基于增強型海明碼的CAN總線實時性研究

李文祥，周小軍,，亢 超，管恒睿，何加橋

(1.中國科學技術(shù)大學南京天文儀器研制中心，安徽合肥 230026；2.中科院南京天文儀器有限公司，江蘇南京 210042)

0 引言

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)因其較強的抗干擾能力、穩(wěn)定性和靈活性被廣泛應用在工業(yè)自動化、船舶等領(lǐng)域[1-4]。CAN總線協(xié)議使用循環(huán)冗余校驗碼(CRC)作為每幀內(nèi)容的錯誤檢測方法，該方法在數(shù)據(jù)幀中占據(jù)固定位數(shù)，無法根據(jù)數(shù)據(jù)段所占位數(shù)動態(tài)調(diào)整，限制了CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸幀率的提高，致使CAN總線協(xié)議無法適用于一些對于實時性要求較高的領(lǐng)域。因此，進一步提高CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸幀率具有十分重要的研究意義。

近年來，國內(nèi)外有大批學者對CAN總線協(xié)議進行了相關(guān)研究。劉承智[5]等通過減少標準符，增加數(shù)據(jù)位等措施，提高了CAN總線的幀利用率，但卻占用了原有的仲裁場作為數(shù)據(jù)位，導致系統(tǒng)可用的ID較小；王瑞峰[6]等利用動態(tài)優(yōu)先級算法重新設(shè)計數(shù)據(jù)幀格式，降低了節(jié)點的最大時延，提高了CAN總線的實時性，但該方式應用不便且在靈活性上有所缺失；Juan[7]等提出一種模擬的CRC編碼器與解碼器作為CAN總線的錯誤檢測方法，該方法可以根據(jù)字節(jié)數(shù)動態(tài)調(diào)整CRC的位數(shù)，但卻增加了數(shù)據(jù)幀位數(shù)，降低了數(shù)據(jù)傳輸幀率。

鑒于此，本文提出一種增強型海明碼來替代CAN總線協(xié)議中的循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。增強型海明碼既保留了傳統(tǒng)海明碼自動糾錯的優(yōu)點，又新增狀態(tài)碼對信息碼和校驗碼進行分類校驗，提高了CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸幀率。同時，相較于CRC，增強型海明碼占據(jù)位數(shù)更少，并且能夠根據(jù)字節(jié)數(shù)動態(tài)調(diào)整位數(shù)，提高了CAN總線在多字節(jié)情況下的誤碼檢測能力。最后，本文基于CAN2.0A協(xié)議對CRC、傳統(tǒng)海明碼、增強型海明碼進行數(shù)據(jù)通信實驗，驗證了使用增強型海明碼的CAN總線協(xié)議的傳輸幀率和誤碼檢測能力。

1 CAN總線實時性分析

CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)幀有2種格式：標準幀和擴展幀，這2種格式除了仲裁段的長度不相同其他都相同[8-9]。本文以標準幀為例，對CAN總線實時性進行分析。標準數(shù)據(jù)幀由7個不同的段組成：幀起始(SOF)、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段和幀結(jié)尾(EOF)，各段詳細分布及所占位數(shù)如表1所示。

表1 CAN2.0A標準數(shù)據(jù)幀位數(shù)分配 bit

從表1可以看出，CAN總線協(xié)議使用CRC校驗作為每幀內(nèi)容的錯誤檢測方法[10-11]。CRC校驗是一種基于誤碼重傳機制的數(shù)據(jù)校驗碼，被廣泛應用于各種通信網(wǎng)絡(luò)中，以提供廉價而有效的錯誤檢測能力。對于CAN總線的數(shù)據(jù)幀位，CRC段已經(jīng)占據(jù)了固定的15位，如果這15位可以調(diào)整為更少的位數(shù)，或者可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)長度進行自動調(diào)整，則有助于提高整個CAN總線通信的傳輸幀率及誤碼檢測能力。CAN總線的傳輸幀率可以使用波特率除以幀位總數(shù)來求得，計算公式如下所示：

(1)

式中：FR為傳輸幀率，幀/s；BR為控制器的波特率，bit/s；FFB為每幀所占位數(shù)，bit。

海明碼使用較少的校驗碼來檢測多字節(jié)數(shù)據(jù)并自動糾正一位數(shù)據(jù)碼[12-13]，對于數(shù)據(jù)幀中最大位數(shù)的64位數(shù)據(jù)段也僅需要7位校驗碼，從而可以有效的提高CAN通信的傳輸幀率和對多字節(jié)數(shù)據(jù)的誤碼檢測能力。

2 增強型海明碼計算原理

本文基于傳統(tǒng)海明碼提出一種增強型海明碼。與傳統(tǒng)的海明碼相比，增強型海明碼新增狀態(tài)碼對校驗碼和信息碼進行預先分類校驗，從而提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。增強型海明碼的計算原理如下。

首先，需要根據(jù)信息碼求得所需校驗碼位數(shù)。在海明碼中，校驗碼被添加到信息碼中組成新的N位碼字，按照1到N的序列排列，并滿足如下關(guān)系：

N=d+p≤2p-1

(2)

式中：d為信息碼；p為校驗碼。

由式(2)可以計算出不同位數(shù)的信息碼與所需校驗碼位數(shù)的關(guān)系，具體的對應關(guān)系如表2所示。

表2 不同位數(shù)的信息碼與所需校驗碼位數(shù)的關(guān)系 bit

求解出所需校驗碼位數(shù)后，還需要確定校驗碼的位置以及取值(本文均以8位數(shù)據(jù)10011110為例)。校驗碼的位置遵循一定的規(guī)律，必須安插在2n位，即第1、2、4、8位[14]。然后需要確定各個校驗碼的取值，每個校驗碼的取值都代表了碼字中對應數(shù)據(jù)位的奇偶性，總的原則是從第i位校驗碼所在的當前位開始，連續(xù)校驗n(n為第i位校驗碼所在位數(shù))位后再隔n位繼續(xù)校驗，以此類推。校驗碼的求解可以由式(3)～式(6)得出，默認采用偶校驗。由式(3)～式(6)可以求得校驗碼p1p2p3p4=0011，則新的碼字為001100111110。

p1=d1?d2?d4?d5?d7

(3)

p2=d1?d3?d4?d6?d7

(4)

p3=d2?d3?d4?d8

(5)

p4=d5?d6?7?d8

(6)

新增校驗碼P和校驗碼D，校驗碼P、D可以通過新增式(7)、式(8)計算得到，即P=0，D=1。

P=p1?p2?p3?p4

(7)

D=d1?d2?d3?d4?d5?d6?d7?d8

(8)

再新增狀態(tài)碼SP、SD對p1p2p3p4和d1～d8進行校驗，狀態(tài)碼SP、SD可以通過新增式(9)、式(10)計算得到，即SP=0，SD=0。

SP=P?p1?p2?p3?p4

(9)

SD=D?d1?d2?d3?d4?d5?d6?d7?d8

(10)

最后，將校驗碼與信息碼進行分組處理，分組情況見式(11)～式(14)。由于采用偶校驗，若碼字傳輸過程中沒有出現(xiàn)錯誤，則各狀態(tài)碼的校驗結(jié)果應該為0，即S4S3S2S1=0000；否則，對應的狀態(tài)碼會變?yōu)?[15]。通過分析式(11)～式(14)可以得到位數(shù)和狀態(tài)碼之間的對應關(guān)系，具體的對應關(guān)系見表3。

S1=p1?d1?d2?d4?d5?d7

(11)

S2=p2?d1?d3?d4?d6?d7

(12)

S3=p3?d2?d3?d4?d8

(13)

S4=p4?d5?d6?d7?d8

(14)

表3 位數(shù)與狀態(tài)碼的對應關(guān)系

表3中，▲表示校驗碼所在位只是由對應的校驗碼進行校驗；√表示所在位至少由2個校驗碼進行校驗。此時，對于接收到的碼字分3種情況處理。

(1)單個信息碼出錯。例如：發(fā)送的碼字為001100111110，接收到的碼字為001100011110，即第7位d4出錯。

則Sp=0，p1p2p3p4=0011；SD=1，S4S3S2S1=0111(即十進制7)，表示校驗碼無誤，信息碼出錯，且可知是第7位d4出錯，然后對其取反糾正。

(2)單個校驗碼出錯。 例如：發(fā)送的碼字為001100111110，接收的碼字為011100111110，即第2位p2出錯。

則SP=1，p1p2p3p4=0111；SD=0，S4S3S2S1=0010(即十進制2)，表示校驗碼出錯，信息碼無誤。因此可不用檢測或者糾正校驗碼，直接提取信息碼并接收。

(3)單個校驗碼和單個信息碼同時出錯。例如：發(fā)送的碼字為001100111110，接收的碼字為011100011110，即第2位p2和第7位d4出錯。

則SP=1，p1p2p3p4=0111；SD=1，S4S3S2S1=0101(即十進制5)，出現(xiàn)定位誤碼出錯的情況。結(jié)合狀態(tài)碼SP和SD可知，至少有2個位出現(xiàn)錯誤，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)糾正，可直接重傳碼字。而傳統(tǒng)海明碼在此情況下只會根據(jù)狀態(tài)碼S4S3S2S1=0101，將正確的信息碼改錯，造成數(shù)據(jù)糾正錯誤。

由上述分析可知，本文提出的增強型海明碼相比于傳統(tǒng)海明碼有如下幾個特點：增強型海明碼仍保留傳統(tǒng)海明碼的優(yōu)點，可對單個錯誤進行檢測并糾正；在只有校驗碼出錯的情況下，可直接提取信息碼，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率；對于特定情況下的多位錯誤，可避免校正出錯的情況，提高對誤碼的檢測能力。

3 實驗結(jié)果

3.1 發(fā)送端編碼

對發(fā)送端編碼進行算法分析，根據(jù)增強型海明碼的計算原理可知，首先通過式(2)根據(jù)所要發(fā)送的字節(jié)數(shù)計算出所需校驗碼的個數(shù)，然后按照上述插入原則將校驗碼安插到2n處，再通過式(3)～式(6)計算出校驗碼的取值，最后將計算出的校驗碼放置在CAN總線協(xié)議中，替換掉CRC。具體算法流程圖如圖1所示。

圖1 發(fā)送端編碼流程圖

3.2 接收端解碼

接收端的算法分為2個部分：解碼和糾錯。接收端在接收到碼字后，在特定位置獲取所有校驗碼，然后根據(jù)式(9)、式(10)和式(11)～式(14)求解出SP、SD、S3、S2、S1的值，然后再分類進行處理。具體算法流程圖如圖2所示。

圖2 接收端解碼糾錯流程圖

3.3 性能測試

在兩塊STM32F103ZET6微處理器之間進行數(shù)據(jù)傳輸實驗，分別使用CRC校驗、傳統(tǒng)海明碼以及增強型海明碼的CAN2.0A協(xié)議來測試數(shù)據(jù)傳輸幀率。其中一塊STM32F103ZET6開發(fā)板作為主機發(fā)送數(shù)據(jù)，另一塊開發(fā)板作為從機接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)回送給主機。同時，主機將兩者通信結(jié)果通過串口實時發(fā)送至計算機并進行顯示，CAN2.0A協(xié)議通信實驗設(shè)備如圖3所示。

圖3 CAN2.0A通信實驗實物圖

在125 kbps的波特率下，分別測試了CRC校驗、傳統(tǒng)海明碼以及增強型海明碼對于8位到64位數(shù)據(jù)段的傳輸幀率，實驗結(jié)果見表4。由表4可知，使用傳統(tǒng)海明碼作為CAN總線的數(shù)據(jù)檢測方法，可有效提高CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸幀率。相較于CRC，其傳輸幀率平均提高13.65%；此外，由于增強型海明碼的預先分類校驗機制，進一步提高了CAN總線的傳輸幀率，其傳輸幀率相較于傳統(tǒng)海明碼平均提升8.76%左右，相較于CRC校驗平均提升23.58%。

表4 CRC、傳統(tǒng)海明碼、增強型海明碼傳輸幀率

此外，為了驗證使用增強型海明碼作為錯誤檢測方法的CAN總線協(xié)議的誤碼檢測能力，在發(fā)送端對組成的新碼字進行更改，在新碼字中隨機改變一位或多位信息碼、校驗碼。然后在8位到64位數(shù)據(jù)段的情況下，分別對CRC、傳統(tǒng)海明碼以及增強型海明碼的誤碼檢測能力進行測試，測試結(jié)果如圖4所示。分析圖4可知，在8位到64位數(shù)據(jù)段的范圍內(nèi)，增強型海明碼的誤碼檢測能力普遍要高于傳統(tǒng)海明碼，整體的誤碼檢測能力平均提高了4.63%。相較于CRC校驗，當數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)小于6個字節(jié)時，CRC校驗的誤碼檢測能力高于傳統(tǒng)海明碼和增強型海明碼，但當數(shù)據(jù)段超過6個字節(jié)后，傳統(tǒng)海明碼和增強型海明碼的誤碼檢測能力高于CRC校驗。其中，在6至8個字節(jié)情況下，傳統(tǒng)海明碼的誤碼檢測能力比CRC平均高出3.93%；增強型海明碼的誤碼檢測能力比CRC平均高出8.83%。在多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時造成如此大的差距，主要是因為15位的CRC只能有效校驗2個字節(jié)數(shù)據(jù)，對于超過2個字節(jié)的數(shù)據(jù)則無法做到完全校驗。

圖4 CRC、傳統(tǒng)海明碼和增強型海明碼誤碼檢測能力對比

4 結(jié)束語

為了進一步提升CAN總線協(xié)議的實時性，本文提出一種新型校驗方法即增強型海明碼，并將其應用于CAN總線技術(shù)中。實驗結(jié)果表明，增強型海明碼相較于CRC校驗能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸幀率，在6～8 Byte的傳輸情況下，增強型海明碼的誤碼檢測能力也要優(yōu)于CRC校驗。但增強型海明碼也有其局限性，由于海明碼的內(nèi)部算法機制，增強型海明碼只能檢測和糾正1位錯誤，無法檢測和糾正任意情況下的多位錯誤。因此，基于增強型海明碼的CAN總線協(xié)議可適用于實時性要求高、多字節(jié)傳輸且擾動少的工業(yè)領(lǐng)域。