基于双网分流的工程机械设备数据网络构架研究杨栋 陈小华 熊俊 三一智能控制设备有限公司，长沙，410100摘要：针对已有工程机械设备数据网络在资源共享能力差，高负载率下丢包率高等问题，以及工程机械智能化程度日益增高，部件数量日益增多的应用需求，本文结合 CAN 总线可靠性高和工业以太网吞吐量大、资源共享能力强等优点，提出了一种用于工程机械设备数据传输的双网分流构架(Double Nets sharing Architecture, DNSA)，实验证明 DNSA 丢包率低，能很好的实现监控网络间资源共享和利用。关键词：CAN 总线；工业以太网；双网分流；数据网络架构New data network architecture research based on double nets sharing to machinery equipmentYang Dong Chen Xiaohua Xiong Jun Wu DanSany Intelligent Control Equipment Co., Ltd, Changsha,410100Abstract：According to the poor performance of the traditional data network Resources sharing capability and data load ability, and combined with the increasing number of intelligent parts of construction machinery and the demand of data complexity. Based on the high reliability of CAN and the good performance of the throughput capacity and resource sharing ability of industrial ethernet, a novel network construction was proposed here, the basic idea was double nets shunt .Experiments demonstrate it can ensure the low packet loss ,and better meet multi-unit and communication requirement needs in industry scene. Key words： CAN highway；Ethernet；Double nets sharing；Data network architecture0 引言随着电子信息技术的迅速发展，工程机械监控日益智能化使得客户对监控系统实时性、准确性、大数据量传输及底层信息共享等方面提出了更高要求 1。CAN 总线由于其在数据通信中突出的可靠性、实时性和灵活性，及强抗干扰性，广泛应用于底层控制设备之间的数据通信。但通信速度不高，且吞吐量有限，已不能很好的满足工程机械智能化程度日益增高，部件数量日益增多的应用需求；此外 CAN 总线通信距离有限，且难以接入internet，无法使底层控制设备信息得到很好共享和利用。以太网具有较长的通信距离和较高的通信速率，且能方便的接入 internet，在信息量需求大的上层管理网络和过程监控网络应用广泛。但传统以太网无法保证数据传输的实时性要求，且单点故障容易扩散，从而造成整个网络系统的瘫痪；此外，工业以太网鲁棒性和抗干扰能力都不高，很难适应环境恶劣的工业现场 2。本文结合 CAN 总线和以太网的优点，提出了一种CAN 网和以太网技术相结合的双网分流网络架构(Double Nets Sharing Architecture, DNSA)。重点对以太网链路层协议进行了改进，简化了通信协议，实现了 CAN 与以太网无缝对接。实验证明 DNSA 在保证数据低丢包率的同时，能很好的实现监控网络间资源共享和利用。1 网络构架1.1 传统架构传统的监控系统采用 CAN 总线进行通信，通信网络可分为现场设备层、控制层和远程管理层。现场设备层主要完成现场设备数据采集和控制命令执行，控制层主要完成现场设备数据的处理、上传及将监控主站命令下达至现场设备层，远程管理层主要指监控主站。远程管理层和控制层间通过无线网络进行通信。典型网络结构如 图 1 所示 3：监控主站主控制器设备部件 n传感器 n分布式控制器执行器 n. . .H M I 设备远传设备传感器. . .c a n 总线执行器设备部件 1传感器 1执行器 1图 1 传统通信架构每个被监控的设备部件包括一个或多个传感器，传感器采集设备部件的压力、温度和伸缩量等数据；分布式控制器将采集的现场数据处理后将结果传至 CAN 总线，供CAN 总线上其他设备使用；某些带有 CAN 通讯结构的部件（如倾角传感器和发动机）等可直接连接在 CAN 总线上；主控制器从 CAN 总线收集所需信息，完成某些预定的处理功能，将结果输入给 HMI 设备和远程设备；HMI 设备主要用于显示现场数据及响应现场输入命令；远传设备是远程管理层和控制层的接口，主站和远传设备间可通过无线网络或 internet 进行通信。 操作人员命令通过 HMI 设备或主站经主控制器、CAN 总线下发至分布式控制器，各分布式控制器通过执行器对设备部件执行用户命令，如油缸位移调整、诊断性保护等。此结构简单，成本低，系统可靠性高，但吞吐量量低。随着部件信息、智能化需求的提高及部件数量的日益增多，传感器、执行器、分布式控制器和主控制器等形成大量数据，吞吐量有限的 Can 总线显然已很难满足工程需求。以太网数据传输效率高，能弥补 CAN 总线在吞吐量低的缺陷，且能很好的实现监控单元间及监控单元与远传计算机间资源共享 4。本文结合 CAN 总线和以太网优点，提出了适合工程机械现场数据通信的 DNSA 架构。1.2 DNSA 架构DNSA 构架的核心思想是根据数据量和数据的重要性进行分类传输。对于实时性要求高或数据量不大的数据（如传感器数据、执行器数据等），通过 Can 总线进行传输，以保证传输的可靠性和实时性；对于实时性不高或数据量大的数据（如设备程序文件、视频流数据和主控制层诊断数据等）则通过工业以太网传输，以保证大数据量通信。DNSA 架构如 图 2 所示：人机交互主控制器远传设备分布式控制器 m交换机分布式控制器 1远程计算机C A N 总线以太网无线网络或 i n t e r n e t现场设备层控制层远程管理层设备部件 传感器 1 . . .执行器执行器 传感器 2设备部件图 2 DNSA 数据传输构架图 2 所示传输构架由 CAN 总线和以太网两部分组成。在整个传输网络中，主控制器相当于大脑，通过以太网获得执行部件及传感器等设备信息，同时结合其他监控信息如图像监控信息、防撞监控信息等，综合监控整个系统的运行。分布式控制器协助主控制器完成单元控制功能。以太网具有很好的资源共享能力，可直接与 internet 相连，实现工业现场和监控主站网络资源共享。人机接口界面用于显示系统的实时参数及用户指令下达。对于某些自带 CAN传输功能且实时性要求高的设备（如倾角传感器、旋转编码器等），直接放在 CAN 总线上进行处理，因 CAN 总线负载率有限，对于实时性要求不高，或需数据量较大的数据，可以放在以太网上进行传输。交换机用于完成以太网各节点的数据交换及 CAN 总线和以太网数据交互。单纯 CAN 总线和以太网在工业控制领域应用已相对成熟，因此 DNSA 架构最大难点 CAN-以太网总线对接模块设计和实现，此模块放在交换机中，下面将重点对此进行研究。为双网数据对接，在以太网和 CAN 网之间必须加入互联网关，网关如 Error! Reference source not found. 所示：数据链路物理层应用层数据链路物理层以太网通信模块微处理器（ 缓存 ）网关以太网C A N控制芯片C A N 总线应用层传输层网络层图 3 DNSA 网关硬件结构框图DNSA 网关是本架构的核心, 负责从接收到的链路层数据帧中解析出完整的 CAN 协议报文，并通过 CAN 控制器组帧后发送到 CAN 总线；同时, 也可将收到的 CAN协议报文打包成数据帧， 通过以太网控制器发送到以太网上。因为以太网比 CAN 传输速度快，因此在处理器里应该开辟一块缓存区，从以太网传至 CAN 网络的数据大多为执行命令，因此数据包大小不会很大，根据实际工程需求，缓存区大小设为 1M，对于 1M 以内的数据，先在缓存区中全部保存完后再发送至 CAN 网络，理论上 1M 之内的数据不可能出现丢包现象。来自 CAN 网络的数据，同样存储在缓存区中，每根据预先设定的 CAN 包数组以太网帧进行发送。2 网络传输协议2.1 传统协议1) CAN 总线协议CAN 总线是目前应用最广泛的现场总线之一，通信距离最远可达 10km(速率低于 5Kbps)，速率可达到 1Mbps(通信距离小于 40m)。本文以 CAN20B 版本协议定义的扩展帧数据帧为例对 CAN 帧格式进行说明。标准帧格式如图 4 所示：仲裁场C R C 场帧间空间帧起始控制场数据场A C K 场帧结束帧间空间 数据帧图 4 标准数据帧格式标准数据帧由 1bit 的帧起始，32bit 仲裁场，6bit 控制场，0-64bit 数据场，16bit 循环冗余码 CRC 场，2bit应答场, 7bit 帧结尾组成。如果数据位全填满，则 CAN 帧长为 128bits。传输时延是指一个站点从开始发送数据帧到数据帧发送完毕所需要的全部时间，是衡量通信网络质量的一个重要指标。假设从节点 a 到节点 b 传输 L Byte，链路传输速率为 R bps,B 为负载率，帧长为 F, 有效载荷为 m，则传输帧数为 N(公式 1)*8/此处 表示对 取上整。为计算方便，本*8/Lm/Lm文将其约等于 L*8/m,m 取 CAN 最大载荷 64bit。传输时延t 为：（公式(*)FtNRB2）对于 CAN,F 为 128bits,R 为 1Mbps。CAN 总线负载率常在 60%以下。当总线负载率超过 40%，系统性能将恶化，当总线负载率超过 60%，系统将不再稳定 5，所以选用 60%负载率，代入公式 2 得：（公式 3）.6710tL2) 以太网协议Ethernet II 和 IEEE802.3 在局域网中最常见的以太网，本文选用用更适合工程机械的大数据量传输的Ethernet II 协议，EthernetII 链路层帧格式如 表 1 所示：表 1 以太网链路层帧结构前同步码(8B)目的地址(6B)源地址(6B)类型(2B)数据字段(46 1500B)CRC(4B)前同步码的前 7B 值都为 10101010，用于“唤醒”接收适配器，第 8 个字节为 10101011，第 8 个字节的后最后两个 1，通知主机接下来字节为目的地址；目的地址为6B，该字段包含目的设备的 MAC 地址；源地址占 6B，该字段包含传输该帧到 LAN 上的源设备的 MAC 地址；类型字段允许以太网复用多种网络层协议，目的设备根据类型判断该将数据字段传输给哪层，并根据哪种协议类型进行解析；CRC（cyclic redundantcy check，循环冗余检测）用于检测帧中是否引入了差错。数据字段为以太网帧的有效载荷，对于传统的以太网帧，数据字段为 IP 数据报，IP 数据报格式如 表 2 所示：表 2 IP 数据报网络层首部(=20B) 传输层首部(20B) 应用层报文IP 数据报网络层为 IPV4，IPV6 等协议，首部至少为20B，传输层为 TCP 等协议，首部占 20。设一帧全部填满，则