CAN總線在高可用容錯系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：本文設(shè)計了一種通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是建立在高可用容錯系統(tǒng)下的子系統(tǒng)。通信系統(tǒng)進行了冗余設(shè)計，容錯系統(tǒng)中單元之間的數(shù)據(jù)通信，是通過通信總線來實現(xiàn)的。該系統(tǒng)采用的是可靠性較高的CAN總線及接口控制器來實現(xiàn)的，這種總線具有，成本低、傳輸距離較長、數(shù)據(jù)傳輸速率高等多種高可靠高實時性，所應(yīng)具備的特點。

關(guān)鍵詞：CAN；容錯；高可靠性

中圖分類號：TP302.8

本文所描述的容錯通訊系統(tǒng)，應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的高可用容錯計算機系統(tǒng)中。容錯通訊系統(tǒng)負責(zé)容錯系統(tǒng)中單元之間的數(shù)據(jù)通信功能，該系統(tǒng)是由冗余的CAN總線（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）作為核心，與控制器、收發(fā)器共同實現(xiàn)的。希望本論文能夠得到同行在此類設(shè)計中參考。

1 高可用容錯系統(tǒng)的組成

整個系統(tǒng)在硬件上采用飛行器普遍適用的三模冗余設(shè)計，系統(tǒng)采用上位機--下位機模式，上位機為普通的PC機，負責(zé)下位機程序的下載、程序的調(diào)試、程序的監(jiān)控、控制軟件的開發(fā)；上位機與下位機通過CAN總線相連接，CAN總線負責(zé)兩方數(shù)據(jù)的傳輸；下位機則執(zhí)行各種應(yīng)用任務(wù)，并向上位機反饋信息。整個開發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示。

圖1 開發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 冗余通信系統(tǒng)的設(shè)計

該通信系統(tǒng)由冗余的兩條CAN總線構(gòu)成，總線1與總線2?？偩€2作為總線1的備份，當總線1出現(xiàn)故障時，總線2替換總線1，其次序的控制由軟件完成，從而實現(xiàn)通訊線路的容錯。CAN總線包括CAN總線控制器以及CAN總線收發(fā)器模塊。

2.1 CAN總線特點及結(jié)構(gòu)

CAN總線在國際現(xiàn)場總線控制領(lǐng)域中有著極廣泛應(yīng)用的總線。與CAN總線特點對比的對象，是具有代表性、并經(jīng)常在總線控制中使用的RS-485總線，它似于RS-232總線，只定義了物理層并定義了電平的標準?；贑AN總線的控制系統(tǒng)相對于構(gòu)建在R線之上的基于RS-485的控制系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢，如表1[2]所示：

表1 總線比對項目

比對參數(shù)CAN-busRS-485

單節(jié)點成本稍高極低

系統(tǒng)成本較低高

總線利用率高低

數(shù)據(jù)傳輸率高低

網(wǎng)路特性多主網(wǎng)路單主網(wǎng)路

通信失效率極低高

通信范圍10km（5kbps）<1.5km

網(wǎng)路協(xié)議標準CAN-bus協(xié)議標準Modbus協(xié)議

節(jié)點故障的影響無影響整個網(wǎng)路死鎖

網(wǎng)路調(diào)試極易困難

容錯機制可靠的錯誤檢測及處理機制無

維護成本低高

CAN總線包括控制器、CAN控制器以及CAN的收發(fā)器模塊。

在整個通信系統(tǒng)中，模塊的控制器由單機系統(tǒng)中的處理器來負責(zé)。CAN控制器主要的功能是，在網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系中，負責(zé)對物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的進行設(shè)置，它的物理實體就是一塊可編程芯片，其功能的實現(xiàn)是通過對之上的邏輯電路進行組合來完成的。實際上，CAN控制器就是將CAN總線與微處理器結(jié)構(gòu)線路連接在一起的端口，數(shù)據(jù)正常的接收與發(fā)送是通過其上運行的程序使得CPU能夠?qū)λ绾喂ぷ鬟M行設(shè)置完成的。CAN收發(fā)器是能否正常運行關(guān)系到通信系統(tǒng)的可靠性、安全性以及電磁兼容性能否保證的關(guān)鍵。通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[3]如圖2所示。

圖2 CAN結(jié)構(gòu)及使用器件

2.1.1 CAN控制器

本次系統(tǒng)的設(shè)計使用的是Philips公司生產(chǎn)的SJA1000芯片，它是對CAN獨立控制的。其中包括了兩種操作模式BasicCAN（0-31，32個寄存器可用）與PeliCAN（0-127，128個寄存器可用）。PeliCAN模式則是SJA1000生產(chǎn)后才有的，這種模式主要是對CAN2.0B（3.4.2中給出）技術(shù)規(guī)范的適用。SJA1000具有的特點概括如下：（1）引腳的電氣參數(shù)對PCA82C200完全適用；（2）對CAN2.0A與CAN2.0B同時適用；（3）11位與29位的標識碼都是被接受的，通訊速率為1Mbps；（4）具有FIFO模式的64字節(jié)的可擴展接收緩沖器；（5）PeliCAN工作模式中具有擴展選擇，具體有：無第二的單次發(fā)送、對熱插拔的支持、最后一次錯誤代碼寄存器、可供讀寫的錯誤寄存器、可以設(shè)定的錯誤提示限額寄存器、中斷一個總線錯誤、對仲裁丟失中斷有明確的位進行顯示、當子請求接收時對本身報文的接收。這些特性都容錯設(shè)計中適用的。

2.1.2 CAN收發(fā)器

本次通信系統(tǒng)所使用的收發(fā)器芯片是PCA82C250，它具有如下特點：（1）適用于ISO11898標準；（2）有1Mbps的傳輸速率；（3）具有過熱保護功能；（4）具有在電源、總線以及地間短路的保護功能；（5）在電流低時，進入待機狀態(tài)；（6）沒有上電的節(jié)點對總線不產(chǎn)生干擾。

所使用的收發(fā)器是集成了PCA82C250芯片的zlg生產(chǎn)的USBCAN智能CAN接口卡，目的是可將CAN總線通過USB總線連接到PC機，從而使PC機可以對通訊系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)進行調(diào)試控制。它的特點是支持2路獨立CAN通道，這是對冗余總線的支持；CAN2.0B規(guī)范，我們將接口設(shè)計成29位；波特率可設(shè)置在5kpbs-1Mbps內(nèi)，方便調(diào)試和通信。

2.2 CAN總線的報文傳輸與幀在系統(tǒng)中配置

幀的兩種標識符的長度將幀分為兩種不同的形式，第一種是標準幀，其中包括11位的標識符；第二種為擴展幀，它包括29位標識符。針對三機備份容錯系統(tǒng)中需要對節(jié)點的身份以及對報文所表示的含義（數(shù)據(jù)或狀態(tài)）進行具體的識別，因此第二種幀的形式，即擴展幀更適于對幀的配置。

在對報文的傳輸過程中，幀被分為四種，數(shù)據(jù)幀、錯誤幀、過載幀以及遠程幀。數(shù)據(jù)幀來負責(zé)將數(shù)據(jù)由發(fā)送器送達到接收器；錯誤幀是當總線中出現(xiàn)錯誤并被總線中的任一單元發(fā)現(xiàn)，則這一單元就會發(fā)送錯誤幀；過載幀所提供的是一個額外的延遲，目標是遠程幀或是接近數(shù)據(jù)幀；遠程幀是由總線單元所發(fā)出的，用來對這擁有一標識符數(shù)據(jù)幀傳遞的詢問。

針對本次系統(tǒng)中方便系統(tǒng)對具體功能的實現(xiàn)，以及增強通信的可操作性，對數(shù)據(jù)幀進行了配置與定義[4]如表2所示。

表2 系統(tǒng)中幀的定義

幀信息頭FF=1RTR=0XXDLC

擴展幀數(shù)據(jù)幀不影響幀數(shù)據(jù)部分長度（≤8）

幀標識符ID28ID27ID26ID25ID24ID23ID22ID21

報文類型

ID20ID19ID18ID17ID16ID15ID14ID13

DestMAC ID（目標節(jié)點編碼）

ID12ID11ID10ID9ID8ID7ID6ID5

SrcMAC ID（源節(jié)點編碼）

ID4ID3ID2ID1ID0XXX

00SegPolo（分段標志）不影響

幀數(shù)據(jù)部分Byte 0

Byte 1

Byte 2

Byte 3

Byte 4

Byte 5

Byte 6

Byte 7

首先是對幀信息頭的定義，這一部分的定義如表二中的前兩行所表示的，共包含8 bit，其中FF為1時代表幀的形式為擴展幀；RTR是遠程訪問請求，值為0說明不設(shè)置；有兩位空置；DLC代表一幀中傳輸數(shù)據(jù)大小，在此處設(shè)為8，即默大小為8字節(jié)。

其次是對幀標識符的定義，這一部分的定義如表二中3～8行所表示，此部分共包含29 bit，除了因格式需要所這置空的后三位外其他位均有定義。

第一部分的ID21-ID28共8位，用作對報文的類型進行編碼，所編碼的內(nèi)容涉及了數(shù)據(jù)的類型以及數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，其中數(shù)據(jù)的類型包括編碼為0000 0000-0111 1111的狀態(tài)信息幀，以及編碼為1000 0000-1111 1111的數(shù)據(jù)信息幀，其中優(yōu)先級的高低與數(shù)值的大小成反比，即數(shù)值越大優(yōu)先級越低。

數(shù)據(jù)信息幀則直接關(guān)系到表二中所示的幀數(shù)據(jù)部分，幀中負載的是非狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)。

狀態(tài)信息幀所包含的內(nèi)容是傳輸過程能否正確完成的重要信息，也是我們對節(jié)點進行檢測的關(guān)鍵信息。包含的內(nèi)容為傳輸相應(yīng)報文、檢測主節(jié)點的報文、顯示節(jié)點檢測報文。

第二部分是表二中所示的5-10行，幀中分別利用了8位（ID5-ID12、ID13～ID20）來定義源節(jié)點編碼（SrcMAC ID）與目標節(jié)點編碼（DestMAC ID），分別用于表示此幀的發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的地址。最后的ID0～ID2的3位用于對是否分段（SegPolo）進行設(shè)置，這與數(shù)據(jù)的大小相關(guān)，由于一幀所傳數(shù)據(jù)設(shè)定在8字節(jié)，當大于8字節(jié)就需要分段傳輸，SegPolo的值為000、001、010分別表示單幀傳輸、多幀中間傳輸以及多幀最后幀傳輸。

2.3 冗余CAN總線的實現(xiàn)

圖3 冗余CAN總線實現(xiàn)流程

通信系統(tǒng)采用的是可靠性較高的進行了冗余設(shè)計的CAN總線，其結(jié)構(gòu)圖如圖三所示，在系統(tǒng)中共有兩條CAN總線CAN0和CAN1，CAN1是對CAN0的備份，當CAN0出現(xiàn)故障時CAN1對CAN0進行替換，并且按照圖三中的流程實現(xiàn)冗余的CAN總線，與系統(tǒng)中兩條CAN總線相配的是，在單機故障恢復(fù)系統(tǒng)中集成在板卡中的兩個SJA1000 CAN控制器，另一端連接有兩路CAN接口的具有PCA82C250芯片，USBCAN收發(fā)器相連，收發(fā)器通過USB總線與PC機相連接，這樣就完成了整個基于CAN總線的高可用通信系統(tǒng)的設(shè)計。

3 結(jié)束語

對實現(xiàn)三機備份容錯系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞、通信及控制的線路—CAN總線的特點與結(jié)構(gòu)既選擇的必要性進行分析，對總線進行了冗余設(shè)計，給出了完整的總線實現(xiàn)方案。該文對容錯的總線設(shè)計具有一定的參考意義。進一步工作是優(yōu)化并完善原型系統(tǒng)的通信能力。

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作者簡介：孫鍇（1985-），男，陜西西安人，碩士，助理工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)；郭瀟（1985-），女，陜西西安人，本科，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

作者單位：中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所十室，西安 710119；華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065