現(xiàn)場總線CAN 在監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡中通信協(xié)議設計

　　3.2 控制網(wǎng)絡協(xié)議：

　　控制網(wǎng)絡中產(chǎn)生的控制命令一般是猝發(fā)式的，對于控制系統(tǒng)而言必須確?？刂泼畋患皶r并且成功的發(fā)送，控制網(wǎng)絡報文標識符定義如下表所示：

　　CAN 總線中非破壞性總線仲裁技術，是從協(xié)議幀標識符的最高位開始，即BIT.28 逐位比較下去，當出現(xiàn)參加仲裁的雙方在某一位第一次出現(xiàn)顯隱性不同時，為顯性位的那個協(xié)議幀贏得仲裁。根據(jù)CAN 總線的這一特性，即標識符值越小發(fā)送優(yōu)先級越高，根據(jù)系統(tǒng)總線流程以及控制網(wǎng)絡中各網(wǎng)絡節(jié)點優(yōu)先級的高低從小到大設置各個模塊的網(wǎng)絡節(jié)點號，如表3 所示：

　　當控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送頻繁時，可能導致部分控制命令幀由于標識符優(yōu)先級的原因而丟失SJA1000 控制器的仲裁，雖然SJA1000 具有丟失仲裁后的自動重新發(fā)送該報文的功能，但該控制命令幀仍然存在發(fā)送失敗的可能性，最終導致控制功能的失效。CAN 協(xié)議幀優(yōu)先晉升方案能夠大大降低上述情況發(fā)生的可能性，為實現(xiàn)控制命令幀發(fā)送時在丟失仲裁后重發(fā)的優(yōu)先級晉升，則必須禁止MAC 子層的自動重發(fā)功能，由應用層來實現(xiàn)報文的重發(fā)。該系統(tǒng)采用Philips 公司的SJA1000 作為CAN 網(wǎng)絡控制器，可以通過在報文發(fā)送時設置其命令寄存器的第0、1 位禁止其自動重發(fā)功能，改為單次發(fā)送。

　　起動發(fā)送報文之后，MCU 須判斷該網(wǎng)絡節(jié)點是否已經(jīng)成功發(fā)送了一條報文或者報文發(fā)送失?。菏紫龋擲JA1000 中斷寄存器出現(xiàn)了仲裁丟失中斷或者發(fā)送中斷，表明該節(jié)點已經(jīng)處理完了一條報文，但是仍然不知道是否發(fā)送成功。如果成功，中斷寄存器就沒有仲裁丟失中斷，但是會產(chǎn)生發(fā)送中斷，因為發(fā)送成功后發(fā)送緩沖區(qū)會釋放。如果發(fā)送不成功，一定是與較高優(yōu)先級的協(xié)議幀競爭的結果，所以會有仲裁丟失中斷。但是改為單次發(fā)送后，發(fā)送失敗以后也會釋放緩沖區(qū)，因此將同時產(chǎn)生仲裁丟失中斷以及發(fā)送中斷。在得到節(jié)點已經(jīng)處理完一條報文后，只要用以上的規(guī)則進行判斷就能知道上一條報文是否發(fā)送成功，也就是用來判斷是否需要晉升節(jié)點所發(fā)送信息幀的優(yōu)先級并重發(fā)該幀。

　　控制網(wǎng)絡的標識符劃分為三個部分，其中標識符的第 21 至28 位用于協(xié)議幀優(yōu)先晉升，這部分標識僅表示協(xié)議幀的優(yōu)先級，它由調度機制分配給協(xié)議幀的優(yōu)先級的變化而變化，設Pi＝(2n-1)-kt，Pi 項為當前控制命令協(xié)議幀的優(yōu)先級，(2n-1)代表其優(yōu)先級隊列的初始值，即為隊尾；n 為優(yōu)先級隊列的二進制數(shù)，BIT28:21 共有8 位數(shù)，所以這一項數(shù)值為0FFH。kt表示優(yōu)先級晉升項，t 為首次發(fā)送以來協(xié)議幀丟失仲裁的次數(shù)，k 為晉升權重，k 取值越大協(xié)議幀優(yōu)先晉升速度就越快（該系統(tǒng)中取k=1）。由此可見，當某協(xié)議幀第一次發(fā)送時，Pi＝0FFH，當它在發(fā)送時與其他協(xié)議幀碰撞并失去仲裁時，退出發(fā)送并且置Pi＝0FEH 重新發(fā)送，因為此時其優(yōu)先級高于其他協(xié)議幀，在整個網(wǎng)絡中如果沒有其他和它具有相同優(yōu)先級的協(xié)議幀同時發(fā)送時，即使與其他第一次發(fā)送的協(xié)議幀碰撞，也會贏得仲裁，所以增大了該幀發(fā)送成功的概率。下圖為報文優(yōu)先級晉升控制流程：

圖 2 報文優(yōu)先級晉升控制流程

　　除此之外，系統(tǒng)具有控制參數(shù)在線修改的功能（如修改系統(tǒng)參數(shù)）。參數(shù)修改命令由上位機發(fā)出修改幀，能量管理控制器接收后進行操作執(zhí)行。當進行在線控制參數(shù)修改時，能量管理控制器將發(fā)出廣播消息通知控制網(wǎng)絡所有節(jié)點禁止所有控制動作的輸出，以防止意外情況的發(fā)生。

　　在進行參數(shù)的下載修改過程中，為避免修改幀發(fā)送失敗或丟失，從而導致系統(tǒng)參數(shù)混亂，甚至導致系統(tǒng)癱瘓的情況發(fā)生，使用幀標識符的第11、12 位表征修改幀的結構類型：單幀、非結束多幀和結束多幀。當待修改的參數(shù)數(shù)量較少，單個協(xié)議幀能夠包含所有修改信息時，能量管理控制器接收到來自上位機的修改幀，并判斷該修改幀為單幀標識后，則立即進行參數(shù)存儲空間的修改；若待修改的參數(shù)較多，單個協(xié)議幀無法包括所有待修改數(shù)據(jù)時，上位機首先發(fā)出部分修改幀使用非結束多幀標識，發(fā)送至最后一個修改幀時，標記為結束多幀。功率管理模塊只有在將全部待修改的參數(shù)接收完畢（即收到結束多幀標識）之后，才開始對相應參數(shù)存儲空間進行數(shù)據(jù)修改的操作。完成操作之后，能量管理控制器再將相應存儲空間修改完畢的數(shù)據(jù)發(fā)送反饋至上位機，進行握手確認。采用以上系統(tǒng)參數(shù)修改機制同時結合協(xié)議幀優(yōu)先晉升方案，大幅提升了電站重要參數(shù)修改的可靠性。

　　4 結束語

　　船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)，節(jié)省了大量的現(xiàn)場線纜，整個系統(tǒng)便于調試。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的協(xié)議幀優(yōu)先級晉升算法機制等處理方案以及雙冗余的網(wǎng)絡硬件結構，提高了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的可靠性和穩(wěn)定性。同時，此網(wǎng)絡適應力及擴展力強，可根據(jù)不同船舶電站系統(tǒng)的結構差異靈活配置系統(tǒng)的設備，并且隨時能加入新的站點及第三方設備。