刨煤机组CAN网络数据缩减技术研究

郝 刚 管长焦 邵明杰 刘立民 康丽莹

（煤炭科学研究总院沈阳研究院，沈阳 113122）

CAN（Controller Area Network）总线因其低成本、抗干扰等优点已广泛应用于工业自动化领域，国内2005年开始将CAN应用于刨煤机组监控网络。CAN的最大带宽是1Mbps，随着CAN应用的不断加深及刨煤机组分布式实时系统中相互连接器件的日渐增多，系统要交换的数据逐步增加，现有的带宽资源将越显有限，因此如何通过应用层来缩减总线传输数据成为了研究热点[1]。

数据缩减算法广泛应用于图像传输等领域，可以有效减少总线数据传输数量，本文在文献[1]的研究基础上，将数据缩减技术引入刨煤机控制网络，提出了MDR(mended data-reduction)算法，该算法通过给信息标识符分配压缩表示位来实现刨煤机组CAN网络信息数据压缩。

1 自动刨煤机组监控系统

自动刨煤机组监控系统由刨煤系统、输送系统、破碎系统、支护系统、冷却与除尘系统、中央控制室、控制系统、视频监控系统、和设备列车组成，各子系统之间通过CAN总线连接组建网络。

研究刨煤机组CAN网络信息特点可以发现，CAN网络传输的控制与命令、组态信息帧中多数字节中包含的信号并不发生变化，这就满足了总线数据压缩的实施条件。

2 MDR算法及其原理

2.1 数据压缩算法

数据压缩算法的核心思想是减少总线传输的的数据长度。当某信息相比之前发出的同一信息有未发生变化的数据内容时，发送节点通过置位在信息中设置的压缩标识位（DCB），就可以在数据域中只用一个位来代表一个字节的数据和之前的数据相同，并随信息传递数据压缩编码（DCC）用来提示接收节点数据压缩结构。接收节点接收到信息后首先判断DCB是否置位，若发现DCB置位，则通过对照本地保留的相应备份信息，结合DCC进行解压缩即可以得到所收到信息的实际内容。

2.2 MDR算法及CAN标识符规划

CAN有两种不同的帧格式，分别为含有11位标识符的标准帧和含有29位标识符的扩展帧，本文采用标准帧格式。文献[1]中采用 CAN保留位作为DCB，而 CAN协议要求保留位默认为显性位不可更改，本文提出通过将信息帧标识符的最低位ID.0设为DCB用来表示数据压缩，余下的十位ID表示用于数据定义及信息滤波，初始信息及未压缩信息DCB为0。MDR算法中对于信息帧的结构规划如图1所示。

图1 MDR中数据帧结构规划

将数据域的第一个字节设为DCC域。通过置位DCC中的第i位来表示当前数据的第i字节与备份信息的数据第 i字节完全相同，因而不需要发送，对于有变化需要发送的数据字节按原来的先后顺序排列在DCC域后面，信息携带DCC及变化数据发送到总线上。以8个字节数据信息的前七个字节未发生变化为例，其DCC编码如图2所示。

图2 MDR中数据帧结构规划

2.3 MDR算法编码、解码原理

MDR算法的DCC占用了信息数据域的一个字节，所以只有当新信息相比节点备份信息有超过一个字节重复数据时压缩数据才会比原来信息数据量有所减少，MDR才有意义。刨煤机组的信息会在系统运行的不同阶段而阶段性的变化，所以当新信息与备份信息数据不重复时要更新备份数据。节点发送和接收信息时应用 MDR算法的编码、解码流程如图3、4所示。

图3 MDR数据压缩流程图

图4 MDR解压缩流程图

3 CAN网络性能分析

为了分析数据传输策略对网络负载及网络信息实时性的影响，本文将采用以下总线特性参数：总线利用率；信息最坏响应时间。

3.1 总线利用率

总线信息m占用总线时间，即信息帧m在总线上最长传输时间[2]tCm为

式中，τbit为总线位传输时间，dm为信息帧m数据域的字节数。

闻喜县第一次全国水利普查包括河湖基本情况普查、水利工程基本情况普查、经济社会用水情况调查、河湖开发治理保护情况普查、水土保持情况普查、水利行业能力建设情况普查以及灌区和地下水取水井专项普查。各项普查数据获取、填表和审核工作由闻喜县水务局各相关股室负责，局长与股长签订了水利普查目标责任书。制定《闻喜县第一次全国水利普查工作制度》和《闻喜县第一次全国水利普查数据获取工作方案》，层层分解落实水利普查工作责任到各专业股室、各水利水保中心站和每一个普查工作人员。

信息帧m占用总线的百分比为

式中，Tm为信息帧m的发送周期。

总线利用率U是各个信息帧占用总线百分比之和。即N个系统信息帧的总线利用率的计算公式为

3.2 实时性分析

CAN网络中的信息，从申请发送到最终到达目标节点，都存在一定延迟。对于信息帧m称其最坏传输条件下的延迟时间为其最坏传输延时tRm，由信息传输时间、等待时间组成

式中， tWm为最坏情况下信息帧m的优先级排队等待时间，即从申请发送到最终获得总线使用权的时间间隔。

可由以下2项之和计算得到tWm计算公式[2]。

（1）优先级低于信息帧 m的信息中，发送时间最长的信息帧的总线占用时间tBm。

（2）优先级高于信息帧 m的所有信息帧的总线占用时间之和。

式中，h(m)表示优先级比m高的信息集，tJi为软件抖动。

若满足以下条件，则认为该信息传输满足实时性[9]。

式中，tDm为信息m死限，即被允许的最大传输延时。

4 实例分析

刨煤机组CAN信息较多，本文取5个信息为调度对象，取CAN网络位速率为62.5kb/s，针对车身应用环境，取软件抖动为1ms。各信息以50ms的通信周期发送到CAN总线，信息属性如表1所示。

表1 刨煤机组控制系统信息集

系统信息的数据会根据系统运行情况而随机变化，本文取节点发送的信息数据有三个字节重复时的状态对网络负载以及网络实时性能进行分析。利用CAN总线开发系统CANoe对两方案分别进行仿真试验，系统运行平稳后，未经过数据压缩（NDR）的结果如图5（a）所示，应用MDR的总线负载统计结果如图5（b）所示。

根据式（1）对NDR、MDR信息最坏响应时间进行计算，得到两种数据发送情况下的CAN总线网络信息延迟如图6所示。

图5 压缩前后CAN网络负载对比

图6 信息压缩前后实时性对比

由图5、图6可知，经过MDR算法数据压缩后，总线负载变小，数据压缩前后信息都满足实时性要求，MDR能够有效提高信息的实时性，尤其是低优先级信息实时性明显改善。

5 结论

本文提出了数据压缩算法MDR，该方法适合刨煤机组CAN网络，易实现且节点开销小。网络性能分析的结果表明：MDR算法有效减少了总线负载，能有效的提高信息的实时性，从而提高了系统通信性能。

[1]Misbahuddin S, Mahmud S M, and Nizar A H.Development and performance analysis of a datareduction algorithm for automotive multiplexing[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2001, 50(1):162–169.

[2]Tindell K, Burns A, Wellings AJ. Calculating controller area network (can) message response times [J]. Control Engineering Practice, 1995, 3(8): 1163-1169.