基于CAN網(wǎng)控器的校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡設計

　　1 引言

　　目前有一定規(guī)模的學校均建有基于網(wǎng)絡的校園消費信息管理系統(tǒng)，建立一個穩(wěn)定可靠、擴充和維護方便的該類系統(tǒng)，關鍵是建立一個適用于校園消費環(huán)境的信息傳輸網(wǎng)絡。目前校園消費信息管理系統(tǒng)底層網(wǎng)絡多采用RS-485 總線的組網(wǎng)方式。采用RS-485 總線組網(wǎng)具有結構簡單、成本低等優(yōu)點，但RS-485 總線無故障定位和錯誤處理功能，組網(wǎng)的靈活性不強。隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，也有一些學校的校園消費信息管理系統(tǒng)采用以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式，將每個消費節(jié)點就近聯(lián)接于校園網(wǎng)上。這種組網(wǎng)方式的特點是能夠充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源，能方便的進行遠程訪問，但在目前情況下，這種方式的不足是組網(wǎng)費用較高，實時響應能力不強，網(wǎng)絡完全依賴于校園網(wǎng)，而校園網(wǎng)并不能保證安全可靠。當然，互聯(lián)網(wǎng)具有巨大的優(yōu)勢和應用前景，但就傳輸信息量較小，實時性要求較高的校園消費信息管理系統(tǒng)底層網(wǎng)絡而言，以太網(wǎng)并非最佳選擇。

　　本文提出了一種基于CAN網(wǎng)控器的性能價格比較高的校園消費信息管理系統(tǒng)底層網(wǎng)絡設計方案。CAN總線具有傳輸速率高，抗干擾能力強，硬件連接方便等突出特點，在智能汽車，分布式信息的采集與控制等方面得到了廣泛的應用。將CAN總線應用于校園消費信息管理系統(tǒng)底層網(wǎng)絡設計中，其組網(wǎng)成本與采用RS-485總線相當，而使用、維護和擴充則都更為方便。與以太網(wǎng)相比則具有價格低、實時性好、可靠性高等優(yōu)點。欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.wenjunhu.com)

　　2 CAN 網(wǎng)控器

　　由于現(xiàn)在許多學校校園面積較大，各消費點又非常分散，需要有一種網(wǎng)絡設備能將各消費點與服務器連接起來，實現(xiàn)消費信息的高效實時傳輸。這樣的網(wǎng)絡設備一般采用的是中繼器，本文提出了采用CAN 網(wǎng)控器的方案。系統(tǒng)中所設計的CAN 網(wǎng)控器不僅具有中繼的功能，更重要的是它充分利用了CAN 總線控制器可靈活配置的特點，在兩個CAN 子網(wǎng)之間實現(xiàn)報文的過濾，使各個子網(wǎng)都能高效運轉，而這些對于各CAN 節(jié)點和服務器而言都是透明的。因而，CAN 網(wǎng)控器是校園消費信息管理系統(tǒng)組網(wǎng)的關鍵設備，它可以提高網(wǎng)絡設計的靈活性，極大的擴展其使用范圍。CAN 網(wǎng)控器由微處理器和兩路CAN 控制器接口組成，網(wǎng)控器中有E2PROM，用于保存網(wǎng)控器的配置參數(shù)等信息。由于通信對實時性的要求以及CAN 網(wǎng)控器所用微處理器的內部緩存容量有限，微處理器采用了FIFO 機制來管理內部RAM，提高內存使用效率。

　　3 校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡設計

　　3.1 校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

　　校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡主體由三部分構成：消費信息管理中心服務器，CAN 網(wǎng)控器，網(wǎng)絡終端(包括窗口機、充值機、掛失機等)，其中CAN 網(wǎng)控器是組網(wǎng)的核心設備。基于CAN網(wǎng)控器的校園消費信息管理系統(tǒng)已在某大學成功得到應用，其網(wǎng)絡結構如圖1 所示。從圖中可以看出，網(wǎng)控器將窗口機等終端與服務器連結起來。在該網(wǎng)絡結構中，網(wǎng)控器共分兩級。一級網(wǎng)控器一端與服務器相連，另一端則與各個消費現(xiàn)場的窗口機等終端構成的子網(wǎng)相連。一級網(wǎng)控器全部位于消費信息管理中心，采用這種方式一方面是為管理和維護提供了方便，另一方面則是由于一級網(wǎng)控器離服務器的距離都很近，可以采用高達320Kbps 的通信速率。圖中網(wǎng)控器5 為二級網(wǎng)控器。采用兩級網(wǎng)控器設計，使系統(tǒng)的通信距離可達5km 以上，網(wǎng)絡終端數(shù)目幾乎不受限制。

　　為了提高網(wǎng)絡的可靠性，系統(tǒng)中每個CAN 節(jié)點與總線之間均采用光電耦合器耦合，這樣可以有效的進行故障隔離，保護網(wǎng)絡設備的安全。為了提高網(wǎng)絡的易維護性，可以充分利用CAN 總線在差錯控制與故障處理方面的能力，采用服務器定期查詢各網(wǎng)絡設備當前狀態(tài)的辦法，使服務器及時掌握整個網(wǎng)絡的當前運行情況，便于更好的管理和維護，網(wǎng)絡出故障時也可以用它來進行故障定位，及時排除故障。

　　圖 1 校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

　　3.2 校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡配置

　　校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡的許多功能都是借助各CAN 通信節(jié)點的網(wǎng)絡通信參數(shù)的配置得以實現(xiàn)的，這種配置有點類似以太網(wǎng)IP 地址的分配。系統(tǒng)中各網(wǎng)絡設備的參數(shù)配置包括標識符(ID)的分配，驗收屏蔽寄存器(AMR)、驗收碼寄存器(ACR)和波特率(BTR)等參數(shù)的設置。網(wǎng)絡設備可通過服務器進行參數(shù)的自動配置，所有配置的參數(shù)均保存在服務器的數(shù)據(jù)庫中。

　　如圖2 所示，在系統(tǒng)網(wǎng)絡設備的參數(shù)配置中，重點考慮的一個方面是標識符的分配。在本系統(tǒng)中只采用了CAN 總線29 位標識符中的21 位，其中高8 位用作通信時的命令字節(jié)。由于一個網(wǎng)絡中標識符的唯一性，21 位標識符的分配必須由服務器根據(jù)網(wǎng)絡設備所處子網(wǎng)的不同統(tǒng)一分配，另外驗收屏蔽寄存器(AMR)、驗收碼寄存器(ACR)和波特率(BTR)等參數(shù)也與所處子網(wǎng)有關。

　　表1 21 位標識符的分配

　　21 位標識符共分4 段，按表1 的分段方式進行分配，各網(wǎng)絡設備的具體ID 分配如圖2所示。服務器位于干線上，一級網(wǎng)控器的一端接在干線上，另一端與子網(wǎng)相連，網(wǎng)控器1和網(wǎng)控器2 均為一級網(wǎng)控器。網(wǎng)控器3 為二級網(wǎng)控器，二級網(wǎng)控器接在由一級網(wǎng)控器構成的子網(wǎng)中，同時該子網(wǎng)中也接有窗口機或掛失機等終端。系統(tǒng)采用兩級網(wǎng)絡結構。

　　AMR 與ACR 的配置是與該設備的ID 相配合的，其具體配置方式如圖2 所示。在本系統(tǒng)中，服務器、網(wǎng)控器和終端均采用擴展幀的單濾波方式。采用圖2 的配置方式，窗口機發(fā)送的信息只會由網(wǎng)控器轉發(fā)給服務器，而不會轉發(fā)到其它子網(wǎng)中，而服務器發(fā)給窗口機的信息也只會由網(wǎng)控器轉發(fā)給窗口機所在子網(wǎng)中，即具有報文過濾功能。波特率(BTR)的配置在圖2 中沒有提到，它也是需要配置的一個參數(shù)，設備與所連網(wǎng)絡的波特率參數(shù)保持一致。

　　在服務器中有相應的數(shù)據(jù)庫和操作界面來實現(xiàn)上述參數(shù)的配置功能，配置時通過界面選擇設備類型和所屬服務區(qū)，由服務器根據(jù)相關規(guī)則和數(shù)據(jù)庫中存儲的信息生成配置信息，實現(xiàn)設備網(wǎng)絡參數(shù)的自動配置。

　　圖 2 網(wǎng)絡參數(shù)配置圖

　　3.3 校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡性能分析

　　采用上述網(wǎng)絡結構和參數(shù)配置方法設計的網(wǎng)絡充分發(fā)揮了CAN 總線的特點，能完全滿足校園消費信息管理系統(tǒng)對網(wǎng)絡帶寬和實時性的要求。如圖1 所示，由于一級網(wǎng)控器離服務器的距離都很近，與服務器相連的干線通信速率可達320Kbps 甚至更高，這樣CAN 總線通信速度快的優(yōu)勢就充分得到了發(fā)揮。

　　在網(wǎng)絡的設計過程中對其實時響應能力進行了反復的模擬測試，測試時的環(huán)境如下：服務器采用PIV 2GHz HP 計算機，編程語言為Delphi，干線速度為320Kbps，通過三臺網(wǎng)控器分別連接三臺窗口機，速度分別80Kbps、80Kbps 和40Kbps。三臺窗口機均工作于全速模擬消費狀態(tài)，當服務器的響應數(shù)據(jù)庫采用Delphi 本地數(shù)據(jù)庫時，響應次數(shù)可高達120次/s 以上，而當數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2000 時，響應次數(shù)則降為60 次/s 左右。同樣的網(wǎng)絡環(huán)境，系統(tǒng)的實時響應能力卻相差很大，而這主要是與服務器的響應速度有關。通過下面的分析能夠更加清楚的明白這一點。

　　每次正常的消費過程共包括4 幀數(shù)據(jù)，總的通信量約500bit。按響應次數(shù)為60 次/s計，則所需帶寬為30Kbps，遠小于320Kbps。所以影響響應次數(shù)的主要因素不是網(wǎng)絡帶寬，而是服務器的響應能力。在現(xiàn)有320Kbps 的帶寬下，完全可以滿足200 次消費/s 的網(wǎng)絡通信要求。為了提高響應次數(shù)，應該提高服務器的運算速度和優(yōu)化軟件設計。

　　上面所講的響應次數(shù)只是在平均意義上的系統(tǒng)響應能力，但具體到每一臺窗口機最能反映其實時響應性能的是響應延時(TR),即從窗口機向服務器提出響應請求到收到服務器的響應數(shù)據(jù)所經過的時間。這段時間由兩部分構成：網(wǎng)絡延時(Tn)和服務器的處理延時(Tp)。

　　TR= Tn + Tp (1)

　　要討論嚴格意義上Tp 的大小是很困難的，而其平均值大體可由服務器的每秒響應次數(shù)來衡量。Tp 值對于每臺窗口機而言都是相同的，因而不同窗口機實時響應性能的差異主要是由于Tn 的不同造成的。K.Tindell 在其文章中對CAN 總線系統(tǒng)在最壞情況下的延時特性進行了分析，本文中所討論的CAN 總線系統(tǒng)模型要簡單一些。如圖1 所示，設新食堂中的窗口機數(shù)目最多，共有40 臺，因而可能的網(wǎng)絡延時也是最大。

　　窗口機m 從請求發(fā)送到服務器收到數(shù)據(jù)所需的時間(Rm)可由(2)式表示。

　　Rm= Tm + Cm (2)

　　式中Tm 是指發(fā)送一幀數(shù)據(jù)所需的時間，Cm 是窗口機m 競爭獲得總線所需的時間。Cm 的大小主要取決于窗口機標識符(ID)的大小，ID 越小，優(yōu)先級越高，則Rm 越小，反之則越大。最壞情況下的最長延時為優(yōu)先級最低(ID 最大)的窗口機(設為40 號窗口機)的延時。由于消費過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庑?，?yōu)先級最低的窗口機一般只須等到比其優(yōu)先級高的所有窗口機發(fā)送一幀數(shù)據(jù)即可，所以可設該窗口機在最壞情況下C40 的大小為：

　　設每幀數(shù)據(jù)的大小為150bit，在通信速率為80Kbps 的情況下，40 號窗口機在最壞情況下的Rm 約為75ms。若考慮網(wǎng)控器的轉發(fā)延時和在干線上的競爭延時，Rm 最大不會超過150ms。而網(wǎng)絡延時Tn 最大為Rm 的兩倍，即：

　　Tn=2Rm≤300ms (4)

　　若Tp 以20ms 計算，則響應延時TR 最大為320ms。這段時間對于窗口機的實際使用沒有太大的影響，而且這是在最壞情況下的延時，本身出現(xiàn)的概率就很小，因而完全不影響實際使用。

　　4 結論

　　文章通過分析常用校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡的不足，引入了一種基于CAN 網(wǎng)控器的校園消費信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡設計方案。文章詳細分析了由CAN 網(wǎng)控器構成的校園消費信息管理系統(tǒng)底層網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結構和配置方法，對網(wǎng)絡帶寬和最壞情況下的延時等問題進行了討論。通過這些分析和討論，可以看出所設計的網(wǎng)絡具有以下特點：

　　●抗干擾能力強，通信距離遠，可達 3～5km

　　● 具有自動配置與狀態(tài)反饋功能,使用和維護方便

　　●具有實時響應能力，最大響應延時不超過 320ms

　　●可連接的網(wǎng)絡終端數(shù)目多，擴容方便，成本低廉

　　該網(wǎng)絡只是校園消費信息管理系統(tǒng)的一個具有較高性價比的底層網(wǎng)絡，而現(xiàn)在許多學校都有多個校區(qū)，這就要求網(wǎng)絡具有遠程訪問能力，這種情況可以借助互聯(lián)網(wǎng)或在校區(qū)之間架專線的辦法得以實現(xiàn)。欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.wenjunhu.com)