区域计算机联锁CAN实时性改进及仿真分析

王瑞峰,刘 涛,孙 平,郝铁军

(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州730070;

2.沈阳铁路局辽西工程建设指挥部,辽宁锦州121000;3.沈阳铁路局长春电务段,长春130000)

区域计算机联锁CAN实时性改进及仿真分析

王瑞峰1,刘 涛1,孙 平2,郝铁军3

(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州730070;

2.沈阳铁路局辽西工程建设指挥部,辽宁锦州121000;3.沈阳铁路局长春电务段,长春130000)

区域计算机联锁系统采用调度监督加集中联锁的方式实现,其安全通信网通过物理介质的延伸进行区域性控制,随着大量相邻站点并入系统,对安全协议的实时性要求也逐渐增高。为此,针对该系统使用的控制局域网络(CAN)总线协议,对站间安全通信网CAN总线的传输时延进行分析,采用动态优先级算法对实时性进行改进。仿真结果表明,通过改变负载,相比于标准CAN,改进的CAN总线协议降低了节点的最大时延,能够保证不同类型节点的实时性,可满足区域计算机联锁系统对网络通信的要求。

区域计算机联锁;安全通信网;控制局域网络(CAN)总线;实时性;动态优先级算法;时延

1 概述

随着现代网络通信技术、远程控制技术、计算机冗余技术、安全信息传输技术和故障-安全技术的发展,区域计算机联锁系统以其网络化、智能化、集成化等特点,已成为车站联锁系统的主要发展方向［1］。而其安全通信网络是区域计算机联锁系统能够正常运行的核心。控制局域网络(Controller Area Network,CAN)总线以其具有多主方式通信、固定优先级仲裁机制、报文滤波、短帧传送等特点大量应用

于铁路系统通信网络中,保证了数据通信的实时性、可靠性和灵活性［2-5］。随着大量邻近车站并入区域计算机联锁系统,站间安全通信网络通过物理介质进行扩展,网络负载增多,对安全协议的实时性要求逐渐增高,因此,对CAN总线进行实时性改进显得越来越重要。

国内外已有大量文献针对CAN总线实时性的改进进行了相关研究。文献［6］提出基于事件触发的TTCAN协议,提高了系统的实时性,但在灵活性方面有些欠缺。文献［7］证实了使用FIFO序列可以提高CAN网络的实时性率。文献［8］提出一种基于事件通道的CAN总线实时调度算法,利用后端通道配置数据库实时修改CAN总线通道组合方式以提高消息传输的实时性。文献［9］提出分类动态优先级方法,在保证不同类别数据实时传输的同时,保证同一类别数据传输的公平性,提高网络的利用率。以上文献提出的改进方式都局限在处理周期性消息上,不能合理处理非周期性消息的传输,而区域计算机联锁安全通信网络传输中存在大量的故障信号、报警信号等突发性较强的突发性信息,即非周期性消息。

本文提出一种动态优先级算法,在基本CAN2.0B扩展格式的基础上重新设计数据帧格式,通过仿真分析,验证对其实时性的改进。

2 区域计算机联锁系统网络结构

如图1所示,区域计算机联锁系统网络结构包括4级,从下到上依次为联锁总线通信网、联锁系统局域网、区域中心综合数据局域网、数据通信广域网。

图1 区域计算机联锁系统网络结构

3 实时性分析

区域计算机联锁系统站间安全通信网消息的传输时间由排队时延和传输时延构成,指的是站点应用层产生一个消息传输请求递交给数据链路层的时刻开始,直至该消息的最后一位被成功传输至目的节点的时刻之间的时长［10］。其传输时延由消息帧长度和总线位速率确定;而排队时延受总线仲裁机制影响,与消息优先级有关,为不确定值［11］。区域计算机联锁系统站间安全通信网消息的传输时序如图2所示。

图2 消息传输时序图

当节点1和节点2同时发送信息(节点1发送信息时,另一个节点2在t时刻发送信息,t时刻发生在节点1仲裁场结束之前)时,优先级高的节点在出现碰撞时不受影响继续传输数据,而优先级低的节点主动退出,从而节省了总线冲突仲裁时间,保证了数据的实时性。CAN总线这种确定性的静态优先级机制的缺点就是不能均等的为高优先级的节点和低优先级的节点分配带宽［12］。当区域计算机联锁系统安全通信网通过物理传输介质进行延伸扩展时,其控制节点增多,网络负载增大,低优先级节点会在多次竞争总线使用权时失败,从而导致低优先级节点消息传输产生不确定的延时,甚至无法发送。此延时即排队时延,可见数据传输时间延长,数据的实时性无法保证。下面将具分析动态优先级算法对实时性的改进。

4 动态优先级算法

4.1 改进协议帧格式

CAN2.0B数据帧有2种格式,一种是标准格

式,一种是扩展格式,这2种帧格式的主要区别在于标识符的长度,标准格式数据帧具有11位标识符,扩展格式数据帧具有29位标识符,数据帧格式如图3所示。

图3 CAN2.0B数据帧格式

为避免带宽分配不均,动态优先级算法将CAN2.0B扩展帧的ID字段(标识符)重新定义为优先级子域和内容标识符子域2个部分。优先级分为2级,第1级按消息类型划分优先级,2位,用于区分帧类型:取值为00时,优先级最高,表示事件型消息帧(如报警信号或者故障信号);取值为11时,优先级最低,表示时间型消息帧(如周期性状态检测信号);另2种取值保留。第2级对于同一类型消息基于动态优先级分配机制分配内部优先级,9位,原始数值代表初始优先级,发送失败再按照动态优先级公式晋升优先级,数值越小优先级越高。协议还应该包含源地址(如中心站联锁主机的地址)和目的地址(如从控站驱采机的地址),区域计算机联锁系统中的数据通信是多端的数据通信,在使用接收到的信息之前,需要用合适的方法检查信息的来源。为实现这一功能,将源标识和目的标识加入到消息中,用户不需要进行任何额外的对话就可以完成信息来源的验证。安全协议中采用检错能力较强的32位CRC循环编码,目的是检测出信息中的错误,以此保证信息的完整性［13］。为减少信息干扰,采用将长信息帧切割为短的信息帧,利用标识符的低3位作为同一报文的不同报文段顺序编号,可以在接收缓冲区内实现拼接和拆卸［14］。综上所述,改进的协议帧格式如图4所示。

图4 改进协议帧格式

4.2 动态优先级算法原理

动态优先级算法是基于全局的分布式先进先出队列,是一种随着时间间隔的动态更新节点在优先权队列中位置的算法,使总线中发送的消息形成一个与等待时间及本身优先级等参数相关的分布式动态优先权队列［15］。与原有的静态分配优先级算法相比,该算法可使每个站点均等地竞争总线的使用权,即能够均等地分配带宽,从而保证消息的实时传输。

国内的相关研究主要集中在商务合同的文体特征和翻译上。郑红莲认为商务合同英语具有频繁使用外来词、专业术语和语言修饰词的特征。凌县华对古代商务合同古体词的应用进行了专门研究。余莉对于“词汇重复”进行了详细的分析，指出词汇重复可以确保商务合同语言的准确性。在句法和文本层面，赵翠平认为商务合同具有标准化格式，其结构准确性表现在长句、时态、语态和情态动词方面。从中英文语言差异出发，周燕和廖瑛(2004：29-32)阐述了商务合同翻译的策略和技巧。黄芬致力于寻找国际商务合同翻译策略。张莉在功能翻译理论的指导下，提出了一些商务合同的翻译策略和技巧。

表1中改进协议帧格式的标识符中内部优先级分配了9位,网络中形成一个优先权队列,总线上的每个节点存储了本节点在队列中的位置,此位置随消息帧在队列中的等待时间t动态变化,某一个节点i在队列中的位置为:

其中,PRi为节点i某时刻在队列中的位置,即节点在此时刻的优先级;PR0为节点i的初始位置,即初始优先级,当原始优先级最低时,PR0=29-1= 511;fi(t)为优先级晋升项,在本文中取为正比例函数,即fi(t)=kn:n为信息帧发送以来在排队过程中发生冲突丢失仲裁的次数,fi(t)表示内部优先权随该次数动态重置的幅度,n越大优先级晋升的次数越多;k为系数项,决定优先级晋升速度的快慢［16］,k越大优先级晋升速度越快,本文取为CAN总线系统中节点的个数,由此可得:PRi=29-1-kn=511-kn,节点信息若发送成功后恢复原始优先级,若发送失败则按式(1)晋升优先级。采用该算法还可以避免优先级晋升过程中出现不同节点拥有相同优先级的情况,即CAN总线优先级死锁的情况,例如,在某个网络中节点个数为10,即k= 10,节点1在竞争失败了1次后,优先级晋升为PR1=511-10×1=501,竞争失败了2次后,优先级晋升为PR1=511-10×2=491,以此类推,各节点初始及晋升之后优先级如表1所示,其中,n表示竞争失败次数。

表1 节点动态优先级晋升情况

可见,这种方法有效避免了优先权死锁的发生。如果所发送消息的内部优先级相同,则仍然按照逐

位仲裁规则进一步根据内容标识符子域进行比较,如果消息没有获得总线访问权,则按照动态优先级算法重置该消息的内部优先级,如果消息获得总线访问权成功发送出去,则将该消息的内部优先级重置为PRi=29-1=511,即设置为最低内部优先级。消息发送成功结束。

5 仿真实验及结果分析

研究基于动态优先级算法改进CAN协议的效果,可以通过搭建仿真平台和建立分析模型2种方案,但是鉴于建立分析模型较繁琐,本文采用搭建仿真平台的方案进行分析研究。仿真中不考虑发送出现错误的信息,因为协议的安全性不是本文讨论的重点,即仿真假设消息一旦发送,不会出现任何错误。

5.1 实验平台的搭建

为了验证改进后的CAN网络在区域计算机联锁系统中的延时特性,本文设计了如图5所示的实验平台,分析网络的实时性。仿真系统设计10个节点,采用环形拓扑结构,每个节点由AT89S52单片机、SJA1000、6N137和TJA1050组成。

图5 实验平台结构

5.2 仿真软件设计

基于动态优先级算法的改进CAN协议主要针对类型优先级相同的消息,因为类型优先级不同的消息其实时性要求必然不同,如故障信息的优先级肯定高于周期性检测信息,因此也没必要动态分配其优先级。同一类信息的初始优先级各不相同,不发生冲突时,各节点按初始优先级发送数据。当节点在发送过程中检测到冲突,则按照动态优先级仲裁规则判定当前节点的优先级,高优先级节点信息发送成功,优先级设定为最大值,低优先级节点仲裁失败,冲突次数加1,节点优先级晋升,等待总线空闲后重新发送。最后需要注意的是,低优先级节点优先级晋升发送成功后,其优先级必须降低为初始优先级,以保证网络的正常运行。算法程序流程如图6所示。

图6 算法程序流程

5.3 仿真结果分析

在仿真实验中,CAN总线模型采用10个节点互连的环型拓扑结构,其中节点1～节点3发送硬实时性信息,节点4～节点7发送软实时性信息,节点8～节点10为非实时性信息。总线采用500 Kb/s的数据传输速率,数据帧长度为100 bit,数据发送时间间隔服从均值为λ的泊松分布,本文取站点i在60 ms内的最大消息传输时延为性能分析指标。通过向每个节点发送消息,在改变网络负载率的情况下,分别在标准CAN和动态优先级算法改进CAN下进行实验,不同负载下消息最大时延仿真结果如图7所示。

图7 不同负载下消息最大时延

从图7可以看出,当负载在10%～80%之间时,标准CAN总线和改进CAN总线的最大时延相差不大,而当负载大于80%时,改进CAN总线节点最大时延大大小于标准CAN总线节点最大时延。当负载过大时,标准CAN总线甚至不能传输消息。可见,改进CAN协议通过改善仲裁方法,使得优先级不同的节点排队时延基本相等,总线带宽均匀分配,

改善了消息传输的实时性。

不同类型的节点在过载情况下,标准CAN和改进CAN的平均时延如表2所示。当负载为120%时,标准CAN总线节点9的平均时延激增,节点10信息发送失败,不同类型节点的平均时延相差较大,改进CAN总线不同类型节点的平均时延相差较小。

表2 过载下标准CAN和改进CAN的平均时延ms

综上所述,相比于标准CAN总线协议,改进的CAN总线协议不仅降低了节点的最大时延,而且保证了硬实时性信息和软实时性信息的平均时延相差不大,即不同类型节点的实时性得到了保证。由此可说明基于动态优先级算法的的CAN总线协议消息传输能力更优。

6 结束语

基于区域计算机联锁系统,本文对站间安全通信网络的安全协议的仲裁方法进行改进,并在CAN2.0B扩展格式的基础上设计其帧格式。分析影响CAN总线通信系统实时性的主要因素是与仲裁方法有关的排队延时以及负载率。采用动态优先级算法改进了该总线通信系统的排队延时,仿真结果表明,负载在80%以下时,标准CAN总线和改进的CAN总线的节点最大时延相差不大;当负载大于80%时,改进CAN总线节点的最大时延大大小于标准CAN总线节点最大传输时延;当负载达120%时,标准CAN总线甚至不能传输消息,实际测得改进CAN总线的最大时延时间是3.492 ms,该时间延迟远小于计算机联锁中最低250 ms的数据发送周期［17］,能够满足系统的实时性要求。因此,动态优先级算法可以改进区域计算机联锁系统安全通信网的实时性,同时,在实际应用中,还可以通过采用块帧、提高总线位速率等方法,对传输时延进行改进,进一步减小总线延迟时间。

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编辑 顾逸斐

Improvement and Simulation Analysis of CAN Real-time Performance for Regional Computer Interlocking

WANG Ruifeng1,LIU Tao1,SUN Ping2,HAO Tiejun3
(1.School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;
2.Liaoxi Project Construction Headquarter,Shenyang Railway Bureau,Jinzhou 121000,China;
3.Changchun Services Section,Shenyang Railway Bureau,Changchun 130000,China)

Regional computer interlocking system is implemented with the method of dispatching supervision and centralized interlocking.The extension of physical media is used for regional control of its security communication network.The real-time requirement of security protocol is gradually increasing with the large number of adjacent sites incorporated into the system.This paper analyzes the transmission delay of Controller Area Network(CAN)bus(used for existing regional computer interlocking system communication network)between stations,and proposes a dynamic priority algorithm to improve the real-time performance.The simulation result shows that the improved CAN bus protocol can reduce the maximum delay between nodes by changing the load.In addition,it can ensure the real-time performance of different types of nodes,and can meet the requirement of regional computer interlocking system for network communication.

regional computer interlocking;security communication network;Controller Area Network(CAN)bus; real-time;dynamic priority algorithm;delay

王瑞峰,刘 涛,孙 平,等.区域计算机联锁CAN实时性改进及仿真分析［J］.计算机工程,2015, 41(3):298-302.

英文引用格式:Wang Ruifeng,Liu Tao,Sun Ping,et al.Improvement and Simulation Analysis of CAN Real-time Performance for Regional Computer Interlocking［J］.Computer Engineering,2015,41(3):298-302.

1000-3428(2015)03-0298-05

:A

:TP393.04

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.03.056

甘肃省自然科学基金资助项目(1310RJZA046)。

王瑞峰(1966-),女,教授,主研方向:计算机测控技术,仪器仪表技术;刘 涛,硕士;孙 平、郝铁军,工程师。

2014-03-20

:2014-05-20E-mail:522481099@qq.com