuò)和低帶寬的無線媒介下，為了保證進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝os，我們必須利用一個(gè)有效的MAC協(xié)議，這種協(xié)議是基于TDMA D/FDD并能夠被WATM使用的。這樣做的目的是允

10、許在二個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)無線服務(wù)，而這種服務(wù)不會(huì)影響到其他彼此連接的節(jié)點(diǎn)之間的工作（如圖3所示）。在從CAN到WATM的映射機(jī)制中，通過使用WATM的激活將CAN節(jié)點(diǎn)的信息提取出來。CAN信息的協(xié)議數(shù)據(jù)單位（PDU）被封裝在那些通過無線ATM信道傳輸?shù)腁TM信元中。由于一條CAN信息是108位，它能夠很容易地適合一條凈荷的ATM信元（如圖4所示）。通過WATM有目的地激活CAN結(jié)點(diǎn)，去掉ATM信元的報(bào)頭部分，并且從ATM信元的凈荷中提取出能夠被CAN總線處理或者傳遞CAN信息。圖4 ATM信元中的CAN信息封裝W-CAN的功能模型如圖5所示。從CAN到WATM和從WATM到CAN的數(shù)據(jù)傳送過程

11、的流程圖如圖6所示。這個(gè)W-CAN模型包含一個(gè)CAN接口實(shí)體(CAN-IE)，一個(gè)WATM接口實(shí)體（WATM-IE），一個(gè)W-CAN查尋表(W-CAN-LT)，一個(gè)CAN學(xué)習(xí)、過濾和解釋實(shí)體（CAN-LFTE），一個(gè)WATM過濾和解釋實(shí)體（WATM-FTE）和四個(gè)先入先出（FIFO）緩存器。而FIFO緩存器的主要功能是將CAN/WATM信息/信元格式轉(zhuǎn)換和接收/發(fā)送信息。圖5 W-CAN功能塊簡(jiǎn)圖CAN接口實(shí)體(CAN-IE)不僅給CAN總線提供信息，而且還具有一臺(tái)總線接收器和發(fā)送器。另一方面，如果FIFO4從WATM-FTE收到一條CAN信息，則它就可把這條信息傳遞給CAN總線。WATM接口

12、實(shí)體(WATM-IE)可以為無線通信媒體提供必要的作用，并且還具有一臺(tái)無線接收器和發(fā)送器。另一方面，如果FIFO3從CAN-LFTE收到一條WATM信元，則它將對(duì)無線媒體廣播這條信元。FIFO1緩沖器主要用于存儲(chǔ)CAN信息，而FIFO2緩沖器主要用于存儲(chǔ)從CAN-IE和WATM-IE傳送過來的WATM信元。W-CAN查尋表(W-CAN-LT) 用于處理基于報(bào)文的CAN在WATM之上的通信的優(yōu)先權(quán)。在一個(gè)學(xué)習(xí)過程(W-CAN-LP)的開始階段它就被創(chuàng)建，每一個(gè)W-CAN找出它自己附上的CAN節(jié)點(diǎn)的本地信息和來自其它W-CAN的遠(yuǎn)程信息，然后將具有一定優(yōu)先權(quán)的信息同相關(guān)的W-CAN聯(lián)系在一起。CA

13、N學(xué)習(xí)、過濾和解釋實(shí)體(CAN-LFTE)具有支持W-CANLP的特點(diǎn)，基本上，在W-CAN-LT中使用的每一條CAN信息標(biāo)識(shí)符都會(huì)被校驗(yàn)是否適合本地或遠(yuǎn)程CAN結(jié)點(diǎn)。在這個(gè)預(yù)制的W-CAN-LT中，如果一條CAN信息標(biāo)識(shí)符有相應(yīng)的匹配的話，那么這條CAN信息標(biāo)識(shí)符就被封裝在WATM信元中，并且被發(fā)送到FIFO3緩沖器中。否則，由于它是一條本地信息，它就會(huì)被過濾掉。WATM過濾和解釋實(shí)體(WATM-FTE)先從WATM-IE提供的WATM信元中析取CAN信息。然后搜索W-CAN查尋表（W-CAN-LT），查找與之相匹配的一條CAN信息標(biāo)識(shí)符。如果找到了相匹配的標(biāo)識(shí)符，那么這條CAN信息就被發(fā)送

14、到FIFO4緩沖器中。否則，它也會(huì)被過濾掉。由于在CAN信息領(lǐng)域中需要通信，所以不同種類的實(shí)時(shí)應(yīng)用通信需要考慮到ATM機(jī)QoS的支持。通過ATM網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)之前，例如，關(guān)于不同種類的CAN數(shù)據(jù)通信量，可用比特率(ABR)的通信被多路傳輸?shù)紸TM適配層3/4 (AAL3/4)連接，而恒定比特率(CBR)的通信被多路傳輸?shù)紸TM適配層1連接。 （a）從CAN到WATM的數(shù)據(jù)傳送流程圖 （b）從WATM到CAN的數(shù)據(jù)傳送流程圖 圖6 CAN與WATM數(shù)據(jù)互傳的流程圖3 計(jì)算機(jī)模擬仿真如圖7所示的模擬模型即是表示了CAN節(jié)點(diǎn)如何在ATM網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行存取數(shù)據(jù)，這種無線模塊可以采用一種網(wǎng)絡(luò)仿真模塊OPN

15、ET9.0來進(jìn)行仿真模擬結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型, 并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸, 從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。由于仿真不是基于數(shù)學(xué)計(jì)算, 而是基于統(tǒng)計(jì)模型，因此，統(tǒng)計(jì)復(fù)用的隨機(jī)性被精確地再現(xiàn)。 圖7 模擬模型本次模擬仿真是基于兩個(gè)不同的應(yīng)用系統(tǒng)源D和V在CAN節(jié)點(diǎn)與CAN總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的性能比較。這些節(jié)點(diǎn)都可以通過WATM鏈路連接到ATM中樞上，且進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET9.0提供了一個(gè)比較齊全的基本模型庫(kù)，包括：路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、客戶機(jī)、ATM設(shè)備、DSL設(shè)備、ISDN設(shè)備等，而這些模型庫(kù)正好可以滿足以上

16、模擬仿真所需要的條件。如圖7所示，模型使用8個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)允許使用WATM的CAN節(jié)點(diǎn)，又稱為BS（基站），兩個(gè)AP，一個(gè)ATM終端，一個(gè)ATM交換機(jī)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，遠(yuǎn)端的CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）可以通過無線ATM網(wǎng)絡(luò)和AP與另一端的CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。表格1列出了兩種系統(tǒng)源的模擬參數(shù)，而圖8則顯示了兩種系統(tǒng)源的信元延遲平均量和變動(dòng)量曲線圖。從圖8中，我們可以清楚地看到兩種系統(tǒng)源的信元延遲平均量（ACD）和信元延遲變動(dòng)量（CDV）的不同。系統(tǒng)源D的信元延遲平均量主要是在6到22ms之間波動(dòng)，而系統(tǒng)源V的信元延遲平均量則是在2到7ms之間波動(dòng)。 表格1 模擬

17、參數(shù) 應(yīng)用系統(tǒng)源D5000a千字節(jié)/小時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)源V10000 a千字節(jié)/小時(shí)上行線路位速率50千比特/秒ATM連接的可用比特率峰值信元速率=100千比特/秒最小信元速率=0.5千比特/秒初始信元速率=0.5千比特/秒ATM連接的非實(shí)時(shí)可變位速率峰值信元速率=100千比特/秒可持續(xù)信元速率=50千比特/秒最小信元速率=0.5千比特/秒圖8 兩種系統(tǒng)源的信元延遲平均量和變動(dòng)量曲線圖圖9顯示了CAN節(jié)點(diǎn)的流入負(fù)荷與信元延遲平均量的關(guān)系。在圖中，我們可以清楚地看到流入負(fù)荷的增加從而可以導(dǎo)致兩種系統(tǒng)源信元延遲平均量的上升。 圖9 CAN節(jié)點(diǎn)的流入負(fù)荷與信元延遲平均量關(guān)系圖 4 結(jié)論這篇文章主要講述了一

18、種可以應(yīng)用于無線ATM中的CAN信息傳遞方法采用WATM技術(shù)來進(jìn)行傳送信息量。在工業(yè)公司中，采用這種方法可以非常容易地控制遠(yuǎn)端CAN節(jié)點(diǎn)。在這篇研究中，不同數(shù)據(jù)類型的信息量均可以通過無線網(wǎng)絡(luò)和ATM終端從一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）傳送到另一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）。使用封裝技術(shù)的CAN與WATM之間的映射對(duì)于CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）和ATM網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)有非常重要的作用。模擬仿真的結(jié)果顯示不但不同類型的CAN系統(tǒng)信息量能夠通過WATM進(jìn)行傳送，而且還能夠?yàn)槭褂谜咛峁┧璧姆?wù)質(zhì)量。 參考文獻(xiàn) 1Ayanoglu E.Wireless broadband and ATM systems.Comput Netw 1999;31:395-409. 2Cavalieri S,Panno D.A novel solution to interconnect FieldBus systems using IEEE wireless LAN technology.Comput Stand Interface 1998;20:9-23. 3Ekiz H,Kutlu A,Powner ET.Design and i