1 引言
目前有一定規模的學校均建有基于網絡的校園消費信息管理系統，建立一個穩定可靠、擴充和維護方便的該類系統，關鍵是建立一個適用于校園消費環境的信息傳輸網絡。目前校園消費信息管理系統底層網絡多采用RS-485 總線的組網方式。采用RS-485 總線組網具有結構簡單、成本低等優點，但RS-485 總線無故障定位和錯誤處理功能，組網的靈活性不強。隨著互聯網的日益普及，也有一些學校的校園消費信息管理系統采用以太網的組網方式，將每個消費節點就近聯接于校園網上。這種組網方式的特點是能夠充分利用現有的網絡資源，能方便的進行遠程訪問，但在目前情況下，這種方式的不足是組網費用較高，實時響應能力不強，網絡完全依賴于校園網，而校園網并不能保證安全可靠。當然，互聯網具有巨大的優勢和應用前景，但就傳輸信息量較小，實時性要求較高的校園消費信息管理系統底層網絡而言，以太網并非最佳選擇。
本文提出了一種基于CAN網控器的性能價格比較高的校園消費信息管理系統底層網絡設計方案。CAN總線具有傳輸速率高，抗干擾能力強，硬件連接方便等突出特點，在智能汽車，分布式信息的采集與控制等方面得到了廣泛的應用。將CAN總線應用于校園消費信息管理系統底層網絡設計中，其組網成本與采用RS-485總線相當，而使用、維護和擴充則都更為方便。與以太網相比則具有價格低、實時性好、可靠性高等優點。欲了解更多信息請登錄電子發燒友網(http://www.elecfans.com)
2 CAN 網控器
由于現在許多學校校園面積較大，各消費點又非常分散，需要有一種網絡設備能將各消費點與服務器連接起來，實現消費信息的高效實時傳輸。這樣的網絡設備一般采用的是中繼器，本文提出了采用CAN 網控器的方案。系統中所設計的CAN 網控器不僅具有中繼的功能，更重要的是它充分利用了CAN 總線控制器可靈活配置的特點，在兩個CAN 子網之間實現報文的過濾，使各個子網都能高效運轉，而這些對于各CAN 節點和服務器而言都是透明的。因而，CAN 網控器是校園消費信息管理系統組網的關鍵設備，它可以提高網絡設計的靈活性，極大的擴展其使用范圍。CAN 網控器由微處理器和兩路CAN 控制器接口組成，網控器中有E2PROM，用于保存網控器的配置參數等信息。由于通信對實時性的要求以及CAN 網控器所用微處理器的內部緩存容量有限，微處理器采用了FIFO 機制來管理內部RAM，提高內存使用效率。
3 校園消費信息管理系統網絡設計
3.1 校園消費信息管理系統網絡結構
校園消費信息管理系統網絡主體由三部分構成：消費信息管理中心服務器，CAN 網控器，網絡終端(包括窗口機、充值機、掛失機等)，其中CAN 網控器是組網的核心設備。基于CAN網控器的校園消費信息管理系統已在某大學成功得到應用，其網絡結構如圖1 所示。從圖中可以看出，網控器將窗口機等終端與服務器連結起來。在該網絡結構中，網控器共分兩級。一級網控器一端與服務器相連，另一端則與各個消費現場的窗口機等終端構成的子網相連。一級網控器全部位于消費信息管理中心，采用這種方式一方面是為管理和維護提供了方便，另一方面則是由于一級網控器離服務器的距離都很近，可以采用高達320Kbps 的通信速率。圖中網控器5 為二級網控器。采用兩級網控器設計，使系統的通信距離可達5km 以上，網絡終端數目幾乎不受限制。
為了提高網絡的可靠性，系統中每個CAN 節點與總線之間均采用光電耦合器耦合，這樣可以有效的進行故障隔離，保護網絡設備的安全。為了提高網絡的易維護性，可以充分利用CAN 總線在差錯控制與故障處理方面的能力，采用服務器定期查詢各網絡設備當前狀態的辦法，使服務器及時掌握整個網絡的當前運行情況，便于更好的管理和維護，網絡出故障時也可以用它來進行故障定位，及時排除故障。
圖 1 校園消費信息管理系統網絡結構
3.2 校園消費信息管理系統網絡配置
校園消費信息管理系統網絡的許多功能都是借助各CAN 通信節點的網絡通信參數的配置得以實現的，這種配置有點類似以太網IP 地址的分配。系統中各網絡設備的參數配置包括標識符(ID)的分配，驗收屏蔽寄存器(AMR)、驗收碼寄存器(ACR)和波特率(BTR)等參數的設置。網絡設備可通過服務器進行參數的自動配置，所有配置的參數均保存在服務器的數據庫中。
如圖2 所示，在系統網絡設備的參數配置中，重點考慮的一個方面是標識符的分配。在本系統中只采用了CAN 總線29 位標識符中的21 位，其中高8 位用作通信時的命令字節。由于一個網絡中標識符的唯一性，21 位標識符的分配必須由服務器根據網絡設備所處子網的不同統一分配，另外驗收屏蔽寄存器(AMR)、驗收碼寄存器(ACR)和波特率(BTR)等參數也與所處子網有關。
表1 21 位標識符的分配
21 位標識符共分4 段，按表1 的分段方式進行分配，各網絡設備的具體ID 分配如圖2所示。服務器位于干線上，一級網控器的一端接在干線上，另一端與子網相連，網控器1和網控器2 均為一級網控器。網控器3 為二級網控器，二級網控器接在由一級網控器構成的子網中，同時該子網中也接有窗口機或掛失機等終端。系統采用兩級網絡結構。
AMR 與ACR 的配置是與該設備的ID 相配合的，其具體配置方式如圖2 所示。在本系統中，服務器、網控器和終端均采用擴展幀的單濾波方式。采用圖2 的配置方式，窗口機發送的信息只會由網控器轉發給服務器，而不會轉發到其它子網中，而服務器發給窗口機的信息也只會由網控器轉發給窗口機所在子網中，即具有報文過濾功能。波特率(BTR)的配置在圖2 中沒有提到，它也是需要配置的一個參數，設備與所連網絡的波特率參數保持一致。
在服務器中有相應的數據庫和操作界面來實現上述參數的配置功能，配置時通過界面選擇設備類型和所屬服務區，由服務器根據相關規則和數據庫中存儲的信息生成配置信息，實現設備網絡參數的自動配置。
圖 2 網絡參數配置圖
3.3 校園消費信息管理系統網絡性能分析
采用上述網絡結構和參數配置方法設計的網絡充分發揮了CAN 總線的特點，能完全滿足校園消費信息管理系統對網絡帶寬和實時性的要求。如圖1 所示，由于一級網控器離服務器的距離都很近，與服務器相連的干線通信速率可達320Kbps 甚至更高，這樣CAN 總線通信速度快的優勢就充分得到了發揮。
在網絡的設計過程中對其實時響應能力進行了反復的模擬測試，測試時的環境如下：服務器采用PIV 2GHz HP 計算機，編程語言為Delphi，干線速度為320Kbps，通過三臺網控器分別連接三臺窗口機，速度分別80Kbps、80Kbps 和40Kbps。三臺窗口機均工作于全速模擬消費狀態，當服務器的響應數據庫采用Delphi 本地數據庫時，響應次數可高達120次/s 以上，而當數據庫為SQL Server 2000 時，響應次數則降為60 次/s 左右。同樣的網絡環境，系統的實時響應能力卻相差很大，而這主要是與服務器的響應速度有關。通過下面的分析能夠更加清楚的明白這一點。
每次正常的消費過程共包括4 幀數據，總的通信量約500bit。按響應次數為60 次/s計，則所需帶寬為30Kbps，遠小于320Kbps。所以影響響應次數的主要因素不是網絡帶寬，而是服務器的響應能力。在現有320Kbps 的帶寬下，完全可以滿足200 次消費/s 的網絡通信要求。為了提高響應次數，應該提高服務器的運算速度和優化軟件設計。
上面所講的響應次數只是在平均意義上的系統響應能力，但具體到每一臺窗口機最能反映其實時響應性能的是響應延時(TR),即從窗口機向服務器提出響應請求到收到服務器的響應數據所經過的時間。這段時間由兩部分構成：網絡延時(Tn)和服務器的處理延時(Tp)。
TR= Tn + Tp (1)
要討論嚴格意義上Tp 的大小是很困難的，而其平均值大體可由服務器的每秒響應次數來衡量。Tp 值對于每臺窗口機而言都是相同的，因而不同窗口機實時響應性能的差異主要是由于Tn 的不同造成的。K.Tindell 在其文章中對CAN 總線系統在最壞情況下的延時特性進行了分析，本文中所討論的CAN 總線系統模型要簡單一些。如圖1 所示，設新食堂中的窗口機數目最多，共有40 臺，因而可能的網絡延時也是最大。
窗口機m 從請求發送到服務器收到數據所需的時間(Rm)可由(2)式表示。
Rm= Tm + Cm (2)
式中Tm 是指發送一幀數據所需的時間，Cm 是窗口機m 競爭獲得總線所需的時間。Cm 的大小主要取決于窗口機標識符(ID)的大小，ID 越小，優先級越高，則Rm 越小，反之則越大。最壞情況下的最長延時為優先級最低(ID 最大)的窗口機(設為40 號窗口機)的延時。由于消費過程數據傳輸的特殊性，優先級最低的窗口機一般只須等到比其優先級高的所有窗口機發送一幀數據即可，所以可設該窗口機在最壞情況下C40 的大小為：
(3)
設每幀數據的大小為150bit，在通信速率為80Kbps 的情況下，40 號窗口機在最壞情況下的Rm 約為75ms。若考慮網控器的轉發延時和在干線上的競爭延時，Rm 最大不會超過150ms。而網絡延時Tn 最大為Rm 的兩倍，即：
Tn=2Rm≤300ms (4)
若Tp 以20ms 計算，則響應延時TR 最大為320ms。這段時間對于窗口機的實際使用沒有太大的影響，而且這是在最壞情況下的延時，本身出現的概率就很小，因而完全不影響實際使用。
4 結論
文章通過分析常用校園消費信息管理系統網絡的不足，引入了一種基于CAN 網控器的校園消費信息管理系統網絡設計方案。文章詳細分析了由CAN 網控器構成的校園消費信息管理系統底層網絡的網絡結構和配置方法，對網絡帶寬和最壞情況下的延時等問題進行了討論。通過這些分析和討論，可以看出所設計的網絡具有以下特點：
●抗干擾能力強，通信距離遠，可達 3～5km
● 具有自動配置與狀態反饋功能,使用和維護方便
●具有實時響應能力，最大響應延時不超過 320ms
●可連接的網絡終端數目多，擴容方便，成本低廉
該網絡只是校園消費信息管理系統的一個具有較高性價比的底層網絡，而現在許多學校都有多個校區，這就要求網絡具有遠程訪問能力，這種情況可以借助互聯網或在校區之間架專線的辦法得以實現。