MVB与CAN总线协议转换的研究与实现

１８　ＭＶＢ与ＣＡＮ总线协议转换的研究与实现　ＭＶＢ与ＣＡＮ总线协议转换的研究与实现　谢　芳　同济大学电子与信息学院（２００３３１）　ＡｂｓｔｒａＣｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＭＶＢ　Ｂｕｓ　ａｎｄ　ＣＡＮ　Ｂｕｓ，ａｄ—　

ｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｉｔｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ。ｈａｒｄｗａｒｅ　ｂｌｏｃｋ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｄｉｓａｃｃｏｒｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ　Ｓ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｓ　ｅｍｐｈａｓｉｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｅｌｄＢｕｓ，ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＭＶＢ，ＣＡＮ　ｇａｔｅｗａｙ　摘　要　本文介绍了一种协议转换器，它主要完成ＭＶＢ和ＣＡＮ现场总线之间的协议转换。文中还包括了它的设计思路，硬件框　图和软件设计。对于速率不匹配的处理和应用层协议的转换上，作了重点的阐述。　关键词：现场总线，协议转换，ＭＶＢ，ＣＡＮ网关　

随着技术的进步和市场的需求变化，铁路机车车辆工业对　列车微机控制系统中的车载数据通信网提出了新的要求，期望　建立一个在机车车辆内部及列车和地面控制系统之间交换控制　命令、状态信息、故障诊断及旅客信息等的数据通信网络。为此，　ＩＥＣ制定的列车通信网路国际标准ＴＣＮ（Ｔｒａｉｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）将成为一个标准的数据通信平台。　按照ＴＣＮ标准，列车通信网分为两级，第一级绞线式列车　总线　Ｂ（Ｗｉｒｅｄ　Ｔｒａｉｎ　Ｂｕｓ）实现车辆间的数据通信，第二级　多功能车辆总线ＭＶＢ（Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｂｕｓ）主要实现同　个车辆内各个功能控制单元之间的数据通信。ＣＡＮ总线则主　要完成现场设备间的数据通信。而我们所要做的就是通过协议　转换在ＭＶＢ总线和ＣＡＮ总线之间建立可靠的数据连接。　１　ＣＡＮ总线及ＭＶＢ总线概述　ＣＡＮ是一种多主方式的串行通讯总线，它的ＭＡＣ（媒体访　问控制）是通过非破坏性按位仲裁技术实现的。　ＭＶＢ是一种主从方式的串行通讯总线，是为快速的过程控　制优化的总线，能提供最佳的响应速度，适合用作车辆总线。它　的ＭＡＣ（媒体访问方式）是通过总线主进行轮询实现的。ＭＶＢ　总线中有一个重要的角色就是总线管理器，称为总线主，负责通　信的发起，总线主在每一个特征周期里通过发主帧的方式对进　程数据进行轮询，相应的从设备发送从帧进行真正的数据传输。　２总线之间的协议转换　ＭＶＢ和ＣＡＮ都属于现场总线范畴，既然是现场总线，分层　结构和要求较以太网就会有所不同。具体来讲，由于现场总线强　调的是实时性，以太网强调的是可靠性，所以用于以太网的ＯＳＩ　的７层分层是不优化的。大多数现场总线的分层结构都是ｊ．层：　物理层，数据链路层，应用层。当然也个别的，如ＬＯＮＷＯＲＫＳ、　因此在讨论总线之间协议转换的时候，我们一般不涉及网络层　除了数据链路层的协议转换以外，总线之间的协议转换还包括　了对应用层的协议转换工作。　我们知道应用层定义的针对用户应用的接口协议。在计算　机网络中，我们所涉及到的应用有很多普遍性，从而产生了一些　通用的标准应用层协议，如ＦＴＰ、ＨＴｒＰ等。然而，在现场总线的　应用场合，存在着多样性，针对不同的应用场合，可以产生不同　的应用协议。但是有一点可以肯定，具体现场总线的应用层协议　肯定要比计算机网络的应用　协议简单的多，其主要也是为了　缩短数据包的长度，以体现实时性。　ＭＶＢ有过程数据和消息数据之分，这是ＭＶＢ协议的一大　特色。基于过程数据的网络分层是３层（物理层、数据链路层、应　用层），而基于消息数据的网络分层则有７层（ＯＳＩ　７层），由于　消息数据的复杂性，和较少的应用场合，我们这里只讨论过程数　据，所以也可以将ＭＶＢ视为一个三层协议的网络。　ＣＡＮ的网络分层结构严格来说就只有两层，物理层和数据　链路层，但由于涉及到具体应用，必须需要定义应用层。Ｄｅ—　ｖｉｃｅＮｅｔ就规范地定义了ＣＡＮ总线的应用层，比如说它利用了　ＣＡＮ的１１位标示符，对每一位都作了详细的功能划分，和具体　的表示规范。但由于它涉及的面比较广，从而造成了也比较复　杂。在此，可以借鉴它其中一些适用于具体应用场合的一些定义　来构建自己的应用层协议，如第几位表示单帧或多帧等，甚至还　可以利用数据场的部分字节来做一些应用方面的定义。　为了实现ＭＶＢ—ＣＡＮ的协议转换，需要做以下工作：　１）帧格式的转换（主要是帧字节数大小的不同，帧的编码解　码部分由网卡硬件完成）；　２）应用层的转换（通过一定的形式将ＭＶＢ总线当中表示过　程数据的数据集与ＣＡＮ的１１位表示数据含义的标志符联系　起来，实现透明的传输）；　３）数据传输速率的匹配。　３　ＭＶＢ和ＣＡＮ之间协议转换的实现　３．１帧长度处理及应用层的转换　ＣＡＮ的数据帧中数据场的字节数是８个字节，而ＭＶＢ从　帧中的数据长度为３２字节（取其中一种）。从ＭＶＢ侧传送到　ＣＡＮ侧的数据就需要进行分帧处理，同样从ＣＡＮ侧传到ＭＶＢ　侧的数据也需要按照一定的规则组合成一个ＭＶＢ帧。在这里可　以有两种方案来解决：　第一种我们可以采取建立一种规范（协议）的方式来预先定　义ＭＶＢ的各种变量的含义（应用层的协议），所在端口的端口地　址，长度，以及在端口中数据集的偏移位置等等，而后将这些信　息按照一定的规则和ＣＡＮ侧的帧的标志符等信息对应成一个　表格，这样在ＣＡＮ侧的数据接收就可以借助这个表格来完成。　这样做的优点在于把一些必要的信息（位偏移、长度等）按照约　定的形式来实现共享，那么就不需要再在数据集中分出空间来　传输一些包括长度，和偏移等的信息了。缺点就是用户使用的时　候必须熟读这个表格，在发送端和接收端都要按照表格来编程　以完成数据的传输，且表格一旦生成，就不易产生很大的变动，　灵活性较差。这里的端口指的是一种既可以被总线又可以被应　用处理器访问的一种存储器，它在ＭＶＢ中是用来寻址的，数据　

维普资讯 http://www.cqvip.com 《工业控制计算机））２００４年１７卷第２期　１９　的发送是通过应用将数据放入端口，数据的接收则是从端１３中　取数据放到应用中去。至于端口与端口间的数据拷贝则是通过　主轮询方式，当主节点轮询到需要发送数据的端口（源端口）时，　便产生了从源端口到宿端口（数据接收端口）的数据拷贝。数据集　在ＭＶＢ中其实就是一般的纯数据，之所以称它为集是因为　ＭＶＢ中一帧的数据较长，通常我们就把多个变量的信息放在一　个集中（一个帧中）来传输，这样做较为经济。　第二种我们可以利用ＭＶＢ从帧中的部分字节来表示变量　含义，端口刷新标志等信息，而变量长度和偏移等其他信息则可　以放在表格中通过变量含义来查找获得。只是这里的表格由于　是基于查找方式的，而不是纯粹的规范，所以简单也灵活的多　端口刷新标志是用于标志是否该从宿端口取数据到缓冲区，借　用它我们可以知道宿端口中是不是有新数据。　我们采用的是第二种方式，上面所说的表格其实有两个，一　个是基于ＭＶＢ过程变量含义来查找的，我们称为ＬＩＳＴ１（其人　口参数为ＬＩＳＴ１一ＩＮＤＥＸ），其由以下几个要素组成：ＭＶＢ过程变　量的含义，ＭＶＢ端口地址（宿端口），ＭＶＢ过程变量在数据集中　的偏移地址，ＭＶＢ过程变量长度，ＣＡＮ帧的标志符。另一个表　格是基于ＣＡＮ帧标志符来查找的，我们称为ＬＩＳＴ２（其入口参　数为ＬＩＳＴ２＿ＩＮＤＥＸ），其由以下几个要素组成：ＣＡＮ帧的标志　符，ＣＡＮ帧的长度，ＣＡＮ帧在ＭＶＢ数据集中的偏移地址，ＭＶＢ　端口地址（源端口），ＭＶＢ过程变量含义。　３．２不同的数据传输速率　ＣＡＮ总线的最大数据传输速率是１ＭｂｉＶｓ，而ＭＶＢ总线的　传输速率则是１．５　ＭｂｉＶｓ。由于ＣＡＮ的传输速率是与传输线长　度密切相关，１ＭｂｉＶｓ的速率所支持的传输线长度太短，在实际　应用场合是很难实现的，在较为理想的情况下，传输线总长度仅　为１００ｍ的情况下只能支持５００ｋｂｉＶｓ的传输速率。而ＭＶＢ的　数据传输速率则是定值。所以ＣＡＮ总线与ＭＶＢ总线的数据传　输速率差异是很大的。　传输速率的不一致必然造成数据的积压和丢失。这个问题　可以通过设立数据缓冲区加上一定的机制来解决。那么缓冲区　设多大才比较合适呢？如果设的太大，必然造成资源的浪费，提　升成本，如果设的太小，又容易造成数据的溢出。下面我给出一　个算法来说明缓冲器的大小取值（假定ＣＡＮ侧速率为５００ｋｂｉｔ／　ｓ，传输距离为１０ｏ米，ＭＶＢ侧传输速率为１．５Ｍｂｉｔ／ｓ）。　ＭＶＢ侧：ＭＶＢ有主帧和从帧之分，所以说完成一个完整３２　字节数据帧的传输需要一个报文（一个主帧加一个从帧），主帧的　帧头帧尾再加上从帧的帧头帧尾，还有主帧和从帧的帧间间隔，　加起来一个报文的传输需要２６３１Ｊ，ｓ的时间（具体过程不做计　算），而在ＭＶＢ的一个基本周期中（主帧进行轮训的基本单位，　假设为１ｍｓ）分配给过程数据传输的就只有６５０１ｘｓ，也就是说在　１ｍｓ当中，我最多可以完成两个３２字节完整数据帧的传输，总　共为６４字节。　ＣＡＮ侧：ＣＡＮ侧采用的媒体访问方式本质上是一种类似　于ＣＳＭＡ／ＣＤ的争用方式．只不过加上了一个优先级罢了。争　用期也就是发生了冲突导致无法正常传输有效数据的时段，我　们知道争用期的最大值是４Ｔ（Ｔ是端到端的传播延时）：　ｆ＝２（芯片延时＋收发器接收延时＋收发器发送延时＋电缆造　成的延时）：２（６２．５＋１００＋１ｏ０＋１００　５．５）：１６２５ｎｓ　其中的芯片延时和收发器延时都是固定的，电缆造成的延　时计算如下：电缆传播系数（这里为５．５ｎｓ／ｍ）￥最大传输距离　（１００米）。由上得出最大争用期为＝４ｆ＝４￥１６２５＝６．５１ｘＳ．发送　个数据帧所需的时间＝帧长度／数据传输速率＝１０７ｂｉＶ５００　ｋｂｉＶｓ＝２１４１ｘｓ（这里的帧长度是发送一个完整的数据帧所需的　所有ｂｉｔ，具体见ＣＡＮ协议规范），也就是说完成一个８字节　ＣＡＮ帧的发送所需时间２１４ｐ，ｓ＋６　５１ｘｓ＝２２０．５　ｓ。那么在１ｍｓ　当中，大约可以完成４个８字节的ＣＡＮ帧（即使每帧都遇到最　长的争用期），总共为３２个字节。　由此我们可以看出虽然在速率上ＭＶＢ总线是ＣＡＮ总线　的三倍，相差较大，但是从整个传输的有效ｂｉｔ数来看，ＭＶＢ总　线则是ＣＡＮ总线的两倍，也就是说当网关的ＭＶＢ侧接收了６４　字节数据的时候，同样时间内网关的ＣＡＮ侧只成功地发送了这　６４字节当中的３２字节的数据，剩下的３２个字节还未能发送出　去。因此我们把缓冲区的大小设为３２０个字节（３２字节￥１０个　基本周期），这样的大小能够保证在ＭＶＢ的十个基本周期内，如　果每个基本周期都连续成功发送两个报文给网关节点，而且　ＣＡＮ侧网关节点的优先级始终最高的话，不会产生数据丢失的　情况。当然ＭＶＢ不一定每个基本周期都会发送两个报文这么多　的数据，也不一定全部发向网关节点，所以大小已经足够了。　缓冲区的软件实现采用数据结构中的循环队列结构来实现，　队列有着先进先出的特点，用与作数据缓冲区有其独到优势。而　这里的循环是为了防止假溢出现象而采用的更加优化的结构。　４协议转换器的原理结构　基于开发方便考虑，我们采用一块主控处理器（４８６ＤＸ），来　主持网关两边数据的收发，ＣＡＮ侧我们采用一块宿ＣＰＵ＋ＣＡＮ　控制器构成，ＭＶＢ网络接口单元ＮＩＵ中包含ＭＶＢ控制器　（ＰＬＤ），和一个ＣＰＵ内核（ＡＲＭ）。　ＣＡＮ侧和主控ＣＰＵ之间的数据交换采用双口ＲＡＭ方式。　要实现主控ＣＰＵ和ＣＡＮ控制器之间的数据传送，就必须在主　控ＣＰＵ与ＣＡＮ侧的宿ＣＰＵ之间建立起双向的数据交换通　道，双口ＲＡＭ就是提供了两路完全独立的端口。其每个端口都　有完整的地址、数据和控制线，利用一些中断标志来解决双　ＣＰＵ的争用问题，从而实现数据快速的交换。　而主控ＣＰＵ与Ｄ１１３网卡之间的数据交换则采用ＵＡＲＴ　仿真方式。ＵＡＲＴ（通用异步收发器），是一种基于异步串行通信　机理的接收和发送装置，现在用的比较普遍的是１６Ｃ４５０，我们　ＰＣ机串口采用的就是这个器件。为了便于与具有这种串口接口　的器件进行通讯（如ＰＣ等），同时也为了提高数据传输的速率，　所以在Ｄ１１３的ＰＬＤ中模拟出了这个一个寄存器组（取的是　１６Ｃ４５０寄存器组的一个子集），以便能和主控ＣＰＵ进行速度　较快，且较为可靠的数据传输。　其硬件框图如图１所示。