CAN 總線在艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用分析?

羋小龍 王亞波 楊宗元

（1.海軍裝備部 北京 100076）（2.武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430205）

1 引言

信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展對艦船導(dǎo)航系統(tǒng)信息傳輸提供了多種通訊傳輸方式。目前，艦船上已有的導(dǎo)航系統(tǒng)大多采用RS422串口、以太網(wǎng)構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)［1～5］。串口擴展性差，以太網(wǎng)在傳輸帶寬及節(jié)點數(shù)上雖有較大的提升，但傳輸延時具有不可預(yù)見性。艦船導(dǎo)航系統(tǒng)信息主要是以高頻率、短報文為主，CAN 總線在短報文傳輸中的實時性、可預(yù)測性等特點能夠更好地滿足系統(tǒng)要求，填補原有通訊方式的不足。

為更好地驗證CAN 總線性能與艦船導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸要求匹配性，結(jié)合艦船導(dǎo)航系統(tǒng)信息種類、信息傳輸頻率等實際特征，對CAN 總線性能進行了測試與分析。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試系統(tǒng)框架設(shè)計

CAN 總線傳輸測試系統(tǒng)由4 臺基于VxWorks操作系統(tǒng)的PC 主機組成［6～8］。其中，PC 機1 為接收節(jié)點，模擬艦船導(dǎo)航系統(tǒng)綜合處理類設(shè)備；PC機2～4 為發(fā)送節(jié)點，模擬艦船導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器類設(shè)備。CAN總線傳輸測試系統(tǒng)框架示意圖如圖1所示。

圖1 CAN總線傳輸測試系統(tǒng)示意圖

2.2 測試方法設(shè)計

1）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測試方法

PC機2～4按照優(yōu)先級設(shè)定以不同頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀格式包含當(dāng)前幀號，幀號從0 開始，依次遞增；數(shù)據(jù)幀內(nèi)容采用自增模式，便于接收到數(shù)據(jù)后查驗數(shù)據(jù)是否丟包。

2）網(wǎng)絡(luò)吞吐率測試方法

PC 機2～4 按照優(yōu)先級設(shè)定不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)量，在發(fā)送完畢之后記錄所花費的時間，根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)量和發(fā)送時間即可計算出各發(fā)送節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送速率；數(shù)據(jù)接收節(jié)點采用每接收到一定量數(shù)據(jù)即記錄累計時間的方法進行記錄，在數(shù)據(jù)接收完畢后剔除第一次記錄的累計時間和最后一次記錄的累計時間，根據(jù)中間有效計時和每段計時范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)接收量，即可計算出接收節(jié)點的數(shù)據(jù)接收速率。

3）數(shù)據(jù)延時測試方法

PC機2～4按照優(yōu)先級設(shè)定以不同頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星對各PC 機進行校時。利用各PC 機本地時鐘，分別記錄各發(fā)送節(jié)點產(chǎn)生第一幀數(shù)據(jù)的時間和接收節(jié)點接收到最后一幀數(shù)據(jù)的時間，計算PC機2～4→PC機1的數(shù)據(jù)傳輸總延時。

4）網(wǎng)絡(luò)負載能力測試方法

PC機2～4按照優(yōu)先級設(shè)定以不同的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，逐次提高各發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)量和更新頻率，記錄發(fā)送的總數(shù)據(jù)包數(shù)和丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)。

3 測試軟件設(shè)計

測試軟件主要包括初始化模塊、工作模式設(shè)定模塊、信息發(fā)送處理模塊和信息接收處理模塊，測試軟件總體框架如圖2所示。

圖2 測試軟件總體框架圖

3.1 傳感器模式

3.1.1 信息發(fā)送處理

信息發(fā)送處理流程如圖3所示。

3.1.2 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀格式見表2。

為方便測試，對原始數(shù)據(jù)幀進行封裝，增加其它輔助信息便于數(shù)據(jù)校驗［9～10］。數(shù)據(jù)幀封裝格式如圖4所示。

圖3 信息發(fā)送處理流程框圖

表2 數(shù)據(jù)幀格式

圖4 數(shù)據(jù)幀封裝格式

3.1.3 時序

傳感器模式時序如圖5所示。

3.1.4 數(shù)據(jù)發(fā)送

CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。

根據(jù)CAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀容量最多不超過8 字節(jié)，因此，需對數(shù)據(jù)幀進行拆包處理［11］，拆包處理過程如圖7所示。

圖5 傳感器模式時序圖

圖6 CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

圖7 數(shù)據(jù)幀拆包處理示意圖

在進行數(shù)據(jù)幀拆包處理時，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度是8字節(jié)的整數(shù)倍時，每幀數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)；當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度不是8 字節(jié)的整數(shù)倍時，最后一幀數(shù)據(jù)幀的長度為余數(shù)字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8 所示。為接收方便，在數(shù)據(jù)幀發(fā)送之前首先發(fā)送起始幀，規(guī)定起始幀的幀號為0；起始幀表明發(fā)送數(shù)據(jù)的開始，幀中含有發(fā)送數(shù)據(jù)的長度。在接收端可根據(jù)該數(shù)據(jù)進行組合得到實際發(fā)送的數(shù)送的數(shù)據(jù)，其幀結(jié)構(gòu)及含義如圖9 所示。數(shù)據(jù)幀發(fā)送結(jié)束后緊接著發(fā)送一幀結(jié)束幀，表明數(shù)據(jù)接收完畢，結(jié)束幀幀號規(guī)定為0x0f，其幀結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖8 CAN發(fā)送MSG幀封裝結(jié)構(gòu)

圖9 開始幀結(jié)構(gòu)

圖10 結(jié)束幀結(jié)構(gòu)

3.1.5 數(shù)據(jù)存儲

采用二進制格式進行數(shù)據(jù)存儲。

3.2 信息處理模式

3.2.1 信息接收處理

信息接收處理流程如圖11所示。

3.2.2 時序

為保證信息處理模式下有效接收各傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，需設(shè)定信息處理模式工作時序，信息處理模式時序控制圖如圖12 所示。首先初始化系統(tǒng)運行參數(shù)，然后啟動定時器對任務(wù)進行計時以實現(xiàn)任務(wù)的周期執(zhí)行，當(dāng)數(shù)據(jù)接收處理和儲存執(zhí)行完畢，任務(wù)掛起以等待定時器結(jié)束，從而轉(zhuǎn)入下一周期的任務(wù)執(zhí)行。

圖11 信息接收處理流程圖

圖12 信息處理模式時序控制圖

3.2.3 數(shù)據(jù)接收

根據(jù)傳感器模式從對應(yīng)的地址依次讀取各傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖13 CAN總線接收時序圖

在信息處理模式端，首先啟動主任務(wù)初始化，在主任務(wù)進程中對CAN 總線數(shù)據(jù)讀取任務(wù)進行初始化。據(jù)讀取任務(wù)優(yōu)先級低于主任務(wù)。CAN 總線接收時序圖如圖13所示。

兩個任務(wù)交替周期執(zhí)行并設(shè)置緩沖區(qū)進行任務(wù)間的通信。主任務(wù)每個周期均讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如果數(shù)據(jù)有效標志位有效，則說明組包成功，主任務(wù)對讀取到的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行進一步處理；如果數(shù)據(jù)有效標志位無效，則不做進一步處理。CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)組包流程圖如14所示。

圖14 CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)組包流程圖

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲

采用二進制格式進行數(shù)據(jù)存儲。

4 測試結(jié)果及分析

CAN總線組網(wǎng)性能測試結(jié)果見表3～6。

表3測試結(jié)果表明，在CAN總線允許帶寬內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸，未出現(xiàn)任何丟包現(xiàn)象，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定。

表3 4發(fā)1收網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性組網(wǎng)測試結(jié)果表

表4 測試結(jié)果表明，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)最大發(fā)送速率為0.568Mbps；當(dāng)總線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量增加時，由于不同節(jié)點優(yōu)先級不同，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)需進行仲裁，發(fā)送速率會降低。CAN總線網(wǎng)絡(luò)接收上限速率為0.689Mbps左右。

表5 測試結(jié)果表明，周期性數(shù)據(jù)幀傳輸模式，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時典型值為0.608ms；偶發(fā)性數(shù)據(jù)幀傳輸模式下，CAN總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時典型值為0.625ms。

表5 網(wǎng)絡(luò)傳輸延時測試結(jié)果表

表6 測試結(jié)果表明，在接收到一定量數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，優(yōu)先級越低數(shù)據(jù)丟包率越大。造成此現(xiàn)象的主要原因是信息接收處理端緩沖區(qū)溢出導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失［12］。

5 結(jié)語

通過搭建CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸測試系統(tǒng)，結(jié)合艦船導(dǎo)航系統(tǒng)信息實際特征，對CAN 總線網(wǎng)絡(luò)性能進行了測試，測試結(jié)果表明，CAN 總線性能滿足艦船導(dǎo)航系統(tǒng)運動姿態(tài)信息傳輸需求，可作為傳輸平臺在艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用。

表6 4發(fā)1收網(wǎng)絡(luò)負載能力測試表