基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN總線互聯(lián)

裝甲車輛狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的信息采集單元通常采用CAN總線連接，某些情況下，車輛上裝和下裝之間的旋轉(zhuǎn)連接器由于沒有連線空間，需要無線通信模塊為上裝和下裝的CAN總線提供一個透明的無線通道。本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)給出一種無線通道的設(shè)計，主要包括CAN總線無線接入控制模塊電路設(shè)計以及無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議設(shè)計等內(nèi)容。

2 電路設(shè)計

以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的CAN總線擴(kuò)展系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由兩塊CAN總線無線接入控制模塊構(gòu)成，每個模塊的組成及各部分的作用是：無線傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器及存儲器模塊，接收對端無線接人控制模塊傳來的數(shù)據(jù)并存儲，然后將數(shù)據(jù)交CAN控制器待發(fā)，同時接收CAN控制器傳來的數(shù)據(jù)并通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到對端無線接入控制模塊；CAN控制器采用SJA1000，運(yùn)行CAN協(xié)議，為傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)提供CAN總線服務(wù)；收發(fā)器采用TJA1050作為CAN控制器與物理媒體的物理接口，為CAN控制器提供比特流服務(wù)。

3 無線傳感器節(jié)點(diǎn)

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

圖2所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件，包括傳感器模塊、微處理器模塊和無線通信模塊等三個功能部分。GAINTS系列節(jié)點(diǎn)使用AT-MEGA128單片機(jī)作為控制器和處理核心，無線通信模塊核心采用工作在433 MHz的單芯片低電壓CC1000收發(fā)器，該射頻芯片具有工作電壓低(2.1～3.6V均可工作)、能耗低、體積小等非常適合于集成的特點(diǎn)。它采用FSK調(diào)制方式，外部采用SPI的接口，可以和微控制器直接相聯(lián)。CC1000使用頻率為14.745 MHz的晶振作為驅(qū)動，在該驅(qū)動下面CC1000可以提供的最大數(shù)據(jù)傳輸率為19.2KB／s，也就是說每ms不到3個字節(jié)，這個數(shù)據(jù)對MAC層的協(xié)議是很有用的，在設(shè)置ACK等待時間和RTS-CTS等待時間的時候需要考慮這些參數(shù)。

3.2 通信協(xié)議設(shè)計

本文基于TinyOS底層通信接口進(jìn)行通信協(xié)議設(shè)計。對TinyOS編程采用的是nesC語言，這是一種類似C的語言，是對C的擴(kuò)展，也是結(jié)構(gòu)化的語言，是基于組件式的編程，模塊化的設(shè)計。nesC組件有兩種：Module(模塊)和Configuration(連接配置文件)。Module在模塊中主要實(shí)現(xiàn)代碼的編制，可以使用和提供接口，在它的實(shí)現(xiàn)部分必須對提供接口里的command和使用接口里的event進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

TinyOS是基于一種組件架構(gòu)方式的開源的嵌入式操作系統(tǒng)，一個應(yīng)用程序可以通過連接配置文件(a wiring specification)將各種組件連接起來，以完成它所需要的功能。TinyOS的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動模式的，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。tasks一般用在對于時間要求不是很高的應(yīng)用中，且tasks之間是平等的，即在執(zhí)行時是按先后順序，一般為了減少tasks的運(yùn)行時間，要求每一個task都很短小，能夠使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較輕；events一般用在對于時間要求很嚴(yán)格的應(yīng)用中，而且它可以優(yōu)先于tasks和其他events執(zhí)行，可以被一個操作完成或是來自外部環(huán)境的事件觸發(fā)，在TinyOS中一般由硬件中斷處理來驅(qū)動事件。在TinyOS中由于tasks之間不能互相占先執(zhí)行，所以TinyOS沒有提供任何阻塞操作，為了讓一個耗時較長的操作盡快完成，一般都是將對這個操作的需求及其完成分開來實(shí)現(xiàn)，以便獲得較高的執(zhí)行效率。由于在Tiny-OS中沒有進(jìn)程管理的概念，它對任務(wù)是按簡單的FIFO隊列進(jìn)行處理的，對資源采取預(yù)先分配，且這個隊列里最多只能有7個未解決的任務(wù)。我們設(shè)計時，主要處理三類事件，即串口接收數(shù)據(jù)事件、無線接收數(shù)據(jù)事件和定時器事件。

①串口接收數(shù)據(jù)事件。每次節(jié)點(diǎn)從串口接收到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)將觸發(fā)該事件。對于信息采集任務(wù)來說，其信息是定時采集的。同時，CAN總線的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無線傳輸?shù)乃俾?。因此，在?jié)點(diǎn)開辟了一段較大的緩存區(qū)，對CAN總線傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。該緩存區(qū)的大小取決于無線傳輸?shù)乃俾室约癈AN總線在一個定時采集周期的數(shù)據(jù)量大小。假設(shè)無線傳輸?shù)乃俾蕿閂、緩存區(qū)大小為Mem、采集周期為T、每個采集周期的數(shù)據(jù)量為Data，注意V為傳輸有效數(shù)據(jù)的速率，即要去掉協(xié)議開銷以及管理和控制開銷，則至少滿足V×T≥Data，Mem≥Data。為提高無線傳輸?shù)男剩皇敲看螐拇诮邮艿揭粋€字節(jié)就從無線接口發(fā)走，而是每次緩存的字節(jié)數(shù)達(dá)到無線傳輸一個數(shù)據(jù)包的大小時，啟動任務(wù)一UARTRcvdTask。這種采用任務(wù)的方式進(jìn)行實(shí)際的無線數(shù)據(jù)傳輸可以避免阻塞其他event事件。

②無線接受數(shù)據(jù)事件。每次節(jié)點(diǎn)從無線接口接受到一個數(shù)據(jù)包將觸發(fā)該事件。事件處理程序主要從協(xié)議數(shù)據(jù)包中獲取傳輸數(shù)據(jù)，并且緩存于接受緩存區(qū)，具體地怎么處理無線接受的數(shù)據(jù)的工作，通過啟動任務(wù)——RadioRcvdTask來完成，以避免阻塞其他event事件。

③定時器事件。該事件定時觸發(fā)。該事件處理程序主要定時判斷串口接受數(shù)據(jù)緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果有的話，則啟動任務(wù)——UARTRcvdTask，以避免到串口收到的數(shù)據(jù)不足一個協(xié)議數(shù)據(jù)包時，會長期滯留在串口接受數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。

4 性能分析和實(shí)驗(yàn)

整個系統(tǒng)的性能主要取決于無線傳輸?shù)乃俾省o線CC1000使用頻率為14.745 MHz的晶振作為驅(qū)動，在該驅(qū)動下面CC1000可以提供的最大數(shù)據(jù)傳輸率為19.2 KB／s。考慮無線傳輸協(xié)議消耗，無線傳輸數(shù)據(jù)報的格式如下：

其中TOSH_DATA_LENGTH=29，故協(xié)議的理論有效數(shù)據(jù)比率約為70％。同時，為提高無線傳輸?shù)男?，不是每次從串口接受到一個字節(jié)就從無線接口發(fā)走，而是每次緩存的字節(jié)數(shù)達(dá)到無線傳輸一個數(shù)據(jù)包的大小時，才啟動發(fā)送任務(wù)，故無線有效傳輸速率約為13.4 KB／s,，對于本系統(tǒng)應(yīng)用來說，CAN總線的采樣周期為10 s，每次采樣數(shù)據(jù)為1 K數(shù)據(jù)。雖然，CAN總線速率相對來說較高，但是通過緩存完全可以滿足需求。在性能測試中，該系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行20多個小時，收發(fā)均無問題。

5 結(jié) 論

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)給出一種連接CAN總線的無線通道設(shè)計，主要包括CAN總線無線接入控制模塊電路設(shè)計以及無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議設(shè)計等內(nèi)容。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際使用效果良好。本文內(nèi)容對于一般的信息采集無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計具有較好的借鑒意義。