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    基于FlexRay的PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究

    2016-04-12 00:00:00李石兵康靖郭小榮杜華
    現(xiàn)代電子技術(shù) 2016年17期

    摘 要: 針對低速PLC通信網(wǎng)絡(luò)MAC層數(shù)話同傳支持不足的問題,基于FlexRay靜態(tài)段定時觸發(fā)和動態(tài)段事件觸發(fā)思想提出一種用于構(gòu)建低速PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層組網(wǎng)協(xié)議,詳細(xì)描述了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件和硬件開發(fā)過程,并利用串型和星型拓?fù)溲芯苛司W(wǎng)絡(luò)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)通信距離長,業(yè)務(wù)響應(yīng)時延小。

    關(guān)鍵詞: 低速電力線通信; FlexRay協(xié)議; 數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò); 開發(fā)與應(yīng)用

    中圖分類號: TN915.04?34; TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2016)17?0055?05

    0 引 言

    電力線通信(Power Line Communication,PLC)技術(shù)能利用現(xiàn)有的電力線設(shè)施構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò),早期應(yīng)用于中低壓電力網(wǎng)絡(luò)的智能抄表、遠(yuǎn)程控制及能源管理等方面,數(shù)據(jù)傳輸是網(wǎng)絡(luò)承載的主要業(yè)務(wù)[1]。隨著寬帶時代的到來,利用室內(nèi)電力線傳輸數(shù)字話音、視頻和Internet數(shù)據(jù)的需求日益突出,研究電力線的高速接入及多媒體信息傳輸成為當(dāng)前熱點(diǎn)[2]。

    PLC技術(shù)可分為超窄帶(UNB)、低速(LDR)窄帶、高速(HDR)窄帶和寬帶(BB)四類[3?4]。近年來,高速窄帶和寬帶PLC技術(shù)在ITU?T G.hn和IEEE 1901兩大陣營的推動下得到了深入研究,前者致力于基于現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)性能,后者采用革命性方法提升速率以滿足數(shù)據(jù)和話音綜合業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求[5]。而工作頻段在3~500 kHz的低速窄帶PLC技術(shù)因其數(shù)據(jù)傳輸速率低(Kb/s量級)、組網(wǎng)能力差的原因,在支持?jǐn)?shù)話同傳的實(shí)用化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上應(yīng)用研究不足。目前的通信網(wǎng)絡(luò)PLC產(chǎn)品中,基于頻分復(fù)用傳輸音頻的模擬型PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)存在話路數(shù)量受限、通話質(zhì)量和保密性差等問題[6],音頻部分采用TDM+TCM(時分復(fù)接、網(wǎng)格編碼)技術(shù)的數(shù)字式PLC網(wǎng)絡(luò),基于聲碼器實(shí)現(xiàn)話音壓縮傳輸,在多用戶沖突解決上主要依賴MAC層基于避讓算法的CSMA/CA信道接入機(jī)制。然而,退讓算法因不能保證信息傳輸時間的確定性難以滿足話音業(yè)務(wù)的QoS需求。MAC層基于分組優(yōu)先級的控制方法有利于保障數(shù)話同傳業(yè)務(wù)中話音流的QoS,但這種方法在早期的低速窄帶PLC的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)不足。為確保低速PLC能夠承載數(shù)字話音或VoIP,網(wǎng)絡(luò)使用的整個協(xié)議必須能夠滿足由于各種業(yè)務(wù)帶來的信息傳輸時間確定性的需求。為此,人們嘗試從低速窄帶PLC的PHY層、MAC層、應(yīng)用層全面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。法國學(xué)者Xavier Carcelle和德國學(xué)者Halid Hrasnica等人認(rèn)為:對于不能保證服務(wù)質(zhì)量的早期PLC技術(shù),必須在MAC之上的應(yīng)用層來補(bǔ)償[7?8]。

    本文基于美信半導(dǎo)體公司(Maxim)推出的業(yè)內(nèi)首款OFDM電力線通信芯片組MAX299x設(shè)計硬件,運(yùn)用FlexRay靜態(tài)段定時觸發(fā)和動態(tài)段事件觸發(fā)思想設(shè)計數(shù)話同傳組網(wǎng)協(xié)議,避免利用MAC層的退避機(jī)制實(shí)施信道的競爭訪問,保證數(shù)據(jù)和話音傳輸?shù)拇_定性。該網(wǎng)絡(luò)支持串型、星型拓?fù)湎氯我鈨蓚€用戶在進(jìn)行話音通信的同時,允許其他用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,具有較小的用戶數(shù)據(jù)響應(yīng)時延和較長的通信距離。

    1 基于FlexRay的PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)開發(fā)

    1.1 基于FlexRay的應(yīng)用組網(wǎng)協(xié)議總體設(shè)計

    FlexRay協(xié)議是FlexRay聯(lián)盟制定的適用于汽車高速網(wǎng)絡(luò)的新一代車載總線協(xié)議,其協(xié)議具有消息長度可配置、靜/動態(tài)消息傳輸部分的時間可定制、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等顯著的靈活性特點(diǎn)[9]。FlexRay的媒質(zhì)訪問機(jī)制基于循環(huán)往復(fù)的通信周期,每個通信周期包括靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗口以及網(wǎng)絡(luò)空閑時間[10]。靜態(tài)段和動態(tài)段由時隙構(gòu)成,通過時隙傳輸幀信息,時隙經(jīng)固定的周期而重復(fù)。靜態(tài)段中采用時分多址(TDMA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)定時觸發(fā)消息傳遞,動態(tài)段中采用柔性時分多路訪問(Flexible Time Division Multiple Access,F(xiàn)T?DMA)實(shí)現(xiàn)事件觸發(fā)的方式傳輸事件信息。此外, FlexRay允許用戶根據(jù)實(shí)際情況對靜態(tài)部分和動態(tài)部分的長度進(jìn)行靈活配置。

    Maxim公司推出的MAX299x芯片組支持包括 CENELEC A/B/C,ARIB,F(xiàn)CC規(guī)定的全部窄帶PLC頻段,能夠在10~490 kHz頻帶提供最高100 Kb/s的傳輸速率,MAC層支持CSMA/CA通道訪問仲裁和自動重傳請求(ARQ)功能。但在實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)時,一方面出于低功耗和EMC設(shè)計考慮,通常采用供電要求更低的32 Kb/s速率,此時不能完成64 Kb/s PCM數(shù)字化話音的傳輸;另一方面,MAX299x MAC層的沖突避讓算法不能保證信息傳輸時間的確定性。因此本文基于FlexRay靜態(tài)周期和動態(tài)周期可變長思想設(shè)計一種應(yīng)用層組網(wǎng)協(xié)議,實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和數(shù)話同傳調(diào)度。該協(xié)議的核心內(nèi)容為:

    (1) 應(yīng)用層將MAC子層所屬的數(shù)據(jù)鏈路層視為共享媒介,應(yīng)用層基于硬件狀態(tài)信號對數(shù)據(jù)鏈路層LLC子層進(jìn)行沖突檢測,從源頭上避免沖突發(fā)生;根據(jù)業(yè)務(wù)類型采用靜態(tài)和動態(tài)時隙傳輸數(shù)據(jù),保證實(shí)時性;

    (2) 在靜態(tài)段,時隙的數(shù)目是固定的,且不論有無靜態(tài)消息需要發(fā)送,各時隙的長度均保持不變且彼此相等。靜態(tài)段時隙的長度是由全網(wǎng)配置參數(shù)gStaticSlot規(guī)定的;

    (3) 在動態(tài)段,引入了一個稱為最小時隙minSlot的概念。動態(tài)段的長度是由其所包含的minSlot的數(shù)目決定的,該數(shù)目用參數(shù)gMinslotsNum表示。在動態(tài)段,如果在某個時隙內(nèi)沒有消息需要發(fā)送,那么該時隙的長度非常短(長度等于一個minSlot的長度,用參數(shù)gMiniSlot表示;反之,如果有消息需要發(fā)送,則時隙的長度等于發(fā)送整個消息所需的minSlot的數(shù)目;

    (4) 在靜態(tài)段或動態(tài)段的某個時隙內(nèi)部,僅有一個節(jié)點(diǎn)被允許向鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù),且接收節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符(NodeId)與接收消息中目的地址相等時,才允許主動發(fā)送數(shù)據(jù)。NodeId是在系統(tǒng)設(shè)計階段靜態(tài)地分配給各節(jié)點(diǎn)的,由于同一NodeId不允許被分配給不同的節(jié)點(diǎn),可以確??偩€上不會發(fā)生媒質(zhì)訪問沖突現(xiàn)象。

    1.2 PLC數(shù)話同傳設(shè)備的硬件總體設(shè)計

    為實(shí)現(xiàn)低速PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)的靈活構(gòu)建,PLC數(shù)話同傳設(shè)備采用主機(jī)模塊和接入模塊相分離的原則進(jìn)行設(shè)計,兩者通過數(shù)據(jù)接口、鏈路狀態(tài)接口通信。其中主機(jī)模塊的CPU采用PowerPC處理器,運(yùn)行應(yīng)用組網(wǎng)軟件,完成對接入模塊的信道控制和業(yè)務(wù)調(diào)度。接入模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和數(shù)字信號的數(shù)字化調(diào)制,提供電力線連接接口,其控制器采用MAX2990[11],模擬前端采用MAX2991[12]。硬件組成框圖如圖1所示。

    1.3 硬件開發(fā)

    1.3.1 接入模塊開發(fā)

    接入模塊主要由微控制器MAX2990和模擬前端MAX2991等芯片電路組成。MAX2990在單個芯片內(nèi)集成了物理層(PHY)和媒體訪問控制(MAC)層,以及 Maxim的16位RISC MAXQ微控制器,芯片內(nèi)有32 KB閃存,用于運(yùn)行MAC編碼和用戶定義的應(yīng)用軟件,還帶有8 KB SRAM用于數(shù)據(jù)存儲。另外,MAX2990支持UART,SPI,I2C等串行接口。發(fā)送時,經(jīng)MAX2990處理的數(shù)字信號由模擬前端芯片MAX2991進(jìn)行DAC變換成模擬信號,經(jīng)電力線耦合電路將信號送上電力線,完成信號的發(fā)送;接收時,電力線上的信號先通過低通濾波器濾波后,經(jīng)模擬前端芯片MAX2991送到MAX2990進(jìn)行處理。

    在實(shí)際的硬件設(shè)計過程中,PLC接入模塊電路設(shè)計必須考慮以下幾個關(guān)鍵點(diǎn):

    (1) 電源電路的設(shè)計必須兼顧5 V和12 V兩種供電方式,并能切換,以滿足不同應(yīng)用場合的需求。如在能耗要求嚴(yán)格的場合使用5 V供電,有利于降低PLC設(shè)備/裝置的整體功耗,此時傳輸速率為32 Kb/s;在能量許可的條件下,可使用12 V供電,此時傳輸速率可提高到100 Kb/s。

    (2) 為了提高接入模塊的通用性,應(yīng)引出UART,I2C和SPI三種數(shù)據(jù)接口,方便接入模塊以子卡方式內(nèi)置于各種設(shè)備;鏈路狀態(tài)接口基于通用GPIO實(shí)現(xiàn)。

    (3) 起耦合和隔離作用的變壓器對節(jié)點(diǎn)間通信距離和誤碼率影響很大,應(yīng)根據(jù)CENELEC A/B/C,ARIB,F(xiàn)CC等工作模式和模擬前端(FAE)選擇合適的變壓器。PCB布線時應(yīng)預(yù)留足夠的變壓器裝配空間。耦合部分電路如圖2所示。

    耦合部分TB1為交流220 V AC端子,經(jīng)過一個LC串聯(lián)諧振電路,進(jìn)入到耦合變壓器。P6是模式選擇跳線,用來針對不同的頻段進(jìn)行選頻,其中1和2連接表示選擇CENELEC A頻段,3和4連接表示選擇CENELEC B,C,F(xiàn)CC頻段。

    耦合部分的主體是耦合變壓器,表1給出一組適合CENELEC A頻段的耦合變壓器參數(shù)。

    1.3.2 主機(jī)模塊硬件設(shè)計

    主機(jī)模塊主要包含電源管理單元電路,MPC8313處理器,F(xiàn)PGA,DSP AC481電路。電源管理單元負(fù)責(zé)整個模塊的電源處理,處理器利用自帶的UART,I2C接口與接入模塊通信,利用通用GPIO管腳實(shí)現(xiàn)鏈路狀態(tài)接口;FPGA模塊實(shí)現(xiàn)靈活的SPI數(shù)據(jù)接口,并將DSP采集的數(shù)字話音轉(zhuǎn)發(fā)給處理器。原理框圖如圖3所示。

    圖3 主機(jī)模塊原理圖

    1.4 軟件開發(fā)

    1.4.1 應(yīng)用組網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)

    PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)采用半雙工方式通信,網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個主站,主站和分站之間采用數(shù)據(jù)消息復(fù)用成控制消息方式進(jìn)行交互,即主站依次向各分站發(fā)送查詢命令消息,目標(biāo)站接收后發(fā)送應(yīng)答消息。當(dāng)無業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需發(fā)送時,查詢命令消息和應(yīng)答消息攜帶網(wǎng)管包,且在靜態(tài)段發(fā)送;當(dāng)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)待發(fā)時,攜帶數(shù)據(jù)包和話音包,在動態(tài)段發(fā)送。一個網(wǎng)管型消息傳輸時間總是固定不變的,即構(gòu)成靜態(tài)段時隙的長度,由全網(wǎng)配置參數(shù)gStaticSlot規(guī)定,默認(rèn)為40 ms。業(yè)務(wù)型消息因數(shù)據(jù)流和話音流的長度可變,多個消息構(gòu)成動態(tài)段。本文中動態(tài)段最小時隙長度minSlot為10 B的G.729話音生成時間,即10 ms。整個動態(tài)段時隙長度取決于數(shù)據(jù)和話音封包的時間間隔,默認(rèn)取60 ms,因此參數(shù)gMinslotsNum=6。

    網(wǎng)管型和業(yè)務(wù)型消息均由主機(jī)模塊作為源頭發(fā)起,接入模塊對消息中的網(wǎng)管包解析處理完成自身站點(diǎn)配置過程,對消息中數(shù)據(jù)包或話音包(含數(shù)話同傳包)做透明傳輸。網(wǎng)絡(luò)中每個站點(diǎn)均維持一個組網(wǎng)狀態(tài)機(jī),狀態(tài)機(jī)中正常主動態(tài)是指主站作為發(fā)話方,此時主站負(fù)責(zé)發(fā)送查詢命令消息,從站接收該消息的狀態(tài)。正常被動態(tài)是指從站作為發(fā)話方,從站負(fù)責(zé)發(fā)送查詢命令消息,主站接收該消息的狀態(tài)。兩種狀態(tài)的跳變由網(wǎng)管消息中的呼叫信令觸發(fā)。組網(wǎng)狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

    1.4.2 接入模塊軟件實(shí)現(xiàn)

    接入模塊軟件運(yùn)行在Max2990上,采用C語言開發(fā)。集成開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for Maxim MAXQ[13]。主要完成UART數(shù)據(jù)接口/GPIO狀態(tài)接口初始化,PHY層初始化,MAC層初始化。核心代碼包括四個部分:PHY層收發(fā)包中斷處理;MAC層收發(fā)包中斷、CRC錯報包中斷處理;UART等數(shù)據(jù)接口包解析和PHY幀填充;線路空閑狀態(tài)檢測及鏈路狀態(tài)上報。

    接入模塊軟件編程過程中必須注意char,short,int,long等數(shù)據(jù)類型的使用,因Max2990為16位微處理器,int數(shù)據(jù)類型為16 b,要使用32 b的變量必須用long類型定義。

    1.4.3 主機(jī)模塊軟件實(shí)現(xiàn)

    主機(jī)模塊軟件作為嵌入式Linux用戶空間程序運(yùn)行在MPC8313處理器上,采用C語言開發(fā)。主要完成組網(wǎng)狀態(tài)機(jī)的管理,DSP話音包處理,UART等數(shù)據(jù)接口消息的封裝和解析。數(shù)據(jù)接口消息格式如圖5所示。

    軟件編程的重點(diǎn)是數(shù)話同傳包的組裝和拆分。通話狀態(tài)下,定時器周期性從DSP讀取G.729數(shù)據(jù),60 ms內(nèi)生成60 B話音數(shù)據(jù)。如果定時周期結(jié)束時無應(yīng)用數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則消息的正文直接填充話音數(shù)據(jù);如果有應(yīng)用數(shù)據(jù)需發(fā)送,則應(yīng)用數(shù)據(jù)填充到話音數(shù)據(jù)后,生成數(shù)話同傳包。

    2 PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析

    業(yè)務(wù)響應(yīng)時延和通信距離是低速PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能,分析該指標(biāo)有利于開展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。利用前文所述方法研制的PLC數(shù)話同傳設(shè)備構(gòu)建串型網(wǎng)絡(luò)或星型網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。

    首先分析業(yè)務(wù)響應(yīng)時延,方法如下:

    (1) 在主站點(diǎn)0和站點(diǎn)1的用戶計算機(jī)上分別運(yùn)行專用數(shù)傳測試軟件TxTester收發(fā)數(shù)據(jù),通過頭戴的PPT控制發(fā)話音。數(shù)傳測試軟件界面如圖7所示。

    (2) 利用配置消息調(diào)整所有站點(diǎn)靜態(tài)段時隙gStaticSlot和動態(tài)段最小時隙數(shù)目gMinslotsNum,如取值為(40 ms,4),(50 ms,5),(60 ms, 6)等。通過數(shù)傳測試軟件控制用戶數(shù)據(jù)的發(fā)包間隔和包大小,如每隔10 ms發(fā)100 B,20 ms發(fā)300 B。數(shù)話同傳過程中,接收端收包間隔如圖8所示。

    測試表明:數(shù)話同傳時,滿足話音清晰可懂且數(shù)據(jù)無丟包要求的最佳網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為(40 ms,5),13個節(jié)點(diǎn)的串型或星型拓?fù)湎履苤С钟脩魯?shù)據(jù)發(fā)送間隔最小達(dá)60 ms(數(shù)據(jù)長度300 B),數(shù)話通信延時60.8 ms。

    通信距離分析方法:在給定頻段下,網(wǎng)絡(luò)通信距離受電力線的輸入阻抗與接入模塊輸出阻抗匹配程度、傳輸?shù)亩鄰叫?yīng)、信號衰減等因素影響。本文首先選定CENELEC A頻段和理論參數(shù)最理想的變壓器;在網(wǎng)絡(luò)中相距最遠(yuǎn)兩站點(diǎn)的應(yīng)用層以及PHY?MAC傳接處兩個環(huán)節(jié)上進(jìn)行報文收發(fā)統(tǒng)計;調(diào)整串行或星型拓?fù)湎赂髡军c(diǎn)的數(shù)量和距離;啟動各種長度的數(shù)話同傳,記錄和統(tǒng)計丟包率,曲線如圖9所示。

    試驗(yàn)結(jié)果表明:通信距離受線路輸入阻抗影響最大;13個站點(diǎn)組網(wǎng)時,串行拓?fù)湎伦钸h(yuǎn)兩個節(jié)點(diǎn)間數(shù)話同傳距離可達(dá)6 km(其他站點(diǎn)可位于該線路的任意位置),星型拓?fù)湎轮行恼九c分站之間數(shù)話同傳的通信距離可達(dá)10 km。

    3 結(jié) 語

    本文提出的基于FlexRay靜態(tài)段定時觸發(fā)和動態(tài)段事件觸發(fā)思想的組網(wǎng)協(xié)議,適用于低速PLC網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層,創(chuàng)新了低速PLC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)話同傳業(yè)務(wù)的方法。以組網(wǎng)協(xié)議的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ),詳細(xì)描述了基于Maxim芯片研制低速PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件和硬件開發(fā)過程,總結(jié)出了具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。通過協(xié)議在32 Kb/s速率PLC數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行分析表明,基于該應(yīng)用組網(wǎng)協(xié)議和Maxim芯片構(gòu)建的低速PLC網(wǎng)絡(luò)能可靠地傳輸發(fā)送頻繁的用戶數(shù)據(jù)和清晰的話音,具有通信距離長和業(yè)務(wù)響應(yīng)時延小的特點(diǎn)。

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