基于CAN网控器的校园消费信息管理系统网络设计

　　1 引言

　　目前有一定规模的学校均建有基于网络的校园消费信息管理系统，建立一个稳定可靠、扩充和维护方便的该类系统，关键是建立一个适用于校园消费环境的信息传输网络。目前校园消费信息管理系统底层网络多采用RS-485 总线的组网方式。采用RS-485 总线组网具有结构简单、成本低等优点，但RS-485 总线无故障定位和错误处理功能，组网的灵活性不强。随着互联网的日益普及，也有一些学校的校园消费信息管理系统采用以太网的组网方式，将每个消费节点就近联接于校园网上。这种组网方式的特点是能够充分利用现有的网络资源，能方便的进行远程访问，但在目前情况下，这种方式的不足是组网费用较高，实时响应能力不强，网络完全依赖于校园网，而校园网并不能保证安全可靠。当然，互联网具有巨大的优势和应用前景，但就传输信息量较小，实时性要求较高的校园消费信息管理系统底层网络而言，以太网并非最佳选择。

　　本文提出了一种基于CAN网控器的性能价格比较高的校园消费信息管理系统底层网络设计方案。CAN总线具有传输速率高，抗干扰能力强，硬件连接方便等突出特点，在智能汽车，分布式信息的采集与控制等方面得到了广泛的应用。将CAN总线应用于校园消费信息管理系统底层网络设计中，其组网成本与采用RS-485总线相当，而使用、维护和扩充则都更为方便。与以太网相比则具有价格低、实时性好、可靠性高等优点。欲了解更多信息请登录电子发烧友网(http://www.elecfans.com)

　　2 CAN 网控器

　　由于现在许多学校校园面积较大，各消费点又非常分散，需要有一种网络设备能将各消费点与服务器连接起来，实现消费信息的高效实时传输。这样的网络设备一般采用的是中继器，本文提出了采用CAN 网控器的方案。系统中所设计的CAN 网控器不仅具有中继的功能，更重要的是它充分利用了CAN 总线控制器可灵活配置的特点，在两个CAN 子网之间实现报文的过滤，使各个子网都能高效运转，而这些对于各CAN 节点和服务器而言都是透明的。因而，CAN 网控器是校园消费信息管理系统组网的关键设备，它可以提高网络设计的灵活性，极大的扩展其使用范围。CAN 网控器由微处理器和两路CAN 控制器接口组成，网控器中有E2PROM，用于保存网控器的配置参数等信息。由于通信对实时性的要求以及CAN 网控器所用微处理器的内部缓存容量有限，微处理器采用了FIFO 机制来管理内部RAM，提高内存使用效率。

　　3 校园消费信息管理系统网络设计

　　3.1 校园消费信息管理系统网络结构

　　校园消费信息管理系统网络主体由三部分构成：消费信息管理中心服务器，CAN 网控器，网络终端(包括窗口机、充值机、挂失机等)，其中CAN 网控器是组网的核心设备。基于CAN网控器的校园消费信息管理系统已在某大学成功得到应用，其网络结构如图1 所示。从图中可以看出，网控器将窗口机等终端与服务器连结起来。在该网络结构中，网控器共分两级。一级网控器一端与服务器相连，另一端则与各个消费现场的窗口机等终端构成的子网相连。一级网控器全部位于消费信息管理中心，采用这种方式一方面是为管理和维护提供了方便，另一方面则是由于一级网控器离服务器的距离都很近，可以采用高达320Kbps 的通信速率。图中网控器5 为二级网控器。采用两级网控器设计，使系统的通信距离可达5km 以上，网络终端数目几乎不受限制。

　　为了提高网络的可靠性，系统中每个CAN 节点与总线之间均采用光电耦合器耦合，这样可以有效的进行故障隔离，保护网络设备的安全。为了提高网络的易维护性，可以充分利用CAN 总线在差错控制与故障处理方面的能力，采用服务器定期查询各网络设备当前状态的办法，使服务器及时掌握整个网络的当前运行情况，便于更好的管理和维护，网络出故障时也可以用它来进行故障定位，及时排除故障。

　　图 1 校园消费信息管理系统网络结构

　　3.2 校园消费信息管理系统网络配置

　　校园消费信息管理系统网络的许多功能都是借助各CAN 通信节点的网络通信参数的配置得以实现的，这种配置有点类似以太网IP 地址的分配。系统中各网络设备的参数配置包括标识符(ID)的分配，验收屏蔽寄存器(AMR)、验收码寄存器(ACR)和波特率(BTR)等参数的设置。网络设备可通过服务器进行参数的自动配置，所有配置的参数均保存在服务器的数据库中。

　　如图2 所示，在系统网络设备的参数配置中，重点考虑的一个方面是标识符的分配。在本系统中只采用了CAN 总线29 位标识符中的21 位，其中高8 位用作通信时的命令字节。由于一个网络中标识符的唯一性，21 位标识符的分配必须由服务器根据网络设备所处子网的不同统一分配，另外验收屏蔽寄存器(AMR)、验收码寄存器(ACR)和波特率(BTR)等参数也与所处子网有关。

　　表1 21 位标识符的分配

　　21 位标识符共分4 段，按表1 的分段方式进行分配，各网络设备的具体ID 分配如图2所示。服务器位于干线上，一级网控器的一端接在干线上，另一端与子网相连，网控器1和网控器2 均为一级网控器。网控器3 为二级网控器，二级网控器接在由一级网控器构成的子网中，同时该子网中也接有窗口机或挂失机等终端。系统采用两级网络结构。

　　AMR 与ACR 的配置是与该设备的ID 相配合的，其具体配置方式如图2 所示。在本系统中，服务器、网控器和终端均采用扩展帧的单滤波方式。采用图2 的配置方式，窗口机发送的信息只会由网控器转发给服务器，而不会转发到其它子网中，而服务器发给窗口机的信息也只会由网控器转发给窗口机所在子网中，即具有报文过滤功能。波特率(BTR)的配置在图2 中没有提到，它也是需要配置的一个参数，设备与所连网络的波特率参数保持一致。

　　在服务器中有相应的数据库和操作界面来实现上述参数的配置功能，配置时通过界面选择设备类型和所属服务区，由服务器根据相关规则和数据库中存储的信息生成配置信息，实现设备网络参数的自动配置。

　　图 2 网络参数配置图

　　3.3 校园消费信息管理系统网络性能分析

　　采用上述网络结构和参数配置方法设计的网络充分发挥了CAN 总线的特点，能完全满足校园消费信息管理系统对网络带宽和实时性的要求。如图1 所示，由于一级网控器离服务器的距离都很近，与服务器相连的干线通信速率可达320Kbps 甚至更高，这样CAN 总线通信速度快的优势就充分得到了发挥。

　　在网络的设计过程中对其实时响应能力进行了反复的模拟测试，测试时的环境如下：服务器采用PIV 2GHz HP 计算机，编程语言为Delphi，干线速度为320Kbps，通过三台网控器分别连接三台窗口机，速度分别80Kbps、80Kbps 和40Kbps。三台窗口机均工作于全速模拟消费状态，当服务器的响应数据库采用Delphi 本地数据库时，响应次数可高达120次/s 以上，而当数据库为SQL Server 2000 时，响应次数则降为60 次/s 左右。同样的网络环境，系统的实时响应能力却相差很大，而这主要是与服务器的响应速度有关。通过下面的分析能够更加清楚的明白这一点。

　　每次正常的消费过程共包括4 帧数据，总的通信量约500bit。按响应次数为60 次/s计，则所需带宽为30Kbps，远小于320Kbps。所以影响响应次数的主要因素不是网络带宽，而是服务器的响应能力。在现有320Kbps 的带宽下，完全可以满足200 次消费/s 的网络通信要求。为了提高响应次数，应该提高服务器的运算速度和优化软件设计。

　　上面所讲的响应次数只是在平均意义上的系统响应能力，但具体到每一台窗口机最能反映其实时响应性能的是响应延时(TR),即从窗口机向服务器提出响应请求到收到服务器的响应数据所经过的时间。这段时间由两部分构成：网络延时(Tn)和服务器的处理延时(Tp)。

　　TR= Tn + Tp (1)

　　要讨论严格意义上Tp 的大小是很困难的，而其平均值大体可由服务器的每秒响应次数来衡量。Tp 值对于每台窗口机而言都是相同的，因而不同窗口机实时响应性能的差异主要是由于Tn 的不同造成的。K.Tindell 在其文章中对CAN 总线系统在最坏情况下的延时特性进行了分析，本文中所讨论的CAN 总线系统模型要简单一些。如图1 所示，设新食堂中的窗口机数目最多，共有40 台，因而可能的网络延时也是最大。

　　窗口机m 从请求发送到服务器收到数据所需的时间(Rm)可由(2)式表示。

　　Rm= Tm + Cm (2)

　　式中Tm 是指发送一帧数据所需的时间，Cm 是窗口机m 竞争获得总线所需的时间。Cm 的大小主要取决于窗口机标识符(ID)的大小，ID 越小，优先级越高，则Rm 越小，反之则越大。最坏情况下的最长延时为优先级最低(ID 最大)的窗口机(设为40 号窗口机)的延时。由于消费过程数据传输的特殊性，优先级最低的窗口机一般只须等到比其优先级高的所有窗口机发送一帧数据即可，所以可设该窗口机在最坏情况下C40 的大小为：

(3)

　　设每帧数据的大小为150bit，在通信速率为80Kbps 的情况下，40 号窗口机在最坏情况下的Rm 约为75ms。若考虑网控器的转发延时和在干线上的竞争延时，Rm 最大不会超过150ms。而网络延时Tn 最大为Rm 的两倍，即：

　　Tn=2Rm≤300ms (4)

　　若Tp 以20ms 计算，则响应延时TR 最大为320ms。这段时间对于窗口机的实际使用没有太大的影响，而且这是在最坏情况下的延时，本身出现的概率就很小，因而完全不影响实际使用。

　　4 结论

　　文章通过分析常用校园消费信息管理系统网络的不足，引入了一种基于CAN 网控器的校园消费信息管理系统网络设计方案。文章详细分析了由CAN 网控器构成的校园消费信息管理系统底层网络的网络结构和配置方法，对网络带宽和最坏情况下的延时等问题进行了讨论。通过这些分析和讨论，可以看出所设计的网络具有以下特点：

　　●抗干扰能力强，通信距离远，可达 3～5km

　　● 具有自动配置与状态反馈功能,使用和维护方便

　　●具有实时响应能力，最大响应延时不超过 320ms

　　●可连接的网络终端数目多，扩容方便，成本低廉

　　该网络只是校园消费信息管理系统的一个具有较高性价比的底层网络，而现在许多学校都有多个校区，这就要求网络具有远程访问能力，这种情况可以借助互联网或在校区之间架专线的办法得以实现。