基于雙網分流的工程機械設備數據網絡構架研究

楊 棟 陳小華 熊 俊

三一智能控制設備有限公司，長沙，410100

0 引言

隨著電子信息技術的迅速發展和工程機械監控的日益智能化，客戶對監控系統的實時性、準確性、大數據量傳輸及底層信息共享等提出了更高要求［1］。CAN總線在數據通信中具有突出的可靠性、實時性、靈活性及強抗干擾性，廣泛應用于底層控制設備之間的數據通信，但其通信速度不高，且吞吐量有限，已不能很好地滿足工程機械智能化程度日益增高、部件數量日益增多的應用需求；此外CAN總線通信距離有限，且難以接入Internet，無法使底層控制設備信息得到很好共享和利用。以太網具有較長的通信距離和較高的通信速率，且能方便地接入Internet，在信息量需求大的上層管理網絡和過程監控網絡中應用廣泛。但傳統以太網無法保證數據傳輸的實時性要求，且單點故障容易擴散，從而造成整個網絡系統的癱瘓；此外，工業以太網魯棒性和抗干擾能力都不高，很難適應環境惡劣的工業現場［2］。

基于以上問題，本文結合CAN總線和以太網的優點，構建了一種CAN網和以太網技術相結合的雙網分流網絡架構（couble nets sharing architecture，DNSA），重點對以太網鏈路層協議進行了改進，簡化了通信協議，實現了CAN與以太網的無縫對接。實驗證明，DNSA在保證數據低丟包率的同時，能很好地實現監控網絡間的資源共享和利用。

1 網絡構架

1.1 傳統架構

傳統的監控系統采用CAN總線進行通信，通信網絡可分為現場設備層、控制層和遠程管理層。現場設備層主要完成現場設備的數據采集和控制命令的執行，控制層主要完成現場設備數據的處理、上傳及將監控主站命令下達至現場設備層，遠程管理層主要指監控主站。遠程管理層和控制層間通過無線網絡進行通信，典型的網絡結構如圖 1所示［3］。

每個被監控的設備部件包括一個或多個傳感器，傳感器采集設備部件的壓力、溫度和伸縮量等數據；分布式控制器將采集到的現場數據處理后將結果傳至CAN總線，供CAN總線上其他設備使用；某些帶有CAN通信結構的部件（如傾角傳感器和發動機）等可直接連接在CAN總線上；主控制器從CAN總線收集所需信息，完成某些預定的處理功能，將結果輸入給HMI設備和遠程設備；HMI設備主要用于顯示現場數據及響應現場輸入命令；遠傳設備是遠程管理層和控制層的接口，主站和遠傳設備間可通過無線網絡或Internet進行通信。操作人員命令通過HMI設備或主站經主控制器、CAN總線下發至分布式控制器，各分布式控制器通過執行器對設備部件執行用戶命令，如油缸位移調整、診斷性保護等。

傳統的網絡通信架構結構簡單，成本低，系統可靠性高，但吞吐量低。隨著部件信息、智能化需求的提高及部件數量的日益增多，傳感器、執行器、分布式控制器和主控制器等形成大量數據，吞吐量有限的CAN總線顯然已很難滿足工程需求。以太網數據傳輸效率高，能彌補CAN總線在吞吐量低的缺陷，且能很好地實現監控單元間及監控單元與遠傳計算機間資源共享［4］。本文結合CAN總線和以太網優點，構建了適合工程機械現場數據通信的DNSA架構。

1.2 DNSA架構

DNSA構架的核心思想是根據數據量和數據的重要性進行分類傳輸。對于實時性要求高或數據量不大的數據（如傳感器數據、執行器數據等），通過CAN總線進行傳輸，以保證傳輸的可靠性和實時性；對于實時性不高或數據量大的數據（如設備程序文件、視頻流數據和主控制層診斷數據等），則通過工業以太網傳輸，以保證大數據量通信。DNSA架構如圖2所示。

DNSA數據傳輸構架由CAN總線和以太網兩部分組成。在整個傳輸網絡中，主控制器相當于大腦，通過以太網獲得執行部件及傳感器等設備信息，同時結合其他監控信息如圖像監控信息、防撞監控信息等，綜合監控整個系統的運行。分布式控制器協助主控制器完成單元控制功能。以太網具有很好的資源共享能力，可直接與Internet相連，實現工業現場和監控主站網絡資源共享。人機接口界面用于顯示系統的實時參數及用戶指令下達。對于某些自帶CAN傳輸功能且實時性要求高的設備（如傾角傳感器、旋轉編碼器等），直接放在CAN總線上進行處理，因CAN總線負載率有限，對于實時性要求不高，或需數據量較大的數據，可以放在以太網上進行傳輸。

圖2 DNSA數據傳輸構架

交換機用于完成以太網各節點的數據交換及CAN總線和以太網數據交互。單純CAN總線和以太網在工業控制領域應用已相對成熟，因此DNSA架構的最大難點在于CAN總線－以太網對接模塊的設計和實現。該模塊放在交換機中，下面將重點對此進行研究。

為了使雙網數據對接，必須在以太網和CAN總線之間必須加入互聯網關，如圖3所示。

圖3 DNSA網關硬件結構框圖

DNSA網關是本架構的核心，負責從接收到的鏈路層數據幀中解析出完整的CAN協議報文，并通過CAN控制器組幀后發送到CAN總線；同時，也可將收到的CAN協議報文打包成數據幀，通過以太網控制器發送到以太網上。因為以太網比CAN總線傳輸速度快，所以在處理器里應該開辟一塊緩存區。從以太網傳至CAN總線的數據大多為執行命令，數據包不會很大，根據實際工程需求，緩存區大小設為1MB。1MB以內的數據，先在緩存區中全部保存完后再發送至CAN總線。理論上，1MB之內的數據不可能出現丟包現象。來自CAN網絡的數據，同樣存儲在緩存區中，根據預先設定的CAN包數組成以太網幀進行發送。

2 網絡傳輸協議

2.1 傳統協議

2.1.1 CAN總線協議

CAN總線是目前應用最廣泛的現場總線之一，通信距離最遠可達10km（速率低于5kbit／s），速率可達到1Mbit／s（通信距離小于40m）。本文以CAN2.0B版本協議定義的擴展數據幀為例對CAN幀格式進行說明。標準數據幀格式如圖4所示。

圖4 標準數據幀格式

標準數據幀由1bit的幀起始，然后是32bit仲裁場、6bit控制場、0～64bit數據場、16bit循環冗余碼CRC場、2bit應答場，最后以7bit幀結尾。如果數據位全填滿，則CAN幀長為128bit。

傳輸時延是指一個站點從開始發送數據幀到數據幀發送完畢所需要的全部時間，是衡量通信網絡質量的一個重要指標。假設從節點a到節點b傳輸L字節（B），鏈路傳輸速率為Rbit／s，B為負載率，幀長為F，有效載荷為m，則傳輸幀數N為

其中，［8L／m］表示對［8L／m］取上整。為計算方便，本文將其約等于8L／m，m取CAN總線最大載荷64bit。傳輸時延t為

對于CAN總線，F為128bit，R 為1Mbit／s。CAN總線負載率常在60%以下。當總線負載率超過40%，系統性能將惡化，當總線負載率超過60%，系統將不再穩定［5］，所以選用60%負載率，代入式（2）得

2.1.2以太網協議

Ethernet II和IEEE802.3是局域網中最常見的以太網，本文選用用更適合工程機械的大數據量傳輸的Ethernet II協議，EthernetII鏈路層幀格式如表1所示。

表1 以太網鏈路層幀結構

前同步碼的前7B值都為10101010，用于“喚醒”接收適配器，第8個字節為10101011，第8個字節的最后兩個1，通知主機接下來字節為目的地址；目的地址為6B，該字段包含目的設備的MAC地址；源地址占6B，該字段包含傳輸該幀到局域網上源設備的MAC地址；類型字段允許以太網復用多種網絡層協議，目的設備根據類型判斷該將數據字段傳輸給哪層，并根據哪種協議類型進行解析；循環冗余檢測（cyclic redundantcy check，CRC）用于檢測幀中是否引入了差錯。數據字段為以太網幀的有效載荷，對于傳統的以太網幀，數據字段為IP數據報，IP數據報格式如表2所示。

表2 IP數據報

IP數據報網絡層為IPV4、IPV6等協議，首部至少為20B，傳輸層為TCP等協議，首部占20。

設一幀全部填滿，則幀長F為1526B，以太網速率取10Mbit／s，有效載荷為數據長度為1460B，負載率也取60%，根據式（2），可得傳輸延時如下：

從表2可以看出，傳統以太網的數據填充位包括網絡層首部、傳輸層首部，假設網絡層采用IPV4，IP數據報首部有20B（假定無選項），假設傳輸層采用TCP協議，TCP首部有20B。應用層采用HTTP文件傳輸協議。網絡層、傳輸層占用至少了40B，浪費了帶寬。為提高帶寬利用率，簡化以太網模型，可去掉各層首部，將網絡層、傳輸層和應用層壓縮為一層，即將模型簡化為物理層、鏈路層和應用層。此時有

CAN總線和以太網是兩種截然不同的通信方式，為實現二者融合，必須對傳輸協議進行改進，為此本文提出率DNSA協議，用于CAN總線和以太網的對接。

2.2 DNSA協議

DNSA協議是DNSA架構中以太網和CAN總線的對接協議，組幀及解析均由圖2中交換機中的以太網－CAN總線對接模塊實現。其核心思想是將CAN幀填充至以太網協議中的數據段進行傳輸；為提高帶寬利用率，將傳統以太網的網絡層首部和傳輸層首部全部取消。因為此協議為用戶自定義傳輸協議，為使該類型幀在以太網上傳輸而不影響現有協議幀的正常傳輸，必須避開已有以太網幀類型碼［6］，此處將類型定義為0x9931。以太網－CAN總線對接協議組幀規則如下：幀頭和幀尾和傳統以太網相同，數據字段由數據包數和C個數據包組成，如表3所示。其中，1≤c≤C，m1，m2，…，mc為每個數據包對應的CAN包數。

表3 數據字段格式

用戶可將數據分成不同數據包進行傳輸，同一幀數據可同時傳輸多種類型數據。該協議允許一幀數據傳輸不同類型的CAN數據，每個數據包中的CAN包類型必須相同，不同數據包的CAN包類型可以不同。以第一個數據包為例說明數據包字段的組成情況，如表4所示。

表4 數據包字段格式

因為CAN幀由4B的CANID和8B的CAN數據場組成，所以此處為CAN包分配12B長度，CAN包格式如表5所示。

表5 CAN包格式

CAN包用于定義設備部件的屬性值。CANID的前2B用于表示設備類型，后2B表示部件類型，8B的CAN數據中，前2B用于表示屬性類型，保留2B，后4B表示故障數據類型。

設備類型用于識別主機類型，如挖掘機、起重機等，設備及相應的類型如表6所示。

表6 設備類型碼

部件類型碼用于識別機械部件，如發動機、油缸等，部件類型碼如表7所示。

表7 部件類型碼

屬性類型碼為數據本身代表的物理含義，如溫度、濕度等，屬性類型碼如表8所示。

表8 屬性類型碼

如果CAN包為0x0001 0001 0000 0000 1E，則表示起重機油缸溫度為30℃。在組幀和解析CAN包時需查詢設備類型碼、部件類型碼及屬性類型碼表。定義一個結構體用于描述設備、部件和屬性類型，結構體包括類型名稱和類型碼兩個屬性。系統初始化時，構建設備類型、部件和屬性三個結構體鏈表，根據類型碼從小到大排列。

當從以太網接收到數據包，以太網通信模塊對數據包進行分析，如果類型為0x9931，則認為該數據報正確。取出數據段，根據協議進行解析，取出CAN包數據填充CANID和CAN數據，通過CAN控制器發送到CAN總線。數據從以太網傳至CAN網的流程如圖5所示。

圖5 以太網至CAN總線傳輸

若從CAN總線接收到數據，則將若干個CAN包組成數據包，把若干各數據包填充至以太網數據填充位，從而組成以太網幀，由以太網控制器發送到以太網上，具體流程如圖6所示。

圖6 CAN總線至以太網傳輸

3 工業應用與性能分析

為驗證DNSA的有效性，我們將其用于泵車監控系統，以其中的臂架姿態控制為例進行說明。遠傳設備采用三一移動終端，HMI設備采用三一顯示屏，交換機包含DNSA網關，此處的分布式控制器為油缸控制器。圖7所示為DNSA用于泵車監控系統。

傾角傳感器采集的臂架角度數據和旋轉編碼器采集的轉塔角度數據經CAN總線傳輸至交換機，交換機中的DNSA網關將此CAN數據轉為以太網數據傳輸至主控制器，主控器接收到角度信息，并依此計算達到臂架目標姿態所需各節臂油缸的運動過程，將運動過程傳給分布式控制器，分布式控制器用接收到的命令控制比例閥開關，從而控制油缸伸縮，壓力傳感器可實時采集油缸出油口等位置壓力，作為分布式控制器對油缸平穩運動的判定依據。油缸信息也可根據用戶需要經以太網傳輸至交換機，交換機將以太網數據轉為CAN數據傳給發送機等部件。主控制器也可直接將某些實時性要求高的命令通過以太網、交換機和CAN總線傳回給執行器，如臂架運動過程，主控制器如果發現臂架處在即將碰撞的安全范圍外，將通過CAN總線強制停止發動機。

圖7 DNSA用于泵車監控系統

通過式（3）和式（5）可以分別求CAN總線和以太網傳輸延時，對比結果如圖8所示。

圖8 CAN和以太網傳輸延時

從圖8可看出，在相同負載率下，以太網傳輸延時明顯低于CAN總線，以太網傳輸速率可到100Mbit／s以 上，而 CAN 總 線 在 傳 輸 速 率1Mbit／s時速度基本達到了上限。因此說明以太網在大數據量傳輸時更占優勢。

為驗證DNSA的有效性，下面對CAN總線和以太網間的通信丟包率進行測試。以太網到CAN總線發送數據分為600B、2kB、5MB三組，緩存區大小為1MB，發送次數為1000，丟包率如表9所示。

表9 以太網至CAN丟包率測試

在600B和2kB情況下，丟包率為0；在5M情況下，因為緩存區小于以太網所發數據包大小，而以太網發送速率遠遠大于CAN總線發送速率，所以會產生比較嚴重的丟包現象。CAN總線至以太網根據表10所設參數及分組進行測試。因為CAN總線速度小于以太網速度，所以從CAN總線至以太網基本上不會出現丟包現象。

表10 CAN總線至以太網丟包率測試

對于丟包，可從如下幾方面做改進：①提高數據接收處理線程優先級；②對于數據完整性要求高的CAN設備采用一對一連接；③在應用層加入應答重傳機制；④從總線拓撲角度，尋找最優布置線路方案。

實際工程應用中，主要是將底層數據通過CAN總線傳送至以太網，而以太網至CAN總線傳輸的是主控制或其他分布式控制器下發的一些控制命令，很少出現1MB以上的文件，所以本設計能很好地滿足工程需求。

4 結語

本文結合CAN總線可靠性高和以太網吞吐量大、資源共享能力強等優點，建構了一種適合工程機械控制領域的DNSA構架，重點對CAN總線和以太網的對接模塊進行了研究，同時從網關設計及傳輸協議上進行了改進。實驗證明，該網絡結構丟包率低，能很好地滿足工業現場多部件、智能化、高可靠性和高實時性的通信需求。

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