ATM新型CAN信息传递方法

摘要就控制局域网（CAN）现场总线通信系统的普遍用途而论，在处理控制的环境中通常需要它来互联信息。在工业化实时应用系统中互连的CAN节点，采用无线异步传送模式（WATM）可以为全局系统的集成和控制提供有效的作用。本文介绍了一种新型方法，这种方法采用WATM作为一种无线电协议来描述无线CAN网络。使用封装技术来解决从CAN到WATM的映射的问题在此也有所阐述。这种模式的性能分析可以通过采用计算机模拟的OPNET模型的结果来提供。

关键字控制局域网；无线异步传送模式；网络互连；实时控制

1引言

CAN最早是由德国BOSCH公司为解决现代汽车中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通信协议，按照ISO有关标准，CAN的拓扑结构为总线式，因此也称为CAN总线。CAN协议是众多高级通信协议中的一种协议。虽然最初只打算在汽车应用方面使用，但是由于它的高性能和优越特征，它在许多其他工业应用方面也得到了很好的开展。

基于载波侦听多路存取（CSMA/CD）机制并充分使用其优越性的CAN是一种串行通信协议。它经常可以使用于一些应用领域中，这其中包括智能电动机控制、机器人控制、智能传感器/计数器、自动化实验室等。当CAN使用在一些移动/无线领域中，比如汽车、飞机和火车等，它仍然能够在连接节点时提供一种非常高速的通信网络。

异步传送模式（ATM）是一种新的数据传输技术。其特点是统计复用、信元长度固定、虚通道（VP）与虚通路（VC）交换、带宽的动态分配、能综合多种业务。ATM技术和移动通信技术的结合形成无线ATM技术，无线异步传送模式（WATM）实质上是将ATM网上宽带业务延伸至无线移动网，把ATM无缝隙地扩展到移动通信终端。而本文就是研究如何通过无线网络和ATM终端将信息从一个CAN节点（允许使用WATM）传送到另一个CAN节点（允许使用WATM）。

2无线ATM中的CAN总线

2.1控制局域网CAN

早期CAN主要应用于汽车中，目前由于可以通过使用少量的总线带宽，就能够允许以对等和广播的形式执行多点传送通信，因此CAN的应用逐渐延伸到机器和自动化市场。

CAN具有非常多的特点，比如：采用高速串行接口、采用低成本的物理媒介、数据长度较短、具有快速反应时间和高级检错纠错能力等。CAN利用带有冲突检测的载波侦听多路存取(CSMA/CD)机制，使得它的节点可以使用总线技术。当CAN使用一个基于优先权的总线仲裁的过程时，最高优先权的节点将继续传送，不产生任何中断。因而CAN有不可预测的价值，并且CAN网络将在总线带宽方面起关键作用。

CAN协议支持两种报文格式，其唯一的区别是标识符（ID）长度的不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。

图1CAN报文格式

如图1所示，在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位（RTR）组成的仲裁区。RTR位标明的是数据帧还是请求帧，在请求帧中是没有数据字节的。控制区包括标识符扩展位（IDE），IDE指出的是标准格式还是扩展格式，控制区还包括一个保留位（ro），为将来扩展使用，控制区的最后四位用来指明数据区中数据的长度（DLC）。数据区范围为0~8个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查（CRC）。在一帧报文中加入冗余检查位可以保证报文的正确性。接收站通过CRC可判断报文是否有错。应答区（ACK）包括应答位和应答分隔符。发送站发送的是这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收报文。报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。

2.2无线异步传送模式（WATM）

通信发展导致了ATM的数字数据传送技术的发展，这项技术则作为宽带综合业务数字网络（B-ISDN）概念的依据。为了满足QoS最大限度的要求，ATM已经成为国际上认可的集成网络系统。ATM网络是采用固有地定向连接方式，并且具备QoS的保证。ATM提供如下的优越特点，包括灵活性，可测量性，快速的开关，和高效率地运用网络资源对多路技术进行统计的用途。通过一种可升级的方式，它能支持不同的特性。在ATM中，信息以信元方式被传送。我们可以根据单位时间内传送的信元数去计算传输率。53个字节的ATM信元包括48个字节的信息域和5个字节的报头。如图2所示。信元报头包括一个虚通道/虚通路标识符（VCI/VPI），这个标签被应用在多路技术中，用于表示路由地址。这个报头还包含其他4个部分，即通用流量控制（GFC），净荷类型标识（PTI），信元丢弃优先权（CLP）和信头错误校验（HEC）。剩余的48字节的信息段是净荷的数据。

图2ATM信元格式

图3CAN/WATM模型及系统结构

在WATM中，数据链路层的主要作用是提供封装、报头压缩、服务质量(QoS)、自动请求重发（ARQ）技术和正向纠错（FEC）技术。以前被提议的数据链路层打算通过无线点对点链接来实现信元的传送，由于这种方式可能出现很多错误，所以现在我们结合使用有选择性的ARQ和FEC技术。为了具备这些新的功能，这里提出的WATM的信元结构与一个通用ATM网络中的信元结构是有所不同。所以，在无线ATM网络和通用ATM网络之间转换ATM信元是必须的，也是必要的。

WATM网络主要有两种工作模式，即本机模式WATM和IP结束WATM模式。前者所支持的应用比如：通过直接使用WATM实现住宅之间的无线视频传送。另一方面，后者为现有的基于IP的应用提供WATM作为传输技术。所以，后者广泛地用于数据应用方面。在本文中，通过使用WATM，CAN信息被传输在固定的无线CAN节点之间。

虽然现今存在着许多无线技术例如IEEE802.11，HiperLAN/2，HomeRF，Bluetooth和ZigBee等，但是WATM可以选择哪些无线技术来使用呢？满足WATM要求的无线技术必须具有以下几个好处，一是通过ATM中枢可以很容易地集成网络，二是在保证Qos的情况下提供端到端的实时多媒体能力。

2.3采用WATM的远程CAN节点互连方法

在本节中，我们把WATM作为ATM本地网到远程的CAN用户/结点的延伸。在易出错和低带宽的无线媒介下，为了保证进行数据传输的Qos，我们必须利用一个有效的MAC协议，这种协议是基于TDMAD/FDD并能够被WATM使用的。这样做的目的是允许在二个终端节点之间实现无线服务，而这种服务不会影响到其他彼此连接的节点之间的工作（如图3所示）。

在从CAN到WATM的映射机制中，通过使用WATM的激活将CAN节点的信息提取出来。CAN信息的协议数据单位（PDU）被封装在那些通过无线ATM信道传输的ATM信元中。由于一条CAN信息是108位，它能够很容易地适合一条净荷的ATM信元（如图4所示）。通过WATM有目的地激活CAN结点，去掉ATM信元的报头部分，并且从ATM信元的净荷中提取出能够被CAN总线处理或者传递CAN信息。

图4ATM信元中的CAN信息封装

W-CAN的功能模型如图5所示。从CAN到WATM和从WATM到CAN的数据传送过程的流程图如图6所示。这个W-CAN模型包含一个CAN接口实体(CAN-IE)，一个WATM接口实体（WATM-IE），一个W-CAN查寻表(W-CAN-LT)，一个CAN学习、过滤和解释实体（CAN-LFTE），一个WATM过滤和解释实体（WATM-FTE）和四个先入先出（FIFO）缓存器。而FIFO缓存器的主要功能是将CAN/WATM信息/信元格式转换和接收/发送信息。

CAN接口实体(CAN-IE)不仅给CAN总线提供信息，而且还具有一台总线接收器和发送器。另一方面，如果FIFO4从WATM-FTE收到一条CAN信息，则它就可把这条信息传递给CAN总线。

WATM接口实体(WATM-IE)可以为无线通信媒体提供必要的作用，并且还具有一台无线接收器和发送器。另一方面，如果FIFO3从CAN-LFTE收到一条WATM信元，则它将对无线媒体广播这条信元。

FIFO1缓冲器主要用于存储CAN信息，而FIFO2缓冲器主要用于存储从CAN-IE和WATM-IE传送过来的WATM信元。

W-CAN查寻表(W-CAN-LT)用于处理基于报文的CAN在WATM之上的通信的优先权。在一个学习过程(W-CAN-LP)的开始阶段它就被创建，每一个W-CAN找出它自己附上的CAN节点的本地信息和来自其它W-CAN的远程信息，然后将具有一定优先权的信息同相关的W-CAN联系在一起。

CAN学习、过滤和解释实体(CAN-LFTE)具有支持W-CANLP的特点，基本上，在W-CAN-LT中使用的每一条CAN信息标识符都会被校验是否适合本地或远程CAN结点。在这个预制的W-CAN-LT中，如果一条CAN信息标识符有相应的匹配的话，那么这条CAN信息标识符就被封装在WATM信元中，并且被发送到FIFO3缓冲器中。否则，由于它是一条本地信息，它就会被过滤掉。

WATM过滤和解释实体(WATM-FTE)先从WATM-IE提供的WATM信元中析取CAN信息。然后搜索W-CAN查寻表（W-CAN-LT），查找与之相匹配的一条CAN信息标识符。如果找到了相匹配的标识符，那么这条CAN信息就被发送到FIFO4缓冲器中。否则，它也会被过滤掉。

由于在CAN信息领域中需要通信，所以不同种类的实时应用通信需要考虑到ATM机QoS的支持。通过ATM网络传输实际数据之前，例如，关于不同种类的CAN数据通信量，可用比特率(ABR)的通信被多路传输到ATM适配层3/4(AAL3/4)连接，而恒定比特率(CBR)的通信被多路传输到ATM适配层1连接。

（a）从CAN到WATM的数据传送流程图（b）从WATM到CAN的数据传送流程图

图6CAN与WATM数据互传的流程图

3计算机模拟仿真

如图7所示的模拟模型即是表示了CAN节点如何在ATM网络中进行存取数据，这种无线模块可以采用一种网络仿真模块OPNET9.0来进行仿真模拟结果。网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型,并模拟网络流量的传输,从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。由于仿真不是基于数学计算,而是基于统计模型，因此，统计复用的随机性被精确地再现。

图7模拟模型

本次模拟仿真是基于两个不同的应用系统源D和V在CAN节点与CAN总线上进行数据传送的性能比较。这些节点都可以通过WATM链路连接到ATM中枢上，且进行数据传送。一个标准的网络仿真软件OPNET9.0提供了一个比较齐全的基本模型库，包括：路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备、ISDN设备等，而这些模型库正好可以满足以上模拟仿真所需要的条件。如图7所示，模型使用8个CAN节点，两个允许使用WATM的CAN节点，又称为BS（基站），两个AP，一个ATM终端，一个ATM交换机。在这种拓扑结构中，远端的CAN节点（允许使用WATM）可以通过无线ATM网络和AP与另一端的CAN节点（允许使用WATM）进行数据交换。

表格1列出了两种系统源的模拟参数，而图8则显示了两种系统源的信元延迟平均量和变动量曲线图。从图8中，我们可以清楚地看到两种系统源的信元延迟平均量（ACD）和信元延迟变动量（CDV）的不同。系统源D的信元延迟平均量主要是在6到22ms之间波动，而系统源V的信元延迟平均量则是在2到7ms之间波动。

表格1模拟参数

应用系统源D5000a千字节/小时

应用系统源V10000a千字节/小时

上行线路位速率50千比特/秒

ATM连接的可用比特率峰值信元速率=100千比特/秒

最小信元速率=0.5千比特/秒

初始信元速率=0.5千比特/秒

ATM连接的非实时可变位速率峰值信元速率=100千比特/秒

可持续信元速率=50千比特/秒

最小信元速率=0.5千比特/秒

图8两种系统源的信元延迟平均量和变动量曲线图

图9显示了CAN节点的流入负荷与信元延迟平均量的关系。在图中，我们可以清楚地看到流入负荷的增加从而可以导致两种系统源信元延迟平均量的上升。

图9CAN节点的流入负荷与信元延迟平均量关系图

4结论

这篇文章主要讲述了一种可以应用于无线ATM中的CAN信息传递方法——采用WATM技术来进行传送信息量。在工业公司中，采用这种方法可以非常容易地控制远端CAN节点。

在这篇研究中，不同数据类型的信息量均可以通过无线网络和ATM终端从一个CAN节点（允许使用WATM）传送到另一个CAN节点（允许使用WATM）。使用封装技术的CAN与WATM之间的映射对于CAN节点（允许使用WATM）和ATM网络互连技术有非常重要的作用。模拟仿真的结果显示不但不同类型的CAN系统信息量能够通过WATM进行传送，而且还能够为使用者提供所需的服务质量。

参考文献

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