以太網(wǎng)與CAN異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的研究

烏建中，蔣一斌，蔣時(shí)春

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

CAN總線是現(xiàn)今工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，它有著優(yōu)良的傳輸特性以及突出的可靠性，被譽(yù)為“自動(dòng)化領(lǐng)域中的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)”［1］.但是CAN屬于“車(chē)間設(shè)備級(jí)”總線，難以保證超多節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸時(shí)的大數(shù)據(jù)量傳輸實(shí)時(shí)性，且傳輸速度受傳輸距離的影響，無(wú)法直接與計(jì)算機(jī)連接.隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，通信質(zhì)量以及通信實(shí)時(shí)性將會(huì)受到巨大挑戰(zhàn).

而隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于以太網(wǎng)及 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）協(xié)議棧的通信網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用于全世界各個(gè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)信息管理及監(jiān)控系統(tǒng)［2］.以太網(wǎng)傳輸速率高，能與計(jì)算機(jī)直接連接而無(wú)需網(wǎng)關(guān)，并且傳輸距離長(zhǎng).

雖然以太網(wǎng)發(fā)展前景積極樂(lè)觀，但是實(shí)際工業(yè)一線應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)具體情況各不相同，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜甚至惡劣，在工業(yè)控制領(lǐng)域使用以太網(wǎng)來(lái)完全取代類(lèi)似CAN的現(xiàn)場(chǎng)總線仍然是困難的，且從成本、開(kāi)發(fā)難度和周期、適應(yīng)性以及與以往設(shè)備的兼容性來(lái)講，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)依然在工程一線有著巨大優(yōu)勢(shì).

本文基于此，致力于這個(gè)問(wèn)題的研究，為工業(yè)控制系統(tǒng)提供一種既滿足大數(shù)據(jù)量通信實(shí)時(shí)性要求，也符合工程一線對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性、適應(yīng)性要求的切實(shí)有效的解決方案.

1 傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的組成

常用的傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通常為三級(jí)網(wǎng)絡(luò)：一級(jí)網(wǎng)絡(luò)通常使用RS485網(wǎng)絡(luò)，用以連接主控制器與計(jì)算機(jī)；二級(jí)CAN網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)控制器與主控制器；三級(jí)CAN網(wǎng)絡(luò)連接終端節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)控制器，如圖1所示［3］.實(shí)際上，主控制節(jié)點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)與RS485網(wǎng)絡(luò)相連接的網(wǎng)關(guān)功能，用于對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā).

圖1 工業(yè)控制雙CAN-RS485網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Industrial control network based on dual-CAN and RS485

工程項(xiàng)目中，一般CAN總線的傳輸距離都小于1 000m，并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境影響，CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸波特率大致可設(shè)定為100kbps［4］.一級(jí)網(wǎng)絡(luò)使用RS485，這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)大多有串口，即使較新的計(jì)算機(jī)沒(méi)有串口，也可以通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS485接口方便地與計(jì)算機(jī)連接.受限于單片機(jī)本身以及RS485自身特性，百米內(nèi)RS485的通信速率一般設(shè)置在115.2kbps以下［5］.但是 RS485總線是半雙工通信.這意味著隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流匯合最終匯集到服務(wù)器，數(shù)據(jù)量成倍增長(zhǎng)，而網(wǎng)絡(luò)帶寬卻沒(méi)有大的提高；且三層網(wǎng)絡(luò)都采用總線形式組網(wǎng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)無(wú)法避免地產(chǎn)生數(shù)據(jù)“碰撞”，將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性.

其次，不可忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)是主控制器作為RS485與CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，采用共享RAM（Random Access Memory）的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā).而CPU（Central Processing Unit）讀寫(xiě)共享RAM時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)可避免地產(chǎn)生延時(shí).以上幾點(diǎn)容易導(dǎo)致在主控制器這一點(diǎn)上成為通信網(wǎng)絡(luò)中通信速率的瓶頸.

2 以太網(wǎng)與CAN異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 上層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

2.1.1 物理層的要求

物理層需要保證通信網(wǎng)絡(luò)物理連接的可靠性.需充分考慮工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性指標(biāo)，如耐高溫、防塵、防潮、接口強(qiáng)度、防壓等［3］.其次是與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的物理兼容性，且要有穩(wěn)定的電源.對(duì)于通信介質(zhì)，普通雙絞線的抗干擾能力和線纜強(qiáng)度無(wú)法適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，需采用帶有屏蔽層，護(hù)套材料阻燃、耐油、耐熱、耐擠壓性能良好，中心添加加強(qiáng)筋的線纜.

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和確定性

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層采用帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA/CD）機(jī)制作為其訪問(wèn)媒體控制協(xié)議，通信過(guò)程中容易發(fā)生“碰撞”，其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一就是其通信響應(yīng)的不確定性［3］.

但是有實(shí)驗(yàn)表明，以太網(wǎng)的碰撞概率與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載（通信量）有關(guān)，當(dāng)負(fù)載小于5%時(shí)，碰撞概率幾乎為0；當(dāng)負(fù)載小于20%時(shí)，碰撞概率小于0.1%，可保證通信暢通；當(dāng)負(fù)載大于40%時(shí)，碰撞概率將大于5%［6］.而CAN網(wǎng)絡(luò)的通信速率相對(duì)以太網(wǎng)非常小，因此可以避免上述瓶頸.

為了增強(qiáng)以太網(wǎng)通信的確定性和實(shí)時(shí)性，可以同時(shí)采用以下兩種措施：一是使用交換機(jī)或路由器代替集線器，將網(wǎng)絡(luò)中的沖突域進(jìn)一步細(xì)化；二是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)代替總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，避免數(shù)據(jù)之間的“碰撞”［3］.

采用星型組網(wǎng)，使得各節(jié)點(diǎn)之間并沒(méi)有直接相連，即使各節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，也不會(huì)出現(xiàn)碰撞.路由器設(shè)備在接收到各節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)之后，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，所以在宏觀上看，各節(jié)點(diǎn)是并行連接的.

星型網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)選取路由器而非交換機(jī)，這是因?yàn)槁酚善鞴ぷ饔诰W(wǎng)絡(luò)層，而交換機(jī)工作于數(shù)據(jù)鏈路層，路由器則可以自動(dòng)分配IP地址，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用，相對(duì)使用交換機(jī)，路由器要方便得多.

2.1.3 傳輸層上的UDP與TCP之爭(zhēng)

TCP協(xié)議即傳輸控制協(xié)議，提供端到端的連接，它通過(guò)校驗(yàn)、超時(shí)重傳和應(yīng)答來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整正確，實(shí)現(xiàn)可靠、面向連接的數(shù)據(jù)通信［2］.這里需要注意，TCP是端對(duì)端的連接，不能夠組播或者廣播，同一份數(shù)據(jù)要傳輸?shù)讲煌?jié)點(diǎn)需要多次傳輸，這顯然會(huì)加劇不必要的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載.

由于 UDP（User Datagram Protocol）比 TCP簡(jiǎn)單，它不使用繁瑣的流量控制或錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制，只充當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送者和接收者，因此開(kāi)銷(xiāo)小、效率高，適合于低延遲的局域網(wǎng)，可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載.UDP實(shí)現(xiàn)的是不可靠、無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)［2］.雖然對(duì)于廣域網(wǎng)而言，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸無(wú)法保證數(shù)據(jù)到達(dá)，也不知道數(shù)據(jù)是否傳輸成功，但對(duì)于本文涉及的小型局域網(wǎng)，且數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中不會(huì)發(fā)生“碰撞”時(shí)，使用UDP傳輸數(shù)據(jù)，并不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)通信的確定性.

2.1.4 單片機(jī)以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)

眾所周知，使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧將會(huì)使程序變得巨大，不適合在單片機(jī)上運(yùn)用，其開(kāi)發(fā)難度也可想而知.W5100是一款可實(shí)現(xiàn)沒(méi)有操作系統(tǒng)的Internet連接的多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY）.本系統(tǒng)使用SPI（Serial Peripheral Interface）總線連接 W5100和單片機(jī)，SPI總線僅需3～4個(gè)IO口，且多數(shù)單片機(jī)內(nèi)置SPI控制單元.SPI根據(jù)單片機(jī)的性能，速率一般可達(dá)數(shù)兆字節(jié)每秒（MBps）.

2.2 底層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

底層的二級(jí)網(wǎng)絡(luò)用于工程一線，所以使用CAN總線組網(wǎng).CAN總線具有可靠性高和錯(cuò)誤檢測(cè)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境.雖然相對(duì)于CAN總線而言，以太網(wǎng)的高傳輸速率以及與計(jì)算機(jī)能夠直接連接是其突出優(yōu)勢(shì).，但是，以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議棧開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)難度大，代碼量大且復(fù)雜，以及成本較高，所以相比之下，CAN雖然沒(méi)有很大的傳輸速率，但是更能夠勝任工業(yè)一線的應(yīng)用.

以太網(wǎng)與CAN的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 以太網(wǎng)與CAN總線異構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Communication network based on ethernet and CAN

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證以太網(wǎng)代替CAN總線在工控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸特性，本節(jié)基于上節(jié)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，采用確認(rèn)機(jī)制法獲得往返時(shí)延作為網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)試方法.往返時(shí)延指源節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻1將數(shù)據(jù)發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)之后馬上將數(shù)據(jù)發(fā)往源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻2收到目的節(jié)點(diǎn)發(fā)回來(lái)數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié)，則測(cè)試報(bào)文往返時(shí)延就是2個(gè)時(shí)刻之差［4］.通過(guò)周期性的大批量的測(cè)試可以減小時(shí)延誤差，從而客觀地反映網(wǎng)絡(luò)性能.

測(cè)試系統(tǒng)時(shí)延結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接到路由器，進(jìn)而與現(xiàn)場(chǎng)控制器相連，再通過(guò)CAN連接智能終端控制器.整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)上的往返時(shí)延t是由t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8，t9，t10，t11組成.t1，t11表示以太網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)控制器之間收發(fā)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時(shí)延；t2，t10表示數(shù)據(jù)在路由器中的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換時(shí)延；t3，t9表示以太網(wǎng)上現(xiàn)場(chǎng)控制器與智能節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時(shí)延；t4，t8表示現(xiàn)場(chǎng)控制器的數(shù)據(jù)處理時(shí)延；t5，t7表示現(xiàn)場(chǎng)控制器與智能終端控制器通過(guò)CAN收發(fā)數(shù)據(jù)包所產(chǎn)生的時(shí)延；t6表示智能終端控制器對(duì)數(shù)據(jù)包的數(shù)量時(shí)延.

圖3 測(cè)試系統(tǒng)時(shí)延結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Delay diagram of trst system

隨著現(xiàn)代處理器處理速度的提高，基本可以忽略路由器和控制器的對(duì)數(shù)據(jù)包處理所產(chǎn)生的時(shí)延，而傳輸距離長(zhǎng)短對(duì)通信的實(shí)時(shí)性影響也非常小，電信號(hào)在銅線介質(zhì)中的傳播速度約為23×104km·s－1，可以忽略不計(jì).因此往返時(shí)延t可以客觀地反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延特性.

基于以上討論，本文設(shè)計(jì)了服務(wù)器端監(jiān)控界面程序（如圖4所示）、現(xiàn)場(chǎng)控制器程序和智能終端控制器程序.

現(xiàn)場(chǎng)控制器程序接收路由器轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，傳給下一級(jí)的各智能終端，并接收智能終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給路由器.

智能終端接收現(xiàn)場(chǎng)控制器傳送的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單處理后再發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制器.

圖4 服務(wù)器端監(jiān)控界面Fig.4 Server-side monitoring interface

4 實(shí)時(shí)性分析

4.1 傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性分析

表1雙CAN-485網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性測(cè)試條件Tab.1 Real-time test conditions of dual-CAN and RS485network

傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延概率分布圖如圖5所示［4］，RS485總線通信的時(shí)延在400～650ms之間，RAM數(shù)據(jù)交換時(shí)延在250～350ms之間，而雙CAN總線的時(shí)延在50～300ms間波動(dòng).總往返時(shí)延t約為1 150ms，也就是說(shuō)操作人員在監(jiān)控界面發(fā)出指令到現(xiàn)場(chǎng)控制器執(zhí)行指令所需的響應(yīng)時(shí)間在400～600ms之間［4］.雖然在某些實(shí)際工程應(yīng)用中，這個(gè)延時(shí)時(shí)間是可以接受的，但是這是在二級(jí)CAN網(wǎng)絡(luò)僅有6個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候測(cè)得的數(shù)據(jù).為適應(yīng)某些工程需要，二級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)目可能會(huì)多達(dá)數(shù)十個(gè)，此時(shí)時(shí)延會(huì)繼續(xù)增加，數(shù)據(jù)擁堵大大加劇，對(duì)工程的安全以及傳輸效率等方面的負(fù)面影響難以想象.

圖5 雙CAN-RS485網(wǎng)絡(luò)時(shí)延概率分布圖Fig.5 Delay probability of dual-CAN and RS485 network

4.2 以太網(wǎng)與CAN異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性分析

本節(jié)使用圖2所示方案組網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).表2所示為以太網(wǎng)與CAN總線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、收發(fā)等待時(shí)間以及發(fā)送次數(shù).同樣設(shè)定發(fā)送間隔時(shí)間為100ms.但是測(cè)試中加大了數(shù)據(jù)的傳輸率，測(cè)試分為30組，每組給6個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器發(fā)送100B的數(shù)據(jù).

表2 以太網(wǎng)與CAN異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性測(cè)試條件Tab.2 Real-time test conditions of ethernet and CAN network

由圖6計(jì)算可知，以太網(wǎng)與CAN總線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的總時(shí)延t為80～90ms，且傳輸過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生丟包.也就是說(shuō)，由控制界面發(fā)出指令到到達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的時(shí)間約為45ms，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的雙CAN－RS485網(wǎng)絡(luò).即使面對(duì)更大數(shù)據(jù)量，以太網(wǎng)與CAN總線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)也表現(xiàn)出優(yōu)越的性能.

圖6 以太網(wǎng)與CAN總線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延概率分布圖Fig.6 Delay probability of ethernet and CAN network

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以太網(wǎng)與CAN總線的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)相對(duì)傳統(tǒng)的雙CAN－RS485網(wǎng)絡(luò)有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）通信實(shí)時(shí)性大大提高.這得益于以太網(wǎng)本身傳輸速率高的特點(diǎn)，同時(shí)也減少了網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，減少了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸“路途”，避免了共享內(nèi)存消耗的時(shí)間，星型組網(wǎng)避免了數(shù)據(jù)“碰撞”.

（2）可以與計(jì)算機(jī)直接相連，不僅節(jié)約了成本，降低了開(kāi)發(fā)量，也大大方便使用的便捷性.

（3）使得數(shù)據(jù)發(fā)布以及實(shí)現(xiàn)交換共享變得非常方便.

以太網(wǎng)與CAN總線兩者各有相對(duì)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用領(lǐng)域，可見(jiàn)以太網(wǎng)和CAN總線聯(lián)合組網(wǎng)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，綜合性能突出，是一種優(yōu)越且切實(shí)可行的解決方案.而從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看，以太網(wǎng)必將取代現(xiàn)場(chǎng)總線，成為工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主流.

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