艦船CAN總線通信可靠性研究?

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

隨著海洋領(lǐng)域控制技術(shù)的不斷發(fā)展，艦船武器裝備呈現(xiàn)多元化發(fā)展，種類逐漸增多，功能不斷增強(qiáng)。艦船上設(shè)備的控制一般由電子操作完成，而電子設(shè)備的增多使得艦船控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)逐漸趨于復(fù)雜，采用一主一從的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式需要更多的線路將電子設(shè)備一一連接起來。然而線路的增多，不僅會(huì)增加系統(tǒng)整體的開發(fā)難度，也會(huì)降低設(shè)備工作的可靠性和穩(wěn)定性。因此，需采用更為精細(xì)的通信機(jī)制，既要實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的控制要求，又要盡量降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

CAN總線是一種支持雙向串行多節(jié)點(diǎn)通信的現(xiàn)場(chǎng)總線[1]，它可以有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制，可將多個(gè)設(shè)備連接起來形成可以相互交換信息的控制網(wǎng)絡(luò)。CAN通信具有如下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：通信網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)均可以主動(dòng)發(fā)送報(bào)文；采用短幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)幀長度小于8字節(jié)，實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)；傳輸速率上限可達(dá)1Mbps（總線長度40m），傳輸總線長度可達(dá)10km（傳輸速率5Kbps）；采用逐位仲裁機(jī)制以處理總線上的訪問沖突，可避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓[2]。

對(duì)于復(fù)雜的艦船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，CAN通信方式是一種很好的選擇。然而由于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，且在數(shù)據(jù)傳輸過程中難以避免地存在信號(hào)干擾、傳輸延遲和抖動(dòng)等問題[3]，影響了通信的可靠性。本文對(duì)CAN通信的可靠性理論進(jìn)行研究，對(duì)艦船CAN總線通信可靠性的提高具有重要意義。

2 CAN通信可靠性定義

可靠性，指產(chǎn)品在規(guī)定條件下及規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，可采用可靠度函數(shù)[4]、故障概率密度函數(shù)、平均壽命等方式進(jìn)行描述。

對(duì)于CAN總線通信，可靠性定義通常指在規(guī)定時(shí)間完成一次完整報(bào)文傳輸?shù)哪芰ΑＦ渲?，?guī)定時(shí)間指報(bào)文傳輸?shù)慕刂箷r(shí)間TD。報(bào)文在傳輸過程中，會(huì)存在傳輸阻塞、軟件抖動(dòng)等情況，對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性產(chǎn)生影響[5]。阻塞時(shí)間Tb，指某節(jié)點(diǎn)從準(zhǔn)備發(fā)送報(bào)文至總線網(wǎng)絡(luò)到真正將報(bào)文發(fā)送到總線網(wǎng)絡(luò)的等待時(shí)間；軟件抖動(dòng)時(shí)間Tm，指受到現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)因素影響造成的軟件執(zhí)行時(shí)延。設(shè)報(bào)文一次性發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間為TFrame，若有：

則說明報(bào)文在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成了傳輸?？煽慷瓤捎上率奖硎荆?/p>

fx(X)—隨機(jī)向量X=(X1,X2,...,Xn)的聯(lián)合概率密度函數(shù)，其中X1,X2,...,Xn為阻塞時(shí)間、抖動(dòng)時(shí)間、截止時(shí)間等參數(shù)；g(X)—狀態(tài)函數(shù)，表征傳輸過程中的成功與失敗兩種狀態(tài)。根據(jù)g(X)的表達(dá)式，將隨機(jī)變量X在期望E(X)=處展開為n階泰勒級(jí)數(shù)：

由此表示可靠性指標(biāo)為

進(jìn)而可得可靠度為

Φ(β)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

3 CAN通信可靠性影響因素

影響CAN總線通信可靠性的因素包含三個(gè)方面：硬件因素、軟件因素和外部因素[6]。其中，硬件因素主要指CAN總線中設(shè)備及其中元器件的使用壽命、故障概率等因素；軟件因素主要指CAN通信軟件設(shè)計(jì)的缺陷、通信算法的復(fù)雜度等。

外部因素是影響CAN總線通信的主要因素。由于CAN總線常用于多臺(tái)電子設(shè)備的互聯(lián)，總線中可能會(huì)存在電磁干擾、電源擾動(dòng)或高能粒子流[7]，對(duì)總線的正常通信產(chǎn)生影響。其中，電磁干擾的影響最為明顯，可帶來通信過程中的位翻轉(zhuǎn)、CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤等影響。電磁干擾的存在會(huì)使得系統(tǒng)性能及傳輸能力下降，干擾源、干擾途徑和被干擾設(shè)備是電磁干擾的三大要素[8]。其中，干擾源包含設(shè)備中電磁元件帶來的干擾、總線中其他電子設(shè)備帶來的干擾、磁暴和雷電等自然干擾、雷達(dá)和廣播等人為干擾等；干擾途徑包含輻射耦合和傳導(dǎo)耦合[9]。輻射耦合指輻射源通過空間輻射的電磁能量所形成的耦合[10]，如雷電、高壓電線、大功率天線等，沒有直接的線路連接；傳導(dǎo)耦合指由線路中的干擾所形成的耦合，有直接的線路連接，主要包含電阻耦合和電容耦合。電阻耦合干擾[11]，指CAN通信中的地電位受到其他電路與公共地間回路的阻抗的調(diào)制，干擾信號(hào)通過公共地阻抗耦合到CAN總線中造成的影響；電容耦合干擾[12]，指線路中的干擾電壓經(jīng)過電容耦合到CAN通信線路中所造成的干擾。

4 提高CAN通信可靠性的方法

提高CAN通信可靠性的方法包括硬件方法與軟件方法。其中，硬件方法主要基于硬件設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)，軟件方法主要為CAN通信算法的設(shè)計(jì)。

4.1 硬件設(shè)計(jì)

1）基于驅(qū)動(dòng)器的冗余設(shè)計(jì)

對(duì)CAN總線驅(qū)動(dòng)器級(jí)的冗余設(shè)計(jì)思想如下：CAN通信總線上共有兩條通信線纜，總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)均采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)控制器。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器；在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，可通過控制器對(duì)接收通道的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行選擇。原理框圖如圖1。

圖1 基于驅(qū)動(dòng)器的冗余設(shè)計(jì)原理框圖

CPU可對(duì)數(shù)據(jù)接收狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置接收時(shí)間閾值。若在閾值時(shí)間以內(nèi)未接收到數(shù)據(jù)，則可能存在當(dāng)前CAN總線線路異常情況。通過I/O控制切換當(dāng)前的CAN通信線路以繼續(xù)進(jìn)行通信，可大大提高通信的可靠性。

2）基于總線系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

對(duì)CAN總線系統(tǒng)級(jí)的冗余設(shè)計(jì)思想如下：該設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完全冗余，即采用兩套系統(tǒng)進(jìn)行工作。若采用當(dāng)前CAN系統(tǒng)時(shí)，CPU未能在閾值時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到數(shù)據(jù)，則對(duì)CAN系統(tǒng)進(jìn)行切換后繼續(xù)進(jìn)行通信。原理框圖如圖2。

圖2 基于總線系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)原理框圖

通信系統(tǒng)工作中，當(dāng)判定通信故障時(shí)，通過對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行快速切換，可保證CAN通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件方式中，采用一種基于冗余路徑的配置算法[13]。在硬件上進(jìn)行總線冗余設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，該算法能夠提前計(jì)算CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的流量的冗余路徑，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可以迅速對(duì)各個(gè)流量的備用路徑進(jìn)行部署，以降低通信系統(tǒng)的故障率，提高可靠性。

對(duì)通信線路故障恢復(fù)問題進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立：

E為網(wǎng)絡(luò)中的鏈路的集合；V為網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)的集合；Dsd為由S點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)的路徑的集合；B為被選中的所有備用路徑的集合；F為需被重新路由的流量的集合；CP為路徑P的可用帶寬；fi為流量；C（fi）為流量fi的需求帶寬為指示函數(shù)，該值等于1時(shí)指代路徑p為備用路徑，等于0時(shí)則未被選為備用路徑；為指示函數(shù)，該值等于1時(shí)指代鏈路（i，j）屬于路徑p，等于0則不屬于路徑p。

基于冗余路徑的算法設(shè)計(jì)如下：

1）總線中的每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)將自己的鏈路狀態(tài)報(bào)告給中央控制器，如當(dāng)前連接狀態(tài)、鏈路負(fù)載等；

2）根據(jù)流量需求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，中央控制器為當(dāng)前路徑搜尋其冗余路徑，對(duì)路徑長度、路徑提供的流量帶寬進(jìn)行排序以選出最佳冗余路徑，并對(duì)該路徑上的各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置；

3）當(dāng)通信過程中出現(xiàn)故障時(shí)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)將故障信號(hào)報(bào)給中央控制器。中央控制器收到報(bào)警信號(hào)后，直接將當(dāng)前路徑切換為冗余路徑。

采用基于冗余路徑的配置算法，當(dāng)通信線路發(fā)生故障時(shí)，能夠迅速進(jìn)行切換至冗余路徑，省去了路徑配置和故障恢復(fù)時(shí)間，對(duì)提高CAN通信的實(shí)時(shí)性和可靠性具有重要作用。

5 結(jié)語

CAN總線是一種支持雙向串行多節(jié)點(diǎn)通信的現(xiàn)場(chǎng)總線，在復(fù)雜的艦船通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有很好的適用性。然而CAN總線網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，且在傳輸過程中難以避免信號(hào)干擾等問題，影響了通信的可靠性。本文對(duì)艦船CAN總線通信的可靠性進(jìn)行研究，對(duì)基于CAN通信的可靠性定義、可靠性影響因素進(jìn)行論述，并從軟硬件角度提出了提高CAN通信可靠性的方法，對(duì)艦船CAN總線設(shè)計(jì)、提高通信的可靠性具有重要意義。