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摘要就控制局域網(wǎng)（CAN）現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)的普遍用途而論，在處理控制的環(huán)境中通常需要它來互聯(lián)信息。在工業(yè)化實時應用系統(tǒng)中互連的CAN節(jié)點，采用無線異步傳送模式（Watm）可以為全局系統(tǒng)的集成和控制提供有效的作用。本文介紹了一種新型方法，這種方法采用WATM作為一種無線電協(xié)議來描述無線can網(wǎng)絡。使用封裝技術來解決從CAN到WATM的映射的問題在此也有所闡述。這種模式的性能分析可以通過采用計算機模擬的OPNET模型的結果來提供。

關鍵字控制局域網(wǎng)；無線異步傳送模式；網(wǎng)絡互連；實時控制

1引言

CAN最早是由德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，按照ISO有關標準，CAN的拓撲結構為總線式，因此也稱為CAN總線。CAN協(xié)議是眾多高級通信協(xié)議中的一種協(xié)議。雖然最初只打算在汽車應用方面使用，但是由于它的高性能和優(yōu)越特征，它在許多其他工業(yè)應用方面也得到了很好的開展。

基于載波偵聽多路存?。–SMA/CD）機制并充分使用其優(yōu)越性的CAN是一種串行通信協(xié)議。它經(jīng)常可以使用于一些應用領域中，這其中包括智能電動機控制、機器人控制、智能傳感器/計數(shù)器、自動化實驗室等。當CAN使用在一些移動/無線領域中，比如汽車、飛機和火車等，它仍然能夠在連接節(jié)點時提供一種非常高速的通信網(wǎng)絡。

異步傳送模式（ATM）是一種新的數(shù)據(jù)傳輸技術。其特點是統(tǒng)計復用、信元長度固定、虛通道（VP）與虛通路（VC）交換、帶寬的動態(tài)分配、能綜合多種業(yè)務。ATM技術和移動通信技術的結合形成無線ATM技術，無線異步傳送模式（WATM）實質(zhì)上是將ATM網(wǎng)上寬帶業(yè)務延伸至無線移動網(wǎng)，把ATM無縫隙地擴展到移動通信終端。而本文就是研究如何通過無線網(wǎng)絡和ATM終端將信息從一個CAN節(jié)點（允許使用WATM）傳送到另一個CAN節(jié)點（允許使用WATM）。

2無線ATM中的CAN總線

2.1控制局域網(wǎng)CAN

早期CAN主要應用于汽車中，目前由于可以通過使用少量的總線帶寬，就能夠允許以對等和廣播的形式執(zhí)行多點傳送通信，因此CAN的應用逐漸延伸到機器和自動化市場。

CAN具有非常多的特點，比如：采用高速串行接口、采用低成本的物理媒介、數(shù)據(jù)長度較短、具有快速反應時間和高級檢錯糾錯能力等。CAN利用帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取(CSMA/CD)機制，使得它的節(jié)點可以使用總線技術。當CAN使用一個基于優(yōu)先權的總線仲裁的過程時，最高優(yōu)先權的節(jié)點將繼續(xù)傳送，不產(chǎn)生任何中斷。因而CAN有不可預測的價值，并且CAN網(wǎng)絡將在總線帶寬方面起關鍵作用。

CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的區(qū)別是標識符（ID）長度的不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。

圖1CAN報文格式

如圖1所示，在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位（RTR）組成的仲裁區(qū)。RTR位標明的是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中是沒有數(shù)據(jù)字節(jié)的?？刂茀^(qū)包括標識符擴展位（IDE），IDE指出的是標準格式還是擴展格式，控制區(qū)還包括一個保留位（ro），為將來擴展使用，控制區(qū)的最后四位用來指明數(shù)據(jù)區(qū)中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)區(qū)范圍為0~8個字節(jié)，其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查（CRC）。在一幀報文中加入冗余檢查位可以保證報文的正確性。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。應答區(qū)（ACK）包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的是這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡中至少有一個站能正確接收報文。報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

2.2無線異步傳送模式（WATM）

通信發(fā)展導致了ATM的數(shù)字數(shù)據(jù)傳送技術的發(fā)展，這項技術則作為寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)絡（B-ISDN）概念的依據(jù)。為了滿足QoS最大限度的要求，ATM已經(jīng)成為國際上認可的集成網(wǎng)絡系統(tǒng)。ATM網(wǎng)絡是采用固有地定向連接方式，并且具備QoS的保證。ATM提供如下的優(yōu)越特點，包括靈活性，可測量性，快速的開關，和高效率地運用網(wǎng)絡資源對多路技術進行統(tǒng)計的用途。通過一種可升級的方式，它能支持不同的特性。在ATM中，信息以信元方式被傳送。我們可以根據(jù)單位時間內(nèi)傳送的信元數(shù)去計算傳輸率。53個字節(jié)的ATM信元包括48個字節(jié)的信息域和5個字節(jié)的報頭。如圖2所示。信元報頭包括一個虛通道/虛通路標識符（VCI/VPI），這個標簽被應用在多路技術中，用于表示路由地址。這個報頭還包含其他4個部分，即通用流量控制（GFC），凈荷類型標識（PTI），信元丟棄優(yōu)先權（CLP）和信頭錯誤校驗（HEC）。剩余的48字節(jié)的信息段是凈荷的數(shù)據(jù)。

圖2ATM信元格式

圖3CAN/WATM模型及系統(tǒng)結構

在WATM中，數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是提供封裝、報頭壓縮、服務質(zhì)量(QoS)、自動請求重發(fā)（ARQ）技術和正向糾錯（FEC）技術。以前被提議的數(shù)據(jù)鏈路層打算通過無線點對點鏈接來實現(xiàn)信元的傳送，由于這種方式可能出現(xiàn)很多錯誤，所以現(xiàn)在我們結合使用有選擇性的ARQ和FEC技術。為了具備這些新的功能，這里提出的WATM的信元結構與一個通用ATM網(wǎng)絡中的信元結構是有所不同。所以，在無線ATM網(wǎng)絡和通用ATM網(wǎng)絡之間轉換ATM信元是必須的，也是必要的。

WATM網(wǎng)絡主要有兩種工作模式，即本機模式WATM和IP結束WATM模式。前者所支持的應用比如：通過直接使用WATM實現(xiàn)住宅之間的無線視頻傳送。另一方面，后者為現(xiàn)有的基于IP的應用提供WATM作為傳輸技術。所以，后者廣泛地用于數(shù)據(jù)應用方面。在本文中，通過使用WATM，CAN信息被傳輸在固定的無線CAN節(jié)點之間。

雖然現(xiàn)今存在著許多無線技術例如IEEE802.11，HiperLAN/2，HomeRF，Bluetooth和ZigBee等，但是WATM可以選擇哪些無線技術來使用呢？滿足WATM要求的無線技術必須具有以下幾個好處，一是通過ATM中樞可以很容易地集成網(wǎng)絡，二是在保證Qos的情況下提供端到端的實時多媒體能力。

2.3采用WATM的遠程CAN節(jié)點互連方法

在本節(jié)中，我們把WATM作為ATM本地網(wǎng)到遠程的CAN用戶/結點的延伸。在易出錯和低帶寬的無線媒介下，為了保證進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝os，我們必須利用一個有效的MAC協(xié)議，這種協(xié)議是基于TDMAD/FDD并能夠被WATM使用的。這樣做的目的是允許在二個終端節(jié)點之間實現(xiàn)無線服務，而這種服務不會影響到其他彼此連接的節(jié)點之間的工作（如圖3所示）。

在從CAN到WATM的映射機制中，通過使用WATM的激活將CAN節(jié)點的信息提取出來。CAN信息的協(xié)議數(shù)據(jù)單位（PDU）被封裝在那些通過無線ATM信道傳輸?shù)腁TM信元中。由于一條CAN信息是108位，它能夠很容易地適合一條凈荷的ATM信元（如圖4所示）。通過WATM有目的地激活CAN結點，去掉ATM信元的報頭部分，并且從ATM信元的凈荷中提取出能夠被CAN總線處理或者傳遞CAN信息。

圖4ATM信元中的CAN信息封裝

W-CAN的功能模型如圖5所示。從CAN到WATM和從WATM到CAN的數(shù)據(jù)傳送過程的流程圖如圖6所示。這個W-CAN模型包含一個CAN接口實體(CAN-IE)，一個WATM接口實體（WATM-IE），一個W-CAN查尋表(W-CAN-LT)，一個CAN學習、過濾和解釋實體（CAN-LFTE），一個WATM過濾和解釋實體（WATM-FTE）和四個先入先出（FIFO）緩存器。而FIFO緩存器的主要功能是將CAN/WATM信息/信元格式轉換和接收/發(fā)送信息。

CAN接口實體(CAN-IE)不僅給CAN總線提供信息，而且還具有一臺總線接收器和發(fā)送器。另一方面，如果FIFO4從WATM-FTE收到一條CAN信息，則它就可把這條信息傳遞給CAN總線。

WATM接口實體(WATM-IE)可以為無線通信媒體提供必要的作用，并且還具有一臺無線接收器和發(fā)送器。另一方面，如果FIFO3從CAN-LFTE收到一條WATM信元，則它將對無線媒體廣播這條信元。

FIFO1緩沖器主要用于存儲CAN信息，而FIFO2緩沖器主要用于存儲從CAN-IE和WATM-IE傳送過來的WATM信元。

W-CAN查尋表(W-CAN-LT)用于處理基于報文的CAN在WATM之上的通信的優(yōu)先權。在一個學習過程(W-CAN-LP)的開始階段它就被創(chuàng)建，每一個W-CAN找出它自己附上的CAN節(jié)點的本地信息和來自其它W-CAN的遠程信息，然后將具有一定優(yōu)先權的信息同相關的W-CAN聯(lián)系在一起。

CAN學習、過濾和解釋實體(CAN-LFTE)具有支持W-CANLP的特點，基本上，在W-CAN-LT中使用的每一條CAN信息標識符都會被校驗是否適合本地或遠程CAN結點。在這個預制的W-CAN-LT中，如果一條CAN信息標識符有相應的匹配的話，那么這條CAN信息標識符就被封裝在WATM信元中，并且被發(fā)送到FIFO3緩沖器中。否則，由于它是一條本地信息，它就會被過濾掉。

WATM過濾和解釋實體(WATM-FTE)先從WATM-IE提供的WATM信元中析取CAN信息。然后搜索W-CAN查尋表（W-CAN-LT），查找與之相匹配的一條CAN信息標識符。如果找到了相匹配的標識符，那么這條CAN信息就被發(fā)送到FIFO4緩沖器中。否則，它也會被過濾掉。

由于在CAN信息領域中需要通信，所以不同種類的實時應用通信需要考慮到ATM機QoS的支持。通過ATM網(wǎng)絡傳輸實際數(shù)據(jù)之前，例如，關于不同種類的CAN數(shù)據(jù)通信量，可用比特率(ABR)的通信被多路傳輸?shù)紸TM適配層3/4(AAL3/4)連接，而恒定比特率(CBR)的通信被多路傳輸?shù)紸TM適配層1連接。

（a）從CAN到WATM的數(shù)據(jù)傳送流程圖（b）從WATM到CAN的數(shù)據(jù)傳送流程圖

圖6CAN與WATM數(shù)據(jù)互傳的流程圖

3計算機模擬仿真

如圖7所示的模擬模型即是表示了CAN節(jié)點如何在ATM網(wǎng)絡中進行存取數(shù)據(jù)，這種無線模塊可以采用一種網(wǎng)絡仿真模塊OPNET9.0來進行仿真模擬結果。網(wǎng)絡仿真技術是一種通過建立網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡鏈路的統(tǒng)計模型,并模擬網(wǎng)絡流量的傳輸,從而獲取網(wǎng)絡設計或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)的仿真技術。由于仿真不是基于數(shù)學計算,而是基于統(tǒng)計模型，因此，統(tǒng)計復用的隨機性被精確地再現(xiàn)。

圖7模擬模型

本次模擬仿真是基于兩個不同的應用系統(tǒng)源D和V在CAN節(jié)點與CAN總線上進行數(shù)據(jù)傳送的性能比較。這些節(jié)點都可以通過WATM鏈路連接到ATM中樞上，且進行數(shù)據(jù)傳送。一個標準的網(wǎng)絡仿真軟件OPNET9.0提供了一個比較齊全的基本模型庫，包括：路由器、交換機、服務器、客戶機、ATM設備、DSL設備、ISDN設備等，而這些模型庫正好可以滿足以上模擬仿真所需要的條件。如圖7所示，模型使用8個CAN節(jié)點，兩個允許使用WATM的CAN節(jié)點，又稱為BS（基站），兩個AP，一個ATM終端，一個ATM交換機。在這種拓撲結構中，遠端的CAN節(jié)點（允許使用WATM）可以通過無線ATM網(wǎng)絡和AP與另一端的CAN節(jié)點（允許使用WATM）進行數(shù)據(jù)交換。

表格1列出了兩種系統(tǒng)源的模擬參數(shù)，而圖8則顯示了兩種系統(tǒng)源的信元延遲平均量和變動量曲線圖。從圖8中，我們可以清楚地看到兩種系統(tǒng)源的信元延遲平均量（ACD）和信元延遲變動量（CDV）的不同。系統(tǒng)源D的信元延遲平均量主要是在6到22ms之間波動，而系統(tǒng)源V的信元延遲平均量則是在2到7ms之間波動。

表格1模擬參數(shù)

應用系統(tǒng)源D5000a千字節(jié)/小時

應用系統(tǒng)源V10000a千字節(jié)/小時

上行線路位速率50千比特/秒

ATM連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連接的非實時可變位速率峰值信元速率=100千比特/秒

可持續(xù)信元速率=50千比特/秒

最小信元速率=0.5千比特/秒

圖8兩種系統(tǒng)源的信元延遲平均量和變動量曲線圖

圖9顯示了CAN節(jié)點的流入負荷與信元延遲平均量的關系。在圖中，我們可以清楚地看到流入負荷的增加從而可以導致兩種系統(tǒng)源信元延遲平均量的上升。

圖9CAN節(jié)點的流入負荷與信元延遲平均量關系圖

4結論

這篇文章主要講述了一種可以應用于無線ATM中的CAN信息傳遞方法——采用WATM技術來進行傳送信息量。在工業(yè)公司中，采用這種方法可以非常容易地控制遠端CAN節(jié)點。

在這篇研究中，不同數(shù)據(jù)類型的信息量均可以通過無線網(wǎng)絡和ATM終端從一個CAN節(jié)點（允許使用WATM）傳送到另一個CAN節(jié)點（允許使用WATM）。使用封裝技術的CAN與WATM之間的映射對于CAN節(jié)點（允許使用WATM）和ATM網(wǎng)絡互連技術有非常重要的作用。模擬仿真的結果顯示不但不同類型的CAN系統(tǒng)信息量能夠通過WATM進行傳送，而且還能夠為使用者提供所需的服務質(zhì)量。

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