一种用排队论指导的CAN总线语音通信系统设计*

但成福，刘晓明

（重庆大学 通信工程学院，重庆 400030）

在工业现场、交通、电力系统等调度环境中，常常需要语音通信监控系统。而大多数语音通信系统由传统的电路交换技术、路由技术及公众交换电话网PSTN实现[1]。传统语音通信系统存在的缺陷有：当节点很多时，所需设置的地址数目就会很庞大，给设计者带来很大的工作量；因元器件种类繁多、电缆数量大，给维护带来繁重的负担；通信模式单一，无法满足多种要求。由德国Bosch公司开发的CAN总线是一种多主机局部网络系统，采用双线串行通信方式工作，广泛应用于汽车自动化、楼宇自控、工业控制等领域。CAN总线具有纠错能力较强、传输距离较远、传输速度快、抗干扰能力强等特点，且价格低廉、布线简单。由CAN总线构成的语音通信系统能很好地适用于工业生产现场，具有较好的实际意义。

本文对应用于工业生产现场的语音通信系统设计了一种全新的方案，利用CAN总线进行数据传输，以ARM9微控制器和DSP处理芯片为核心，完成电话节点的全数字化设计。

1 系统分析

在一个CAN通信系统中，CAN处理报文的过程可以看作为简单的M/M/1排队系统模型[2-3]。设T为一帧数据平均传输延迟，λ为节点数据发生率，μ为CAN总线传输速率，则根据排队论理论可推导出如下关系[4]：

若系统采用扩展CAN帧传输，每帧CAN报文数据场为8 B，则CAN数据帧信息为128 bit。一般地，若每帧CAN报文传输数据字节为 Fn(取值范围为 1，2…，8)，则CAN数据帧信息为 64+8×Fn(bit)，单个 CAN节点数据发生率λ与语言编码速率Vvoice(kb/s)的关系式为：

将式(2)代入式(1)得:

式(3)表示了CAN系统中语音数据帧平均时延与CAN总线传输速率、语音编码速率以及每帧报文传输数据字节数之间的关系。

(1)取 Fn=8，由式(2)得 λ=2×Vvoice。

对几种常用的语音编码标准进行仿真，其平均时延与CAN速率之间的关系如图1所示。其中纵坐标小于0表示系统超载，没有实际意义，在应用中应当避免这种情况。从图1可看出，以ITU G.723标准为例，其语音压缩速率为6 kb/s、CAN总线传输速率约为 12 kb/s时，语音数据传输平均时延迅速下降，接近 0，即在CAN总线传输速率≥2×Vvoice时，语音数据基本接近无延迟传输，与理论推导的CAN节点数据发生率在误差范围内是等同的。由此可以认为单个CAN节点占用系统最小带宽等于其数据发生率，即：

2 系统设计

在CAN通信系统中，传输距离与传输速率成反比，如表1所示。本设计要求在无中继情况下传输距离不小于250 m，对应选取最大传输速率为250 kb/s。又因为每帧报文传输数据字节越大，语音数据平均延时越小，故本系统设定每帧报文数据字节为8 B。在满足5对节点同时通话的情况下，单个节点占系统带宽最大为250÷(5×2)=25 kb/s。由式(4)可知，语音编码速率应不大于12.5 kb/s。为保证音质，本系统选用低算法时延、高压缩比的ITU G.729A语言编码算法进行语音编解码。

表1 CAN总线传输距离与传输速率的关系

2.1 节点功能描述

图2为单个节点的系统框图。节点的基本信息如CAN速率、本机电话号码等都可以通过串口由PC设置并直接保存到EEPROM。当节点发起呼叫时，系统将通过话筒采集到的语音信号经立体声音频编解码芯片TLV320AIC32采样和量化后形成数字语音信号送至DSP进行压缩编码。MCU接收到DSP的码流后存在SDRAM中开设的CAN数据发送缓冲区，然后进行CAN数据帧组装，最后通过CAN接口模块发送到CAN总线，并在128×64的LCD屏幕上显示相关信息。当某节点被呼叫时，总线上的数据通过CAN接口进行报文帧检测滤波后存入在SDRAM中开设的CAN数据接收缓冲区，并进行响铃提示。MCU解析报文帧，将帧中语音数据送至DSP进行解码，解码流经TLV320AIC32处理(D/A转换、功率放大)后由听筒播出，即可实现语音通信。

2.2 硬件设计

本系统的主控制器采用Atmel公司的工业级ARM9芯片AT91SAM9260，其主频时钟在频率为190 MHz时可达到210 MIPS的性能。用TI公司推出的16 bit定点高速DSP芯片TMS320VC5509A与立体声音频编解码芯片TLV320AIC32共同实现语音编解码算法。TLV320AIC32的编程配置由DSP通过IIC接口实现。数据格式选择DSP模式，其能与DSP的多通道缓冲串口McBSP兼容。此外，这两款芯片的I/O电压兼容，从而使得TMS320VC5509A与TLV320AIC32可以无缝连接。TLV320AIC32接口电路如图3所示，图中，MIC为本地麦克风输入，LINE为电话线输入，可选择采集双、单声道语音。

图4为CAN接口硬件设计原理图。图中，MCP2515为CAN控制器，TJA1050为CAN收发器，其相互间使用高速光耦合器6N137，使总线上各CAN节点间实现电气隔离，以增强总线节点抗干扰能力。每个CAN节点上CANH线和CANL线之间加一个120Ω的匹配电阻，以增加数据传输的抗干扰性和可靠性。CAN总线与CAN收发器之间加上TVS和自恢复保险丝，有效抑制总线上的尖峰脉冲，达到了保护节点的目的。

2.3 软件设计

本系统中的语音编解码部分采用DSP实现，采用成熟的G.729A编解码算法，其在DSP上的移植见参考文献[5-7]。本文主要介绍CAN应用层协议设计[8-9]，并分别从ID分配、帧组成、呼叫过程、被叫过程以及系统维护5个方面进行阐述。

2.3.1 ID分配

在ID的设计过程中，按照应用协议将29 bit ID分成不同功能的域，能大大提高系统的性能和效率。29 bit ID分配如下：

ID28～ID25：表示报文帧的优先级，在总线出现竞争时优先传输高优先级的报文帧,可节约总线冲突检测的仲裁时间,提高系统实时性。实际应用时总是将重要岗位的优先级设为最高,使其数据优先得到传输。

ID24～ID18：表示报文携带的指令码，可传输广播、组播、接通、忙音、挂机等多个控制指令。

ID17～ID16：表示分段标志，只在语言数据帧中有意义,控制报文不考虑。

ID15～ID14：预留备用，此域可根据具体情况作相应的变动。

ID13～ID0：表示应用程序中语音通信节点的号码，由组号+组内号码共同组成,约定ID13～ID0=0x0000为广播地址,ID6～ID0=0x00为组播地址。本系统理论上可挂载节点数为(128-1)×(128-1)=16 129个。

2.3.2 帧组成

系统设计中，CAN总线上传输的帧主要分为控制帧和数据帧，以命令码进行区分。控制帧的ID分段标志不用，默认为0，其数据段只填充发起命令帧的节点号码，如图5所示。

图5 控制帧组成

G.729A语音压缩算法的帧长为10 ms，数据量为10 B，而一个CAN帧最大能传输8 B，故需要分两段传输语音压缩数据包。分段标志为1的8 B数据在前，分段标志为2的2 B数据在后。收到的数据帧必须按前后顺序存放，否则解码出来的语音数据将出错。数据帧如图6所示。

2.3.3 呼叫过程

节点呼叫流程如图7所示。呼叫时，呼叫节点将呼叫命令和目的节点的号码分别填入ID，同时将本机号码填入数据域组成呼叫命令帧发送到CAN总线。目的节点收到呼叫帧后，以同样的帧格式(此时命令为应答命令)返回一个应答帧，并做好语音通信准备，同时在LCD上显示相关信息。在通话中主动挂机的节点发送挂机命令帧，释放连接，结束通话。

图6 数据帧组成

图7 呼叫流程

2.3.4 被叫过程

系统节点被动呼叫处理流程如图8所示。若节点在通话过程中收到呼叫帧，则向主动呼叫节点返回一个带忙命令的应答帧；否则返回一个带应答命令的应答帧，与呼叫节点建立通信。在通话过程中若是主动挂机或收到对方的挂机命令帧，则结束本次通话。

2.3.5 系统维护

图8 被叫流程

在一般的主从式网络结构中，网络的维护都靠主机节点来完成，当网络中节点数目增加时，这种方式将极大增加主机节点的负荷。本系统网络的维护依靠节点自身完成。如图9所示，节点定期向总线广播一个检测帧报文，总线上除此检测节点以外的任何节点收到此报文后，将回复一个ACK报文。若在一定时间内没有收到ACK报文，则节点判断自己与总线断开了连接，通过重启CAN接口与总线重新建立连接。若重启后还是不能建立连接则进行语音报警提示。

3 测试

CAN卡能捕获CAN总线上的全部信息，并给出时间标识，用以对网络的稳定性和实时性进行分析。利用4个节点组成一个小型测试网络，其中：节点号为1、2的节点属于同一组内的不同节点，节点号为3、4的节点为另一组内的节点。分别进行广播、组播、点对点通话测试，测试时通话质量较好，语音较清晰。两个CAN卡分别接到正在通话的两个节点，进行10次测试，相关测试数据如表2所示。

图9 网络节点维护过程

从表2可看出，每次测试中两节点收发消息帧的数据差都很小，丢帧数不到0.2‰。其中单点5测试是在另外两个节点通话的过程中完成的，故相应的时延比其他单点测试的长，组播整体时延较单点时延长，较广播时延短。但都在可以接受的范围内，不影响语音通话的质量。

本文在排队论的基础上对基于CAN总线的语音通信系统进行了仿真分析，得出了每帧传输数据字节越多语音数据帧平均延时越小的结论。同时，推导出了基于CAN总线的语音通信系统中，CAN节点占用系统带宽与节点语音码率之间的一般关系式，并根据此关系式确定了系统的编码方案以及系统容量。由于CAN总线主要工作在数据链路层和物理层，本文重点从ID分配、帧组成、呼叫过程、被叫过程以及系统维护5个方面介绍了本系统的CAN应用层协议设计。测试结果表明，本系统稳定可靠，无丢帧现象，无明显语音延迟，能正常通信。本语音系统已在某大型工矿车间得到了应用。

表2 相关测试数据

[1]廖泉.基于CAN总线的语音通信系统[D].北京：北方工业大学，2006.

[2]任培，周经伦，罗鹏程.基于排队论的数据链系统信息传输时间延迟分析[J].计算机科学，2008，35(8)：93-94.

[3]解争龙，李向军.基于排队论模型的网络拥塞率研究[J].计算机工程与设计，2007，28(17)：4172-4174.

[4]崔连成，王满意，李彦玮，等.基于排队论的CAN总线语音通信系统建模分析[J].工矿自动化，2009，35(7)：69-71.

[5]王伟，王伟达，郭恒业.G_729A语音压缩算法分析及DSP实现[J].计算机工程与应用，2007，43(8)：99-102.

[6]周长林，肖赣峰，王玉东.基于 DSP的 G_729A编解码的实时实现[J].仪器仪表学报，2007，28(10)：1911-1915.

[7]邓红德，王博栋，吴佳楠.基于 CAN总线的双DSP通信方案设计与实现[J].测控技术，2011，30(6)：83-85.

[8]BOSCH R.CAN specification version2.0[EB/OL].(1991-10-10).http://www.bosch.com.

[9]王邦继，刘庆想，李相强，等.CAN总线应用层协议的研究与实现[J].计算机工程与应用，2011，47(20)：14-16.