星載CAN總線(xiàn)即插即用解決方案

龍 可，呂良慶

(1.國(guó)家空間科學(xué)中心 中國(guó)科學(xué)院復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049)

0 引 言

CAN總線(xiàn)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定的是鏈路層協(xié)議，在實(shí)際任務(wù)中需要根據(jù)任務(wù)需要設(shè)計(jì)通信協(xié)議。由于任務(wù)需求各不相同，因此對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議也各不相同，這使得任務(wù)之間難以通用，對(duì)項(xiàng)目合作時(shí)異構(gòu)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作造成了困難[1]。引入即插即用設(shè)計(jì)思路有利于解決這一問(wèn)題?，F(xiàn)有的CAN總線(xiàn)即插即用方法多數(shù)是基于地面通用即插即用技術(shù)[2]，對(duì)設(shè)備信息描述的方法往往是個(gè)性化的，這不利于航天架構(gòu)異構(gòu)子網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化接入。目前，采用電子數(shù)據(jù)單(electronic data sheet，EDS)技術(shù)來(lái)管理設(shè)備信息已成為一種主流[3]。例如空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)(consultative committee for space data system，CCSDS)提出的航天器接口業(yè)務(wù)(spacecraft onboard interface services，SOIS)[4]，采用SOIS EDS(SEDS)對(duì)部件信息進(jìn)行描述[5]；美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室(air force research laboratory，AFRL)提出的SPA(space PnP avionics)計(jì)劃，利用xTEDS(XML transducer electronic data sheet)來(lái)管理所有設(shè)備和服務(wù)[6]。在上述架構(gòu)中，CAN總線(xiàn)作為底層子網(wǎng)之一，需要在總線(xiàn)內(nèi)部先解決設(shè)備級(jí)的即插即用[7]，然后與上層的應(yīng)用和業(yè)務(wù)過(guò)程進(jìn)行銜接。

1 概 述

在CAN總線(xiàn)中增加即插即用特性，可以在不改變各自節(jié)點(diǎn)原有通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，建立它們之間的互通性，提高航天器的協(xié)調(diào)和集成效率。即插即用技術(shù)的實(shí)現(xiàn)思路一般可以歸納為以下幾個(gè)步驟：設(shè)備編址、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備描述、設(shè)備控制、設(shè)備事件和設(shè)備表達(dá)[8]。結(jié)合星載CAN總線(xiàn)的實(shí)際特點(diǎn)，擬定了CAN總線(xiàn)即插即用的整體流程，如圖1所示。

圖1 CAN PnP整體流程

為方便即插即用的過(guò)程描述，將系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)所在的CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)定義為主節(jié)點(diǎn)(master node)，其余接入節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)(slave node)。航天任務(wù)中CAN總線(xiàn)通信協(xié)議對(duì)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的地址做了固定分配。

用于描述設(shè)備信息的EDS可以參考IEEE1451.0[9]的TEDS格式。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到從節(jié)點(diǎn)的EDS消息，對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行解析、存儲(chǔ)，并依據(jù)解析結(jié)果進(jìn)行消息的編排，以啟動(dòng)雙方的正常通信，這一過(guò)程需考慮單從節(jié)點(diǎn)、多從節(jié)點(diǎn)的接入以及撤出等多種場(chǎng)景。從節(jié)點(diǎn)方面只需按照協(xié)議約定的格式進(jìn)行EDS內(nèi)容的填寫(xiě)，遵循握手協(xié)議發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。

CAN總線(xiàn)只是航天器綜合系統(tǒng)架構(gòu)底層子網(wǎng)的一種，若系統(tǒng)中還有其它異構(gòu)子網(wǎng)，則需進(jìn)行異構(gòu)子網(wǎng)之間的協(xié)議同構(gòu)，即匯聚層的設(shè)計(jì)。為方便用戶(hù)填寫(xiě)EDS，還需考慮EDS的生成工具和解析工具的設(shè)計(jì)，構(gòu)建EDS工具鏈，使CAN總線(xiàn)即插即用協(xié)議能在實(shí)際應(yīng)用中推廣。

因此，CAN總線(xiàn)即插即用解決方案涉及的主要內(nèi)容包括：①EDS設(shè)計(jì)；②握手協(xié)議設(shè)計(jì)；③主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)(主要是消息調(diào)度算法設(shè)計(jì))；④從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；⑤匯聚層設(shè)計(jì)；⑥EDS工具鏈設(shè)計(jì)。

2 通信協(xié)議基礎(chǔ)約定

為了實(shí)現(xiàn)即插即用，需要在CAN總線(xiàn)技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的約定。①主節(jié)點(diǎn)地址固定為0，確保主節(jié)點(diǎn)消息的發(fā)送優(yōu)先權(quán)，明確從節(jié)點(diǎn)發(fā)送EDS消息的目標(biāo)地址；②不支持從節(jié)點(diǎn)之間的通信；③消息首幀的數(shù)據(jù)場(chǎng)前兩字節(jié)約定為消息類(lèi)型，可根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行約定。細(xì)分為消息子類(lèi)型和子編號(hào)，各占一個(gè)字節(jié)。其中EDS消息類(lèi)型定義為0xEDXX。

定義CAN總線(xiàn)表的概念來(lái)描述總線(xiàn)上消息的運(yùn)行情況，其作用類(lèi)似于列車(chē)時(shí)刻表，它由一個(gè)個(gè)消息單元順序組成，每個(gè)消息單元包括一條消息的類(lèi)型、地址、消息時(shí)間。由周期性消息組織而成的總線(xiàn)表稱(chēng)為主總線(xiàn)表，突發(fā)性的消息編排入插入總線(xiàn)表。

對(duì)用于描述即插即用過(guò)程的相關(guān)時(shí)間概念做以下定義(如圖2所示)：

圖2 時(shí)間概念說(shuō)明

(1)消息時(shí)間(TMSG)：一條消息傳輸所需的時(shí)間與幀間隙之和。CAN總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀包含44 bit-108 bit，考慮星上對(duì)CAN總線(xiàn)幀間隙Titv的常見(jiàn)要求在0.2 ms-0.6 ms(此處取0.4 ms)，以常用通信速率500 Kbps為例計(jì)算，即發(fā)送1 bit數(shù)據(jù)耗時(shí)2 μs。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)接入系統(tǒng)時(shí)，單幀數(shù)據(jù)域?yàn)榭盏南ⅲ琓MSG=44 bit×2 μs/bit+400 μs=488 μs，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為8 bit×2 μs /bit=16 μs，數(shù)據(jù)域每增加1個(gè)字節(jié)，消息幀傳輸時(shí)間增加16 μs，帶8字節(jié)數(shù)據(jù)的消息幀TMSG為616 μs。

(2)小幀周期(TFRM)：主總線(xiàn)表中一個(gè)小幀內(nèi)所有消息的TMSG累加和。為確保主總線(xiàn)表周期的相對(duì)穩(wěn)定，消息在不上線(xiàn)的小幀內(nèi)仍然占用該消息的TMSG時(shí)間。

(3)消息間隔(TITV)：同一消息連續(xù)兩次傳輸之間的最小間隔，是從節(jié)點(diǎn)的期望值。

下面以標(biāo)準(zhǔn)幀格式為例進(jìn)行說(shuō)明。

3 CAN總線(xiàn)即插即用解決方案

3.1 EDS格式設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)協(xié)議的通用性，在一定程度上適應(yīng)不同的CAN總線(xiàn)通信協(xié)議，對(duì)地址分配、總線(xiàn)占用以及幀類(lèi)型等方面的不同約定，本文設(shè)計(jì)了兩種形式的EDS：握手EDS(shake-hand EDS，SH EDS)和通信EDS(slave communication EDS，SC EDS)。SH EDS交代節(jié)點(diǎn)地址、幀類(lèi)型、總線(xiàn)占用等信息，解決通信格式的識(shí)別問(wèn)題。SC EDS用以描述從節(jié)點(diǎn)的個(gè)性化鏈路層通信需求，說(shuō)明消息類(lèi)型、方向、長(zhǎng)度、最小期望間隔等信息，解決總線(xiàn)通信的消息編排問(wèn)題。

3.1.1 SH EDS格式設(shè)計(jì)

SH EDS為數(shù)據(jù)幀，幀頭仲裁場(chǎng)的11位標(biāo)識(shí)符格式見(jiàn)表1。

表1 SH EDS仲裁場(chǎng)格式

D10～D5：由節(jié)點(diǎn)自行定義，以適應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)遵循的不同協(xié)議。

D4～D0：節(jié)點(diǎn)地址，00000代表主節(jié)點(diǎn)，其余用于從節(jié)點(diǎn)地址。

SH EDS數(shù)據(jù)場(chǎng)包含8字節(jié)，前2字節(jié)為消息類(lèi)型，方便初始握手時(shí)節(jié)點(diǎn)雙方的第一次識(shí)別，取值0xED00～0xED03(分別對(duì)應(yīng)單幀SH EDS、多幀SH EDS的起始幀、中間幀和尾幀)。

SH EDS數(shù)據(jù)場(chǎng)后6字節(jié)是正式內(nèi)容，解釋仲裁場(chǎng)D10～D5位的個(gè)性化格式約定。如果仲裁場(chǎng)D10～D5位有多個(gè)域的劃分，則每一個(gè)域?qū)?yīng)一個(gè)字節(jié)，最多6個(gè)域(擴(kuò)展幀域的數(shù)量可能大于6)。每個(gè)字節(jié)的格式都見(jiàn)表2。

表2 SH EDS數(shù)據(jù)場(chǎng)字節(jié)格式

D7～D4：標(biāo)識(shí)符類(lèi)型，具體可根據(jù)實(shí)際工程需要自定義，例如表3。

表3 標(biāo)識(shí)符類(lèi)型定義實(shí)例

D3～D0：該標(biāo)識(shí)符類(lèi)型在仲裁場(chǎng)中所占的位數(shù)(1～6)。

3.1.2 SC EDS格式設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)在解析完SH EDS后，開(kāi)始向該從節(jié)點(diǎn)發(fā)送SC EDS請(qǐng)求消息，該消息為單幀數(shù)據(jù)幀，仲裁場(chǎng)內(nèi)容與SH EDS相同，消息類(lèi)型為0xED04，數(shù)據(jù)場(chǎng)中的后6字節(jié)填0。

從節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求消息后，向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送SC EDS，用以描述其個(gè)性化的鏈路層通信需求，SC EDS消息仲裁場(chǎng)內(nèi)容與SH EDS相同。數(shù)據(jù)場(chǎng)的具體格式見(jiàn)表4。

表4 SC EDS數(shù)據(jù)場(chǎng)格式

表4中，EDS識(shí)別符：取值0xED05；EDS長(zhǎng)度：消息定義部分的長(zhǎng)度；消息定義：描述節(jié)點(diǎn)消息，每個(gè)消息的定義占用6個(gè)字節(jié)，分別包括消息類(lèi)型、消息方向、消息長(zhǎng)度和消息最小期望間隔。具體格式見(jiàn)表5。

表5 SC EDS中消息定義格式

①消息方向T/R：指該消息是由從節(jié)點(diǎn)發(fā)送(1)或接收(0)；②消息長(zhǎng)度：0～32 767，單位字節(jié)；③U/D：默認(rèn)上下線(xiàn)。指該子地址消息在安排入總線(xiàn)表時(shí)，是默認(rèn)上線(xiàn)(1)還是默認(rèn)不上線(xiàn)(0)，默認(rèn)上線(xiàn)代表在從第一個(gè)運(yùn)行周期開(kāi)始該類(lèi)消息一直周期性傳輸，直到從節(jié)點(diǎn)主動(dòng)請(qǐng)求其下線(xiàn)(下線(xiàn)消息類(lèi)型：0xFFFF)或者異常結(jié)束，主節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)改變?cè)撐坏臓顟B(tài)對(duì)消息實(shí)現(xiàn)上下線(xiàn)控制；④間隔：代表從節(jié)點(diǎn)期望的該消息傳輸最小間隔，全0代表該消息非周期性傳輸，即突發(fā)性消息，期望的最小間隔取值0 ms～32 767 ms。

3.2 握手協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN總線(xiàn)即插即用握手時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 CAN PnP握手時(shí)序圖

具體的握手步驟如下：

(1)從節(jié)點(diǎn)接入過(guò)程：

步驟1 從節(jié)點(diǎn)以500 ms周期性發(fā)送SH EDS。

步驟2 主節(jié)點(diǎn)收到SH EDS后解析從節(jié)點(diǎn)個(gè)性化通信格式并進(jìn)行記錄。

步驟3 主節(jié)點(diǎn)發(fā)送SC EDS請(qǐng)求消息。

步驟4 從節(jié)點(diǎn)收到SC EDS請(qǐng)求消息后，停止發(fā)送SH EDS，并向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送SC EDS消息。

步驟5 主節(jié)點(diǎn)收到SC EDS后解析從節(jié)點(diǎn)對(duì)于消息的約定情況并進(jìn)行記錄。

步驟6 根據(jù)SC EDS解析內(nèi)容編排新的總線(xiàn)表并調(diào)整總線(xiàn)周期：同類(lèi)型消息按從節(jié)點(diǎn)的接入順序編排；同一節(jié)點(diǎn)多次發(fā)送EDS按最新EDS定義的消息情況進(jìn)行編排，原紀(jì)錄被覆蓋。

步驟7 按照SH EDS定義的通信格式，啟動(dòng)總線(xiàn)表運(yùn)行，正常通信建立。

步驟8 重復(fù)以上步驟實(shí)現(xiàn)多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的加入。

(2)從節(jié)點(diǎn)撤出過(guò)程：

步驟1 當(dāng)某一從節(jié)點(diǎn)連續(xù)5次出現(xiàn)應(yīng)答超時(shí)，且發(fā)送恢復(fù)幀和切換總線(xiàn)不能恢復(fù)，或從節(jié)點(diǎn)發(fā)送下線(xiàn)指令，可判定其下線(xiàn)。

步驟2 主節(jié)點(diǎn)刪除該節(jié)點(diǎn)的通信格式和信息記錄。

步驟3 重新計(jì)算總線(xiàn)周期，調(diào)整總線(xiàn)表。

步驟4 主節(jié)點(diǎn)與其余從節(jié)點(diǎn)正常通信。

3.3 主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要考慮對(duì)從節(jié)點(diǎn)的EDS的傳輸、讀取和解析等過(guò)程的控制，并根據(jù)EDS進(jìn)行總線(xiàn)表的編排，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的正常通信。

3.3.1 總線(xiàn)表構(gòu)建算法

總線(xiàn)表構(gòu)建算法主要解決在從節(jié)點(diǎn)從無(wú)到有加入以及從一到多加入過(guò)程中，主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行總線(xiàn)表編排時(shí)對(duì)各從節(jié)點(diǎn)消息的合理調(diào)度問(wèn)題，在滿(mǎn)足各節(jié)點(diǎn)消息傳輸需求的前提下，盡量減小接入和撤出節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響?？偩€(xiàn)表的編排遵循以下步驟：

(1) 第一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入主總線(xiàn)表：

步驟1 主節(jié)點(diǎn)收到第一個(gè)SC EDS后，將其中所有TITV非零的消息按順序編入主總線(xiàn)表。

步驟2 累加其中所有消息的消息時(shí)間TMSG作為T(mén)FRM，若TFRM滿(mǎn)足TFRM≥max{TITV1…TITVn}，說(shuō)明小幀周期能滿(mǎn)足所有消息對(duì)最小間隔的要求，否則，應(yīng)調(diào)整TFRM，拉長(zhǎng)最后一條消息的TMSG，拉長(zhǎng)的長(zhǎng)度為max{TITV1…TITVn}-TFRM。

(2)第N個(gè)節(jié)點(diǎn)加入主總線(xiàn)表：

步驟1 記錄當(dāng)前小幀周期為T(mén)base。

步驟3 若m=0或1，小幀不做復(fù)制，新接入節(jié)點(diǎn)的所有消息依次加入到該小幀中。

步驟5 所有消息插入完成后，計(jì)算新TFRM，若滿(mǎn)足TFRM≥max{TITV1…TITVn}，編排結(jié)束，否則應(yīng)調(diào)整TFRM，拉長(zhǎng)最后一條消息的TMSG。

步驟6 若無(wú)后續(xù)節(jié)點(diǎn)的接入，該小幀即作為最終主總線(xiàn)表。

SC EDS中TITV為零的突發(fā)性消息順序編入插入總線(xiàn)表，將突發(fā)性消息與其觸發(fā)條件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

(3)節(jié)點(diǎn)撤出時(shí)總線(xiàn)表的編排：

步驟1 從主總線(xiàn)表和插入總線(xiàn)表中撤出該節(jié)點(diǎn)的所有消息。

步驟2 消息撤出完成后，計(jì)算新TFRM，若滿(mǎn)足TFRM≥max{TITV1…TITVn}，編排結(jié)束，否則應(yīng)調(diào)整TFRM。

3.3.2 管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了3種管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述即插即用通信過(guò)程：通信特征表(FEATAB)、消息表(MSGTAB)和節(jié)點(diǎn)信息表(NODEINFOTAB)。

首先，通信特征表(FEATAB)用于記錄初始握手時(shí)從節(jié)點(diǎn)SH EDS中對(duì)其標(biāo)識(shí)符段的分配使用情況，按SH EDS中標(biāo)識(shí)符定義順序依次記錄其長(zhǎng)度和相對(duì)位置。

其次，消息表(MSGTAB)對(duì)SC EDS中定義的節(jié)點(diǎn)消息進(jìn)行記錄，包括消息地址、消息類(lèi)型、消息長(zhǎng)度和消息間隔等，是系統(tǒng)建立的消息索引表，能在需要某條消息時(shí)快速查詢(xún)。

第三，節(jié)點(diǎn)信息表(NODEINFOTAB)中記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址信息、FEATAB指針、消息數(shù)和MSGTAB指針，包含了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有個(gè)性化信息，方便在節(jié)點(diǎn)加入撤出時(shí)的索引及消息的上下線(xiàn)控制。

3.3.3 基礎(chǔ)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)CAN總線(xiàn)即插即用握手協(xié)議，對(duì)其中每一個(gè)步驟涉及的交互對(duì)象、交互數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，繪制了圖4所示的CAN PnP主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流。

圖4 CAN PnP主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流

為完成CAN總線(xiàn)即插即用主節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，主要需實(shí)現(xiàn)的功能包括：總線(xiàn)運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、數(shù)據(jù)解析、總線(xiàn)表編排等。根據(jù)功能編寫(xiě)了如表6所示的基礎(chǔ)模塊。

表6 CAN PnP主節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)功能模塊

用戶(hù)可根據(jù)需求對(duì)基礎(chǔ)功能模塊進(jìn)行編寫(xiě)、擴(kuò)充，并與自定義系統(tǒng)進(jìn)行銜接，其中每個(gè)模塊可包括多個(gè)程序函數(shù)。

3.4 從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

從節(jié)點(diǎn)的軟件只需按照CAN PnP協(xié)議，將個(gè)性化的SH EDS和SC EDS發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)即可，建立握手后的通信過(guò)程按照從節(jié)點(diǎn)原有協(xié)議進(jìn)行。

3.5 匯聚層設(shè)計(jì)

如果在一個(gè)系統(tǒng)中存在多個(gè)具有即插即用能力的異構(gòu)子網(wǎng)，則需要在它們之上設(shè)計(jì)匯聚層協(xié)議以解決系統(tǒng)上層業(yè)務(wù)和應(yīng)用的銜接和標(biāo)準(zhǔn)化訪(fǎng)問(wèn)問(wèn)題。參考CCSDS.850.0-G-2[4]對(duì)匯聚層的設(shè)計(jì)，給出了匯聚層設(shè)計(jì)思路，如圖5所示。

圖5 匯聚層設(shè)計(jì)思路

匯聚層在鏈路協(xié)議子層可以采用冗余模型，即除了統(tǒng)一的路由功能和尋址功能外，其余功能都是平行設(shè)計(jì)。

路由功能旨在為上層應(yīng)用確定通信路徑，通過(guò)對(duì)子網(wǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得。靜態(tài)數(shù)據(jù)指從上層應(yīng)用到下層子網(wǎng)和設(shè)備之間的邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及一些固定的通信特征，如最大通信速率、設(shè)置的通信速率、最小傳輸單元和最大傳輸單元等。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要是指新接入設(shè)備的信息，主要體現(xiàn)在EDS上。系統(tǒng)內(nèi)部的管理信息庫(kù)(management information base，MIB)，用于保存靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)備EDS信息。

尋址功能在路由功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步為上層應(yīng)用提供可訪(fǎng)問(wèn)地址的服務(wù)。提供的方式有兩種，一種是提供固定的設(shè)備、子網(wǎng)與應(yīng)用程序之間的地址對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外一種是設(shè)備、子網(wǎng)與應(yīng)用程序之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系事先不確定，這種情況下可以通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用EDS，來(lái)描述應(yīng)用程序可以提供的服務(wù)以及所需的輸入服務(wù)信息。當(dāng)子網(wǎng)上傳的消息到達(dá)匯聚層時(shí)，尋址功能根據(jù)該消息的信息在MIB中檢索應(yīng)用EDS，如果發(fā)現(xiàn)消息與某個(gè)應(yīng)用EDS的服務(wù)信息能夠匹配，就可以建立設(shè)備、子網(wǎng)與應(yīng)用程序之間的地址連接和通信關(guān)系，表現(xiàn)為應(yīng)用程序的即插即用。

3.6 EDS工具鏈設(shè)計(jì)

從節(jié)點(diǎn)用戶(hù)需按照CAN PnP協(xié)議規(guī)定的格式編輯個(gè)性化的SH EDS和SC EDS。EDS采用XML(extensible markup language)進(jìn)行描述，以便使用相應(yīng)的語(yǔ)言生成工具和解析工具，從而擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍和使用的便利。圖6為EDS的生成轉(zhuǎn)換過(guò)程。

圖6 EDS的生成轉(zhuǎn)換過(guò)程

數(shù)據(jù)表單通過(guò)工具或者手工編寫(xiě)，然后通過(guò)EDS生成工具轉(zhuǎn)換成XML格式。接收方通過(guò)EDS解析工具，將XML文件轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識(shí)別的個(gè)性化二進(jìn)制格式。

3.6.1 EDS生成工具

在互聯(lián)網(wǎng)上可以找到的XML編輯器有很多，本項(xiàng)目選用了XML Validator Buddy[10]，它是一個(gè)可在瀏覽器上直接編輯或閱讀XML源碼的編輯器，用于進(jìn)行CAN總線(xiàn)SH EDS、SC EDS的XML文件的編輯生成。在這個(gè)工具中輸入手工編輯的符合本文SH EDS、SC EDS格式的文件，就可以生成個(gè)性化的EDS編輯界面，供用戶(hù)進(jìn)行內(nèi)容的填寫(xiě)和修改，如圖7所示。

圖7 SH EDS、SC EDS生成工具

由此生成的SH EDS和SC EDS的XML文件如圖8和圖9所示。

圖8 SH EDS XML文件實(shí)例

圖9 SC EDS XML文件實(shí)例

3.6.2 EDS解析工具

EDS解析工具的目的是將XML格式的EDS，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制格式。存儲(chǔ)與解析XML文檔的方法之一是使用萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟(world wide web consortium，W3C)推薦的文檔對(duì)象模型(document object model，DOM)[11]。DOM通過(guò)提取XML文件中的元素和屬性值，組成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)樹(shù)的操作實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、更新和訪(fǎng)問(wèn)。圖10以SC EDS為例分析解析過(guò)程。

圖10 SC EDS的解析設(shè)計(jì)

文檔樹(shù)中保留了XML文件中元素名之間以及元素名與屬性值之間的層次歸屬關(guān)系。從根節(jié)點(diǎn)出發(fā)，一級(jí)子節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)地址和SC EDS定義項(xiàng)(見(jiàn)表4)，二級(jí)子節(jié)點(diǎn)為SC EDS消息定義詳情(見(jiàn)表5)。采用深度優(yōu)先的遍歷方法，遍歷完成之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，形成系統(tǒng)可識(shí)別的二進(jìn)制EDS文件。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證CAN總線(xiàn)即插即用協(xié)議的合理性。實(shí)驗(yàn)基于CAN總線(xiàn)仿真卡USBCAN-2E-U，共使用三路CAN接口模擬一主兩從。編寫(xiě)了主節(jié)點(diǎn)軟件及界面CANPnP和從節(jié)點(diǎn)測(cè)試軟件CANTest。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖11所示。

圖11 即插即用節(jié)點(diǎn)接入及撤出過(guò)程演示

過(guò)程詳情和結(jié)果分析如下：①?gòu)墓?jié)點(diǎn)1發(fā)送SH EDS；②主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)1發(fā)送SC EDS請(qǐng)求消息；③從節(jié)點(diǎn)1發(fā)送SC EDS；④主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)1交換數(shù)據(jù)，消息的幀頭、類(lèi)型、長(zhǎng)度等信息符合預(yù)期定義，說(shuō)明EDS格式的設(shè)計(jì)是合理的，總線(xiàn)表的構(gòu)建算法能滿(mǎn)足單節(jié)點(diǎn)的加入情況；⑤從節(jié)點(diǎn)2發(fā)送SH EDS；⑥主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)2發(fā)送SC EDS請(qǐng)求消息；⑦從節(jié)點(diǎn)2發(fā)送SC EDS；⑧主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2交換數(shù)據(jù)，觀察先前加入的從節(jié)點(diǎn)1消息的收發(fā)情況沒(méi)有受到影響，說(shuō)明總線(xiàn)表的構(gòu)建算法能滿(mǎn)足多節(jié)點(diǎn)的加入情況；⑨從節(jié)點(diǎn)2發(fā)送下線(xiàn)指令；⑩從節(jié)點(diǎn)2相關(guān)消息全部下線(xiàn)，只剩從節(jié)點(diǎn)1的消息，說(shuō)明總線(xiàn)表的構(gòu)建算法能滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)的撤出情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備級(jí)即插即用需要在它接入的子網(wǎng)內(nèi)部解決識(shí)別和接入的問(wèn)題，而這一點(diǎn)需要按照異構(gòu)子網(wǎng)的不同特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文按照CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了兩次EDS的交換過(guò)程，第一次解決了消息格式的識(shí)別問(wèn)題，第二次解決了總線(xiàn)通信的消息編排問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了接入設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別和正常通信。這種兩次交換EDS的方式有利于適應(yīng)按照不同CAN總線(xiàn)通信協(xié)議設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)接入同一子網(wǎng)。但是仲裁場(chǎng)中地址的定義決定了物理層通信的特征，這限制了SH EDS對(duì)不同協(xié)議地址定義的適應(yīng)性。在CAN總線(xiàn)即插即用協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行了匯聚層和工具鏈的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了協(xié)議的通用性和使用的便利性。