專利名稱：基于can測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測控技術(shù)領(lǐng)域，特指構(gòu)建在基于CAN和TCP/IP混合通信結(jié)構(gòu)之上，一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法。
背景技術(shù)：
測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用企業(yè)局域網(wǎng)對測控子系統(tǒng)進行管理，通過網(wǎng)關(guān)連接到 Internet實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控功能。測控子系統(tǒng)對抗干擾性能和實時通信性能要求較高，單次通信量較小，通信距離通常在IOkm以內(nèi)。如果測控子系統(tǒng)直接采用以太網(wǎng)組網(wǎng)，測控終端的應(yīng)用層數(shù)據(jù)將不得不經(jīng)過TCP/IP協(xié)議棧的封裝，而測控終端對實時通信性能要求較高。以太網(wǎng)幀的最小長度為64字節(jié)，除去以太網(wǎng)首部的18字節(jié)和TCP/IP首部的40字節(jié)，可存放 6字節(jié)應(yīng)用層數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)幀包含的控制信息太多，而測控終端單次通信量卻較小。控制器區(qū)域網(wǎng)(Control Area Network, CAN)被廣泛應(yīng)用在對抗干擾性能和實時通信性能要求較高，單次通信量較小，通信距離在3 5km以內(nèi)的一些場合，本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域是基于CAN與TCP/IP混合通信結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)，其測控子系統(tǒng)是基于CAN的。CAN廢除站地址編碼，數(shù)據(jù)鏈路層不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的信息標(biāo)識發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點，由節(jié)點根據(jù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)判斷是否接收這幀信息。因此，系統(tǒng)擴展時，不用對任何節(jié)點的軟件和硬件做修改，可以直接在CAN中增加節(jié)點，測控終端節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，組網(wǎng)靈活。由節(jié)點進行應(yīng)用層解碼判斷是否接收這幀信息，意味著CAN中任何節(jié)點都要接收并解碼這幀信息，勢必會造成應(yīng)用層廣播風(fēng)暴，增加其他非接收節(jié)點的CPU負(fù)荷；測控終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸是基于事件觸發(fā)機制的，在時間上是隨機的，這種不可預(yù)知的CPU負(fù)荷會造成其他非接收節(jié)點的實時性能急劇下降，整個測控子系統(tǒng)的實時性能隨之急劇下降。目前，大多數(shù)CAN控制器支持硬件過濾機制，設(shè)置測控終端應(yīng)用層地址，將其作為測控終端機號承載于CAN幀標(biāo)識符上，通過硬件過濾判斷是否接收這幀信息，在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)點對點傳輸，不需要上傳到應(yīng)用層進行解碼，防止測控子系統(tǒng)實時性能急劇下降。CAN采用帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA/CA)作為總線介質(zhì)訪問控制協(xié)議來解決信道沖突問題，總線空閑時(節(jié)點偵聽到總線上至少存在3個連續(xù)隱性位)，所有與總線相連的節(jié)點都可以開始發(fā)送幀。兩個以上的節(jié)點同時開始發(fā)送幀時，對CAN標(biāo)識符進行逐位仲裁。仲裁獲勝(被判定為優(yōu)先級最高)的節(jié)點可繼續(xù)發(fā)送幀，仲裁失利的節(jié)點則立刻停止發(fā)送轉(zhuǎn)而進行接收。當(dāng)將測控終端機號承載于CAN幀標(biāo)識符上時，CAN幀標(biāo)識符并沒有反映出進行總線介質(zhì)訪問控制所需的優(yōu)先級信息，進行優(yōu)先級逐位仲裁的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，反而會造成測控子系統(tǒng)實時性能急劇下降，因此，需要盡可能地避免沖突，減小優(yōu)先級逐位仲裁失利的可能性。CAN是短幀通信系統(tǒng)，發(fā)送節(jié)點要將一條應(yīng)用層命令拆分成多個CAN幀進行傳輸， 接收節(jié)點要將接收到的多個CAN幀組合成一條意義明確的應(yīng)用層命令。分幀、組幀的速度CN 102164066 A
說明書
2/3頁 是制約測控子系統(tǒng)實時性能的關(guān)鍵因素。在基于CAN和TCP/IP混合通信結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)中，需要通過網(wǎng)關(guān)連接到Internet 實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控功能，Internet是一種分組交換網(wǎng)絡(luò)，不可避免地存在錯包、丟包和過度時延等情況。除此之外，如果采用停等協(xié)議，將出現(xiàn)高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議限制底層網(wǎng)絡(luò)硬件所提供的功能，所以TCP/IP采用了流水線可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。因此，需要實現(xiàn)測控終端與Internet遠(yuǎn)程控制端之間的對等可靠數(shù)據(jù)傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在基于CAN和TCP/IP混合通信結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)中，保證基于CAN 測控子系統(tǒng)獲得理想的實時性能和實現(xiàn)測控終端與Internet遠(yuǎn)程控制端之間的對等可靠數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明的內(nèi)容是一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，包括基于CAN測控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化CAN幀標(biāo)識符1、基于CAN測控子系統(tǒng)沖突避免算法2和基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸算法3。本發(fā)明的技術(shù)方案是在基于CAN測控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化CAN幀標(biāo)識符1基礎(chǔ)上，實施基于CAN測控子系統(tǒng)沖突避免算法2和基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸算法3。本發(fā)明的有益效果是保證基于CAN測控子系統(tǒng)獲得理想的實時性能和實現(xiàn)測控終端與Internet遠(yuǎn)程控制端之間的對等可靠數(shù)據(jù)傳輸。


圖1是基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)方法結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于CAN測控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化CAN幀標(biāo)識符示意圖；圖3是基于CAN測控終端發(fā)送緩存內(nèi)存空間示意圖；圖4是基于CAN測控終端接收緩存內(nèi)存空間示意圖；圖5是基于CAN測控終端發(fā)送窗口示意圖；圖6是基于CAN測控終端接收窗口示意圖。
具體實施例方式一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括基于CAN測控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化CAN幀標(biāo)識符1、基于CAN測控子系統(tǒng)沖突避免算法2和基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸算法3?；贑AN測控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化CAN幀標(biāo)識符如圖2所示，包括測控終端機號域4，通信控制域5，幀序號域6，第一幀信息域7。測控終端機號域4標(biāo)識CAN幀的接收節(jié)點，測控終端的CAN控制器通過硬件過濾判斷是否接收這幀信息，當(dāng)將測控終端機號域4承載于CAN幀標(biāo)識符上時，CAN幀標(biāo)識符并沒有反映出進行總線介質(zhì)訪問控制所需的優(yōu)先級信息，通過基于CAN測控子系統(tǒng)沖突避免算法2盡可能地避免沖突，減小優(yōu)先級逐位仲裁失利的可能性。假設(shè)測控終端節(jié)點有一個幀要發(fā)送，基于CAN測控子系統(tǒng)沖突避免算法2包括如下步驟一、如果初始時該節(jié)點偵聽到總線空閑，它將在一個被稱作離散幀間間隔
4(Distributed Inter-frame Space, DIFS)的短時間段后發(fā)送該幀。二、否則，該節(jié)點選取一個隨機回退計數(shù)值并在偵聽到總線空閑時遞減該值。當(dāng)偵聽到總線忙時，計數(shù)值保持不變。 三、當(dāng)計數(shù)值減為0時(只可能發(fā)生在該節(jié)點偵聽到總線空閑時)，該節(jié)點發(fā)送整個CAN幀并等待確認(rèn)。四、如果收到確認(rèn)，該節(jié)點知道CAN幀已被正確接收了。如果該節(jié)點要發(fā)生另一 CAN幀，它將從步驟二開始總線介質(zhì)訪問控制；如果沒有收到確認(rèn)，該節(jié)點將重新進入步驟二的回退階段，并從一個更大的范圍內(nèi)選取隨機回退計數(shù)值。隨機回退計數(shù)值按照指數(shù)回退(exponential backoff)規(guī)則選取當(dāng)傳輸一個給定CAN幀時，在該幀的一行中連續(xù)經(jīng)歷了第η次發(fā)送后，隨機地從{0，1，2，…，2m_l}中選取一個值作為隨機回退計數(shù)值，這里m = min(n, 10)。為了表示CAN幀是屬于哪條命令的哪個幀，在CAN幀標(biāo)識符中設(shè)置幀序號域6和第一幀信息域7。為每一條應(yīng)用層命令分配一段連續(xù)的內(nèi)存空間作為發(fā)送緩存8和接收緩存9，當(dāng)發(fā)送時，直接將發(fā)送緩存8中的內(nèi)容從低地址起按8個字節(jié)為一段復(fù)制到各個CAN 幀的應(yīng)用層數(shù)據(jù)段10中；當(dāng)接收時，把CAN幀中的應(yīng)用層數(shù)據(jù)段10提取出來，根據(jù)幀序號域6指明的序號信息，將其復(fù)制到接收緩存9的指定地址處，由于接收緩存9中的內(nèi)容是按序復(fù)制的，因此，當(dāng)CAN幀接收完畢時，應(yīng)用層命令隨即組幀完畢?；贑AN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸算法3，設(shè)置窗口長度16 (N)，發(fā)送節(jié)點包括如下操作步驟一、當(dāng)一條應(yīng)用層命令需要發(fā)送時，將其存放于相應(yīng)的發(fā)送緩存8中，直接將發(fā)送緩存8中的內(nèi)容從低地址起按8個字節(jié)為一段復(fù)制到各個CAN幀的應(yīng)用層數(shù)據(jù)段中 10，并緩存各個CAN幀。二、發(fā)送節(jié)點檢查下一個可用于發(fā)送的幀序號13(nextseqnUm)，如果該幀序號在發(fā)送窗口 11內(nèi)，則發(fā)送該CAN幀發(fā)送；否則繼續(xù)緩存該CAN幀。三、超時重傳，用定時器來防止CAN幀丟失，每個CAN幀都必須擁有獨立的邏輯定時器，使用單個硬件定時器模擬多個邏輯定時器。四、如果發(fā)送節(jié)點收到某個CAN幀的應(yīng)用層ACK，且該CAN幀的幀序號在發(fā)送窗口 11內(nèi)，則將那個被確認(rèn)的CAN幀標(biāo)記為已接收。如果該CAN幀的幀序號等于發(fā)送窗口基序號12(send-base)，則發(fā)送窗口基序號12向前移動到具有最小幀序號的未被確認(rèn)CAN幀處。返回步驟二直到所有的CAN幀都被發(fā)送并確認(rèn)。接收節(jié)點包括如下操作步驟一、幀序號在[rcv_base，rcv_base+N_l]內(nèi)的CAN 幀被正確接收。在此情況下，接收到的CAN幀位于接收窗口 14內(nèi)，向發(fā)送節(jié)點返回應(yīng)用層 ACK ；如果該CAN幀是以前未接收到的CAN幀，則根據(jù)幀序號域指明的序號信息，將其復(fù)制到接收緩存9的指定地址處。如果該CAN幀的幀序號等于接收窗口基序號15(rCV_base)，則接收窗口基序號15向前移動到具有最小幀序號的未被接收CAN幀處。二、幀序號在[rcv_ base-N,rcv_base-l]內(nèi)的CAN幀被正確接收。在此情況下，必須返回一個應(yīng)用層ACK，即使該CAN幀是接收節(jié)點已經(jīng)確認(rèn)過的CAN幀。三、其他情況，忽略該CAN幀。
權(quán)利要求
1.一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，包括基于CAN測控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化CAN 幀標(biāo)識符(1)、基于CAN測控子系統(tǒng)沖突避免算法(2)和基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸算法⑶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于 所述的基于CAN測控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化CAN幀標(biāo)識符(1)包括測控終端機號域G)，通信控制域 (5)，幀序號域(6)，第一幀信息域(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于 所述的基于CAN測控子系統(tǒng)沖突避免算法(2)包括如下步驟一、如果初始時該節(jié)點偵聽到總線空閑，它將在一個被稱作離散幀間間隔的短時間段后發(fā)送該幀。二、否則，該節(jié)點選取一個隨機回退計數(shù)值并在偵聽到總線空閑時遞減該值。當(dāng)偵聽到總線忙時，計數(shù)值保持不變。三、當(dāng)計數(shù)值減為0時(只可能發(fā)生在該節(jié)點偵聽到總線空閑時)，該節(jié)點發(fā)送整個 CAN幀并等待確認(rèn)。四、如果收到確認(rèn)，該節(jié)點知道CAN幀已被正確接收了。如果該節(jié)點要發(fā)生另一 CAN幀，它將從步驟二開始總線介質(zhì)訪問控制；如果沒有收到確認(rèn)，該節(jié)點將重新進入步驟二的回退階段，并從一個更大的范圍內(nèi)選取隨機回退計數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于 所述的基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸算法(3)，發(fā)送節(jié)點包括如下操作步驟一、當(dāng)一條應(yīng)用層命令需要發(fā)送時，將其存放于相應(yīng)的發(fā)送緩存(8)中，直接將發(fā)送緩存(8)中的內(nèi)容從低地址起按8個字節(jié)為一段復(fù)制到各個CAN幀的應(yīng)用層數(shù)據(jù)段中(10)，并緩存各個 CAN幀。二、發(fā)送節(jié)點檢查下一個可用于發(fā)送的幀序號(13)，如果該幀序號在發(fā)送窗口(11) 內(nèi)，則發(fā)送該CAN幀發(fā)送；否則繼續(xù)緩存該CAN幀。三、超時重傳，用定時器來防止CAN幀丟失，每個CAN幀都必須擁有獨立的邏輯定時器，使用單個硬件定時器模擬多個邏輯定時器。 四、如果發(fā)送節(jié)點收到某個CAN幀的應(yīng)用層ACK，且該CAN幀的幀序號在發(fā)送窗口(11)內(nèi)， 則將那個被確認(rèn)的CAN幀標(biāo)記為已接收。如果該CAN幀的幀序號等于發(fā)送窗口基序號(12)， 則發(fā)送窗口基序號(1 向前移動到具有最小幀序號的未被確認(rèn)CAN幀處。返回步驟二直到所有的CAN幀都被發(fā)送并確認(rèn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于 所述的基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸算法(3)，接收節(jié)點包括如下操作步驟一、幀序號在[rcv_base，rcv_base+N_l]內(nèi)的CAN幀被正確接收，rcv_base表示接收窗口基序號 (15)，rcv_base表示窗口長度(16)。在此情況下，接收到的CAN幀位于接收窗口 (14)內(nèi)， 向發(fā)送節(jié)點返回應(yīng)用層ACK ；如果該CAN幀是以前未接收到的CAN巾貞，則根據(jù)幀序號域指明的序號信息，將其復(fù)制到接收緩存(9)的指定地址處。如果該CAN幀的幀序號等于接收窗口基序號(15)，則接收窗口基序號(15)向前移動到具有最小幀序號的未被接收CAN幀處。 二、幀序號在[rcv_base_N，rcv_base_l]內(nèi)的CAN幀被正確接收。在此情況下，必須返回一個應(yīng)用層ACK，即使該CAN幀是接收節(jié)點已經(jīng)確認(rèn)過的CAN幀。三、其他情況，忽略該CAN 幀。
全文摘要
本發(fā)明涉及測控技術(shù)領(lǐng)域，特指構(gòu)建在基于CAN和TCP/IP混合通信結(jié)構(gòu)之上，一種基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，其包括基于CAN測控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化CAN幀標(biāo)識符、CAN測控子系統(tǒng)沖突避免算法和基于CAN測控子系統(tǒng)可靠數(shù)據(jù)傳輸算法。在基于CAN和TCP/IP混合通信結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)中，保證基于CAN測控子系統(tǒng)獲得理想的實時性能和實現(xiàn)測控終端與Internet遠(yuǎn)程控制端之間的對等可靠數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號H04L12/40GK102164066SQ20101011198
公開日2011年8月24日 申請日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月23日
發(fā)明者周媛 申請人:周媛