一種用排隊論指導的CAN總線語音通信系統(tǒng)設計*

但成福，劉曉明

（重慶大學 通信工程學院，重慶 400030）

在工業(yè)現(xiàn)場、交通、電力系統(tǒng)等調度環(huán)境中，常常需要語音通信監(jiān)控系統(tǒng)。而大多數語音通信系統(tǒng)由傳統(tǒng)的電路交換技術、路由技術及公眾交換電話網PSTN實現(xiàn)[1]。傳統(tǒng)語音通信系統(tǒng)存在的缺陷有：當節(jié)點很多時，所需設置的地址數目就會很龐大，給設計者帶來很大的工作量；因元器件種類繁多、電纜數量大，給維護帶來繁重的負擔；通信模式單一，無法滿足多種要求。由德國Bosch公司開發(fā)的CAN總線是一種多主機局部網絡系統(tǒng)，采用雙線串行通信方式工作，廣泛應用于汽車自動化、樓宇自控、工業(yè)控制等領域。CAN總線具有糾錯能力較強、傳輸距離較遠、傳輸速度快、抗干擾能力強等特點，且價格低廉、布線簡單。由CAN總線構成的語音通信系統(tǒng)能很好地適用于工業(yè)生產現(xiàn)場，具有較好的實際意義。

本文對應用于工業(yè)生產現(xiàn)場的語音通信系統(tǒng)設計了一種全新的方案，利用CAN總線進行數據傳輸，以ARM9微控制器和DSP處理芯片為核心，完成電話節(jié)點的全數字化設計。

1 系統(tǒng)分析

在一個CAN通信系統(tǒng)中，CAN處理報文的過程可以看作為簡單的M/M/1排隊系統(tǒng)模型[2-3]。設T為一幀數據平均傳輸延遲，λ為節(jié)點數據發(fā)生率，μ為CAN總線傳輸速率，則根據排隊論理論可推導出如下關系[4]：

若系統(tǒng)采用擴展CAN幀傳輸，每幀CAN報文數據場為8 B，則CAN數據幀信息為128 bit。一般地，若每幀CAN報文傳輸數據字節(jié)為 Fn(取值范圍為 1，2…，8)，則CAN數據幀信息為 64+8×Fn(bit)，單個 CAN節(jié)點數據發(fā)生率λ與語言編碼速率Vvoice(kb/s)的關系式為：

將式(2)代入式(1)得:

式(3)表示了CAN系統(tǒng)中語音數據幀平均時延與CAN總線傳輸速率、語音編碼速率以及每幀報文傳輸數據字節(jié)數之間的關系。

(1)取 Fn=8，由式(2)得 λ=2×Vvoice。

對幾種常用的語音編碼標準進行仿真，其平均時延與CAN速率之間的關系如圖1所示。其中縱坐標小于0表示系統(tǒng)超載，沒有實際意義，在應用中應當避免這種情況。從圖1可看出，以ITU G.723標準為例，其語音壓縮速率為6 kb/s、CAN總線傳輸速率約為 12 kb/s時，語音數據傳輸平均時延迅速下降，接近 0，即在CAN總線傳輸速率≥2×Vvoice時，語音數據基本接近無延遲傳輸，與理論推導的CAN節(jié)點數據發(fā)生率在誤差范圍內是等同的。由此可以認為單個CAN節(jié)點占用系統(tǒng)最小帶寬等于其數據發(fā)生率，即：

2 系統(tǒng)設計

在CAN通信系統(tǒng)中，傳輸距離與傳輸速率成反比，如表1所示。本設計要求在無中繼情況下傳輸距離不小于250 m，對應選取最大傳輸速率為250 kb/s。又因為每幀報文傳輸數據字節(jié)越大，語音數據平均延時越小，故本系統(tǒng)設定每幀報文數據字節(jié)為8 B。在滿足5對節(jié)點同時通話的情況下，單個節(jié)點占系統(tǒng)帶寬最大為250÷(5×2)=25 kb/s。由式(4)可知，語音編碼速率應不大于12.5 kb/s。為保證音質，本系統(tǒng)選用低算法時延、高壓縮比的ITU G.729A語言編碼算法進行語音編解碼。

表1 CAN總線傳輸距離與傳輸速率的關系

2.1 節(jié)點功能描述

圖2為單個節(jié)點的系統(tǒng)框圖。節(jié)點的基本信息如CAN速率、本機電話號碼等都可以通過串口由PC設置并直接保存到EEPROM。當節(jié)點發(fā)起呼叫時，系統(tǒng)將通過話筒采集到的語音信號經立體聲音頻編解碼芯片TLV320AIC32采樣和量化后形成數字語音信號送至DSP進行壓縮編碼。MCU接收到DSP的碼流后存在SDRAM中開設的CAN數據發(fā)送緩沖區(qū)，然后進行CAN數據幀組裝，最后通過CAN接口模塊發(fā)送到CAN總線，并在128×64的LCD屏幕上顯示相關信息。當某節(jié)點被呼叫時，總線上的數據通過CAN接口進行報文幀檢測濾波后存入在SDRAM中開設的CAN數據接收緩沖區(qū)，并進行響鈴提示。MCU解析報文幀，將幀中語音數據送至DSP進行解碼，解碼流經TLV320AIC32處理(D/A轉換、功率放大)后由聽筒播出，即可實現(xiàn)語音通信。

2.2 硬件設計

本系統(tǒng)的主控制器采用Atmel公司的工業(yè)級ARM9芯片AT91SAM9260，其主頻時鐘在頻率為190 MHz時可達到210 MIPS的性能。用TI公司推出的16 bit定點高速DSP芯片TMS320VC5509A與立體聲音頻編解碼芯片TLV320AIC32共同實現(xiàn)語音編解碼算法。TLV320AIC32的編程配置由DSP通過IIC接口實現(xiàn)。數據格式選擇DSP模式，其能與DSP的多通道緩沖串口McBSP兼容。此外，這兩款芯片的I/O電壓兼容，從而使得TMS320VC5509A與TLV320AIC32可以無縫連接。TLV320AIC32接口電路如圖3所示，圖中，MIC為本地麥克風輸入，LINE為電話線輸入，可選擇采集雙、單聲道語音。

圖4為CAN接口硬件設計原理圖。圖中，MCP2515為CAN控制器，TJA1050為CAN收發(fā)器，其相互間使用高速光耦合器6N137，使總線上各CAN節(jié)點間實現(xiàn)電氣隔離，以增強總線節(jié)點抗干擾能力。每個CAN節(jié)點上CANH線和CANL線之間加一個120Ω的匹配電阻，以增加數據傳輸的抗干擾性和可靠性。CAN總線與CAN收發(fā)器之間加上TVS和自恢復保險絲，有效抑制總線上的尖峰脈沖，達到了保護節(jié)點的目的。

2.3 軟件設計

本系統(tǒng)中的語音編解碼部分采用DSP實現(xiàn)，采用成熟的G.729A編解碼算法，其在DSP上的移植見參考文獻[5-7]。本文主要介紹CAN應用層協(xié)議設計[8-9]，并分別從ID分配、幀組成、呼叫過程、被叫過程以及系統(tǒng)維護5個方面進行闡述。

2.3.1 ID分配

在ID的設計過程中，按照應用協(xié)議將29 bit ID分成不同功能的域，能大大提高系統(tǒng)的性能和效率。29 bit ID分配如下：

ID28～ID25：表示報文幀的優(yōu)先級，在總線出現(xiàn)競爭時優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級的報文幀,可節(jié)約總線沖突檢測的仲裁時間,提高系統(tǒng)實時性。實際應用時總是將重要崗位的優(yōu)先級設為最高,使其數據優(yōu)先得到傳輸。

ID24～ID18：表示報文攜帶的指令碼，可傳輸廣播、組播、接通、忙音、掛機等多個控制指令。

ID17～ID16：表示分段標志，只在語言數據幀中有意義,控制報文不考慮。

ID15～ID14：預留備用，此域可根據具體情況作相應的變動。

ID13～ID0：表示應用程序中語音通信節(jié)點的號碼，由組號+組內號碼共同組成,約定ID13～ID0=0x0000為廣播地址,ID6～ID0=0x00為組播地址。本系統(tǒng)理論上可掛載節(jié)點數為(128-1)×(128-1)=16 129個。

2.3.2 幀組成

系統(tǒng)設計中，CAN總線上傳輸的幀主要分為控制幀和數據幀，以命令碼進行區(qū)分。控制幀的ID分段標志不用，默認為0，其數據段只填充發(fā)起命令幀的節(jié)點號碼，如圖5所示。

圖5 控制幀組成

G.729A語音壓縮算法的幀長為10 ms，數據量為10 B，而一個CAN幀最大能傳輸8 B，故需要分兩段傳輸語音壓縮數據包。分段標志為1的8 B數據在前，分段標志為2的2 B數據在后。收到的數據幀必須按前后順序存放，否則解碼出來的語音數據將出錯。數據幀如圖6所示。

2.3.3 呼叫過程

節(jié)點呼叫流程如圖7所示。呼叫時，呼叫節(jié)點將呼叫命令和目的節(jié)點的號碼分別填入ID，同時將本機號碼填入數據域組成呼叫命令幀發(fā)送到CAN總線。目的節(jié)點收到呼叫幀后，以同樣的幀格式(此時命令為應答命令)返回一個應答幀，并做好語音通信準備，同時在LCD上顯示相關信息。在通話中主動掛機的節(jié)點發(fā)送掛機命令幀，釋放連接，結束通話。

圖6 數據幀組成

圖7 呼叫流程

2.3.4 被叫過程

系統(tǒng)節(jié)點被動呼叫處理流程如圖8所示。若節(jié)點在通話過程中收到呼叫幀，則向主動呼叫節(jié)點返回一個帶忙命令的應答幀；否則返回一個帶應答命令的應答幀，與呼叫節(jié)點建立通信。在通話過程中若是主動掛機或收到對方的掛機命令幀，則結束本次通話。

2.3.5 系統(tǒng)維護

圖8 被叫流程

在一般的主從式網絡結構中，網絡的維護都靠主機節(jié)點來完成，當網絡中節(jié)點數目增加時，這種方式將極大增加主機節(jié)點的負荷。本系統(tǒng)網絡的維護依靠節(jié)點自身完成。如圖9所示，節(jié)點定期向總線廣播一個檢測幀報文，總線上除此檢測節(jié)點以外的任何節(jié)點收到此報文后，將回復一個ACK報文。若在一定時間內沒有收到ACK報文，則節(jié)點判斷自己與總線斷開了連接，通過重啟CAN接口與總線重新建立連接。若重啟后還是不能建立連接則進行語音報警提示。

3 測試

CAN卡能捕獲CAN總線上的全部信息，并給出時間標識，用以對網絡的穩(wěn)定性和實時性進行分析。利用4個節(jié)點組成一個小型測試網絡，其中：節(jié)點號為1、2的節(jié)點屬于同一組內的不同節(jié)點，節(jié)點號為3、4的節(jié)點為另一組內的節(jié)點。分別進行廣播、組播、點對點通話測試，測試時通話質量較好，語音較清晰。兩個CAN卡分別接到正在通話的兩個節(jié)點，進行10次測試，相關測試數據如表2所示。

圖9 網絡節(jié)點維護過程

從表2可看出，每次測試中兩節(jié)點收發(fā)消息幀的數據差都很小，丟幀數不到0.2‰。其中單點5測試是在另外兩個節(jié)點通話的過程中完成的，故相應的時延比其他單點測試的長，組播整體時延較單點時延長，較廣播時延短。但都在可以接受的范圍內，不影響語音通話的質量。

本文在排隊論的基礎上對基于CAN總線的語音通信系統(tǒng)進行了仿真分析，得出了每幀傳輸數據字節(jié)越多語音數據幀平均延時越小的結論。同時，推導出了基于CAN總線的語音通信系統(tǒng)中，CAN節(jié)點占用系統(tǒng)帶寬與節(jié)點語音碼率之間的一般關系式，并根據此關系式確定了系統(tǒng)的編碼方案以及系統(tǒng)容量。由于CAN總線主要工作在數據鏈路層和物理層，本文重點從ID分配、幀組成、呼叫過程、被叫過程以及系統(tǒng)維護5個方面介紹了本系統(tǒng)的CAN應用層協(xié)議設計。測試結果表明，本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，無丟幀現(xiàn)象，無明顯語音延遲，能正常通信。本語音系統(tǒng)已在某大型工礦車間得到了應用。

表2 相關測試數據

[1]廖泉.基于CAN總線的語音通信系統(tǒng)[D].北京：北方工業(yè)大學，2006.

[2]任培，周經倫，羅鵬程.基于排隊論的數據鏈系統(tǒng)信息傳輸時間延遲分析[J].計算機科學，2008，35(8)：93-94.

[3]解爭龍，李向軍.基于排隊論模型的網絡擁塞率研究[J].計算機工程與設計，2007，28(17)：4172-4174.

[4]崔連成，王滿意，李彥瑋，等.基于排隊論的CAN總線語音通信系統(tǒng)建模分析[J].工礦自動化，2009，35(7)：69-71.

[5]王偉，王偉達，郭恒業(yè).G_729A語音壓縮算法分析及DSP實現(xiàn)[J].計算機工程與應用，2007，43(8)：99-102.

[6]周長林，肖贛峰，王玉東.基于 DSP的 G_729A編解碼的實時實現(xiàn)[J].儀器儀表學報，2007，28(10)：1911-1915.

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[8]BOSCH R.CAN specification version2.0[EB/OL].(1991-10-10).http://www.bosch.com.

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