基于SmartFusion2 的星載CAN 總線設(shè)計與實現(xiàn)

陳世淼，倪淑燕，廖育榮，劉曉輝

（1.航天工程大學(xué)研究生院，北京 101407；2.航天工程大學(xué)電子與光學(xué)工程系，北京 101407）

隨著電子科學(xué)技術(shù)的進步，衛(wèi)星正在逐漸往小型化、集成化和模塊化方向發(fā)展，具有體積小、重量輕、性能高等特點的微小衛(wèi)星應(yīng)運而生[1-2]。隨著航天任務(wù)復(fù)雜度的增加以及人們對微小衛(wèi)星性能要求的提高，微小衛(wèi)星軟硬件設(shè)計的復(fù)雜性也在逐漸增加[3]，星載綜合電子系統(tǒng)作為微小衛(wèi)星系統(tǒng)的核心，對微小衛(wèi)星的性能有著重大的影響。星載計算機是星載綜合電子系統(tǒng)平臺信息處理和交互的樞紐，能夠完成衛(wèi)星在軌運行段的控制計算以及全程任務(wù)管理。

針對以上問題和現(xiàn)狀，提出了一種基于SmartFusion2芯片的星載CAN 總線設(shè)計方案。SmartFusion2 是一種將ARM 和FPGA 結(jié)合的處理器，具有高安全性、高可靠性和低功耗的優(yōu)點[4-6]，通過其FPGA 的強大功能可以完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，可以極大地提高微小衛(wèi)星的功能密度和適應(yīng)性[7-8]。微小衛(wèi)星內(nèi)部總線的設(shè)計原則是可靠、穩(wěn)定、高實時性。CAN 總線具有強抗干擾性、高實時性、高傳輸速率和低成本的優(yōu)點，從二十一世紀初便被廣泛應(yīng)用在航天領(lǐng)域，技術(shù)相對比較成熟。所以該文基于SmartFusion2 芯片，采用CAN 總線作為星載綜合電子系統(tǒng)的通信總線，針對星務(wù)姿控一體化進行了兩級總線雙冗余設(shè)計，提高了總線通信的安全性和穩(wěn)定性，簡化了星務(wù)軟件中的數(shù)據(jù)處理設(shè)計，減少了衛(wèi)星的功耗。

1 系統(tǒng)設(shè)計

微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)一般由星務(wù)管理分系統(tǒng)、姿控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、測控數(shù)傳分系統(tǒng)、GNSS 分系統(tǒng)和載荷分系統(tǒng)組成，其中星務(wù)管理分系統(tǒng)和姿控分系統(tǒng)是微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)中最為重要的兩個分系統(tǒng)[9-10]。由于衛(wèi)星設(shè)計的分工和一體化設(shè)計具有很高的復(fù)雜性，傳統(tǒng)方法將這兩個分系統(tǒng)作獨立設(shè)計，其中共同點是都含有星載計算機和對應(yīng)的軟件。但是這種設(shè)計不僅浪費硬件資源，增大數(shù)據(jù)傳輸量，而且增加衛(wèi)星質(zhì)量，加大功耗[11]。針對星務(wù)姿控一體化設(shè)計的星載綜合電子系統(tǒng)進行了CAN 總線通信設(shè)計，通信架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 通信架構(gòu)

一級總線用于連接與星務(wù)分系統(tǒng)相關(guān)的載荷、GNSS、測控數(shù)傳一體機和電源分系統(tǒng)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要為其他分系統(tǒng)的遙測遙控數(shù)據(jù)；二級總線用于連接飛輪、星敏、太敏、陀螺和磁強計等姿控部組件，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為各個姿控部組件的遙測遙控數(shù)據(jù)，兩者的數(shù)據(jù)類型、采集數(shù)據(jù)的周期以及數(shù)據(jù)的處理均有較大差別，所以采用兩級總線設(shè)計。兩級總線的設(shè)計減少了單個總線的數(shù)據(jù)處理量，有效提高了衛(wèi)星總線的在軌壽命[12]。

為了提高微小衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，在使用兩級總線的同時進行了雙冗余總線設(shè)計。目前雙總線的仲裁機制主要分為總線切換和雙收雙發(fā)兩種?？偩€切換機制將CAN 總線分為工作總線和備用總線，當(dāng)工作總線故障時自動啟動備用總線完成通信[13]；而雙收雙發(fā)機制則是利用兩條冗余CAN 總線同時傳送相同的數(shù)據(jù)[14]。采用第二種方法會增加星載綜合電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量，所以該設(shè)計采用的是總線切換機制。

該設(shè)計選擇的M2S050TS-1FGG484 處理器是采用ACTEL 的第四代65 工藝的片上系統(tǒng)產(chǎn)品：基于flash 架構(gòu)，能夠滿足工業(yè)、軍事、航空、通信和醫(yī)療領(lǐng)域的高安全性、高可靠性和低功耗的片上SoC 系統(tǒng)。處理器由FPGA 和ARM 內(nèi)核——Cortex-M3 組成，處理速度塊，可擴展性強。并且SmartFusion2 片上系統(tǒng)芯片被廣泛應(yīng)用于軍工和航空領(lǐng)域，歐洲空中客車公司A380 大型客機上采用了大量Smart Fusion2（每架超過1 000 只）。該產(chǎn)品不在美國公禁運之列，所以可采購到軍級產(chǎn)品，適合用于衛(wèi)星。并且該處理器在國防科大微納衛(wèi)星天拓三號上進行了應(yīng)用，已在軌飛行2.5 年，在軌運行穩(wěn)定可靠。

目前，CAN 總線節(jié)點的硬件構(gòu)成主要包括兩種：一種是通過MCU 控制器連接獨立的CAN 控制器，另一種是MCU 控制器本身帶有CAN 控制器。M2S050TS-1FGG484 處理器的ARM 核帶有獨立的CAN 控制器，文中又通過FPGA 實現(xiàn)了3 個SJA1000的擴展[15-16]。SJA1000 的IP 核設(shè)計與實現(xiàn)通過Libero軟件完成。

2 通信原理協(xié)議

根據(jù)OSI網(wǎng)絡(luò)模型，CAN 現(xiàn)場總線定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。在實際設(shè)計中，這兩層完全由硬件來實現(xiàn)，設(shè)計人員無需為此開發(fā)相關(guān)軟件或固件。而在應(yīng)用中，CAN 總線是以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送的，故只需規(guī)定一個高層協(xié)議來定義CAN報文中的11/29位（具有11位標(biāo)識符的幀稱為標(biāo)準幀，具有29位標(biāo)識符的幀稱為擴展幀）標(biāo)識符以及8B 數(shù)據(jù)的使用即可，這些信息均包含在CAN的報文幀內(nèi)。目前，應(yīng)用較多的是CAN2.0A規(guī)范，CAN報文采用的是標(biāo)準幀。但是隨著星務(wù)管理的復(fù)雜化，信息傳輸量越來越大，僅含有11位標(biāo)識符的標(biāo)準幀將難以滿足需求，所以該設(shè)計數(shù)據(jù)幀采用的是CAN2.0B 規(guī)范中的擴展幀格式。擴展幀的仲裁域含有29個二進制位，包括設(shè)備識別協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩種類型。仲裁域的定義方式如圖2所示。對該設(shè)計CAN通信中主要用到的設(shè)備識別協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議介紹如下。

圖2 仲裁域格式

2.1 設(shè)備識別協(xié)議

設(shè)備識別過程中用到的是設(shè)備識別廣播幀、設(shè)備識別申請幀和設(shè)備識別允許幀，如圖3 所示。設(shè)備的oID 是設(shè)備唯一識別碼，包括生產(chǎn)方編號、設(shè)備類型號、出廠序號和保留部分，主要用于服務(wù)器對下位機的識別。每個設(shè)備有且僅有一個設(shè)備唯一識別碼，且不同設(shè)備的設(shè)備唯一識別碼不得相同。nID 是設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信識別碼，在設(shè)備的識別過程中由服務(wù)器分配給下位機，用于之后信息傳輸?shù)脑O(shè)備識別。nID 長度為一個字節(jié)，并且數(shù)值越小優(yōu)先級越高。

圖3 設(shè)備識別幀格式

CAN 總線的設(shè)備識別過程有兩種，一種是由服務(wù)器發(fā)起的設(shè)備識別過程，另一種是由被識別節(jié)點所申請的設(shè)備識別過程。第一種識別過程應(yīng)用在設(shè)備識別服務(wù)器（上位機）上電或復(fù)位后，首先，由服務(wù)器向總線上發(fā)送設(shè)備識別廣播幀，未被識別的設(shè)備接收到設(shè)備識別廣播幀后將發(fā)送設(shè)備識別申請幀，服務(wù)器接收到設(shè)備識別申請幀后，通用設(shè)備識別允許幀分配相應(yīng)的nID，完成設(shè)備識別。第二種識別過程應(yīng)用在被識別設(shè)備上電或復(fù)位后，首先，由待識別設(shè)備每秒定時發(fā)送設(shè)備識別申請幀，服務(wù)器接收到設(shè)備識別申請幀后，通過設(shè)備識別允許幀分配nID，完成設(shè)備識別。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸過程中主要用到數(shù)據(jù)傳輸首幀、數(shù)據(jù)傳輸中間幀、數(shù)據(jù)傳輸尾幀和數(shù)據(jù)接收確認幀，其幀格式如圖4 所示。協(xié)議控制碼為00B 時，表示數(shù)據(jù)幀發(fā)送時需要回復(fù)確認幀，01B 表示數(shù)據(jù)幀發(fā)送時，不需要回復(fù)，10B 表示數(shù)據(jù)接收確認幀標(biāo)識。接收地址為FFH 時，為廣播傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)進行多幀數(shù)據(jù)傳輸時，必須按照幀序號依次發(fā)送，設(shè)置首幀的幀序號為00H，中間幀的幀序號依次遞增，尾幀幀序號為FFH。數(shù)據(jù)區(qū)按照順序填寫根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議制定的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不足8 字節(jié)時填充AAH。如果需要回復(fù)確認幀，則事件接收方在接收到每一幀數(shù)據(jù)后都需要回復(fù)一幀數(shù)據(jù)確認幀。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸幀格式

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議提供統(tǒng)一通用數(shù)據(jù)傳輸包格式，首部格式固定，包括傳輸協(xié)議、包長度、源地址和目標(biāo)地址等。CAN 總線進行數(shù)據(jù)傳輸時每8 個字節(jié)為一組，與仲裁域共同構(gòu)成一幀，進行數(shù)據(jù)傳輸，不足8 字節(jié)時用AAH 進行填充。網(wǎng)絡(luò)傳輸首部字節(jié)分配如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)首部字節(jié)分配

根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)首部中傳輸協(xié)議的不同，可以實現(xiàn)信息傳遞服務(wù)、時間傳輸服務(wù)、在軌快速測試服務(wù)、文件傳輸服務(wù)、設(shè)備驅(qū)動服務(wù)、遙測傳輸協(xié)議、遙控傳輸協(xié)議等功能。

3 應(yīng)用層軟件

CAN 總線函數(shù)通過主控制器Cortex-M3 設(shè)置的C 語言編寫，基于μC/OSⅡ操作系統(tǒng)，在Keil uVision4集成開發(fā)環(huán)境中完成。

3.1 基本函數(shù)

CAN 通信的基本函數(shù)主要包括初始化函數(shù)、組幀函數(shù)、發(fā)送函數(shù)、中斷函數(shù)、接收函數(shù)。初始化函數(shù)主要用于設(shè)置CAN 通信的波特率、工作模式和濾波器等，主要應(yīng)用于軟件的初始化階段。組幀函數(shù)用于將要發(fā)送的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀包括29 位的仲裁域和8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)域。發(fā)送函數(shù)用于將組幀函數(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN 總線上的目標(biāo)下位機。中斷函數(shù)在檢測到總線上的數(shù)據(jù)后進入中斷模式，然后調(diào)用CAN 總線的數(shù)據(jù)接收函數(shù)，最后完成數(shù)據(jù)接收后清除中斷。接收函數(shù)用于接收CAN總線上下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)的仲裁域和首部將數(shù)據(jù)儲存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。由于該設(shè)計中的CAN 總線由處理器自帶的CAN 控制器和SJA1000 擴展的CAN 控制器組成，所以要進行兩種CAN 控制器的函數(shù)設(shè)計。

3.2 nID分配

星載計算機開機后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)發(fā)送設(shè)備識別廣播幀。下位機在收到設(shè)備識別廣播幀后會發(fā)送設(shè)備識別申請幀，從而觸發(fā)中斷函數(shù)，最終調(diào)用接收函數(shù)對幀類型進行判斷和處理。若接收幀為設(shè)備識別廣播幀，則發(fā)送信號量來觸發(fā)主函數(shù)中的nID 發(fā)送任務(wù)。nID 發(fā)送任務(wù)根據(jù)設(shè)備識別廣播幀中的oID 來發(fā)送相應(yīng)的設(shè)備識別允許幀，從而完成nID 的分配。此外下位機斷電重啟后也會進行nID 的分配。

3.3 應(yīng)答數(shù)據(jù)處理

nID 識別完成后，軟件內(nèi)部的計時器模塊以1 s為周期發(fā)送信號量，觸發(fā)輪詢指令發(fā)送任務(wù)，星載計算機通過CAN 總線向各部組件發(fā)送輪詢指令。在星載計算機接收到部組件的應(yīng)答數(shù)據(jù)后，進入CAN 總線中斷函數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的nID 將數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。在接收到數(shù)據(jù)的尾幀后，發(fā)送信號量觸發(fā)數(shù)據(jù)處理任務(wù)，星載計算機根據(jù)部組件的協(xié)議從應(yīng)答數(shù)據(jù)中提取有效數(shù)據(jù)，用于后續(xù)處理，軟件主流程如圖6 所示。該設(shè)計設(shè)置了故障標(biāo)志位，根據(jù)數(shù)據(jù)接收過程中出現(xiàn)的故障來設(shè)置不同的標(biāo)志，實現(xiàn)了故障判別功能。故障類型包括首部校驗和未通過、數(shù)據(jù)接收未完成和數(shù)據(jù)幀不連續(xù)。

圖6 軟件主流程

4 通信測試

該設(shè)計將星載計算機和實時仿真機連接，搭建半實物仿真系統(tǒng)。實時仿真機能夠模擬部組件的真實通信狀況，適用于驗證該設(shè)計的合理性。在測試的過程中，實時仿真機模擬4 個飛輪、兩個太敏、一個太敏和一個磁強計的在軌運行狀態(tài)，通過CANTest 軟件、串口調(diào)試助手和Keil進行調(diào)試和驗證。

當(dāng)星載計算機和實時仿真機通電后，實時仿真機發(fā)送nID 申請幀，星載計算機收到nID 申請幀之后發(fā)送nID 確認幀；星載計算機以1 s 為周期發(fā)送部組件輪詢指令，實時仿真機接收到輪詢指令后回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)；星載計算機接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)幀的nID 識別，將不同的部組件數(shù)據(jù)儲存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，進行數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)處理成功通過地測口打印數(shù)據(jù)處理成功標(biāo)識。從CANTest 軟件可以看出，CAN 總線上的數(shù)據(jù)與軟件設(shè)計預(yù)期一致，nID 的識別過程如圖7 所示。輪詢幀和應(yīng)答幀數(shù)目較多，不在文中進行展示，星載計算機在接收到部組件應(yīng)答幀數(shù)據(jù)后通過地測口打印數(shù)據(jù)處理成功標(biāo)識，由圖8 可以看出星載計算機成功接收并處理了部組件數(shù)據(jù)。通過Keil 軟件監(jiān)測部組件數(shù)據(jù)存儲區(qū)可以看出，星載計算機接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)后成功進行了解析，此時故障標(biāo)志位（InvalidFlag）為0x00，表示數(shù)據(jù)處理成功?？刂茖崟r仿真機發(fā)送錯誤的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀后，此時故障標(biāo)志位變?yōu)?x01，表示數(shù)據(jù)接收未完成，實時反饋了錯誤類型，測試結(jié)果如圖9 和圖10 所示。

圖7 nID識別過程

圖8 串口助手接收數(shù)據(jù)

圖9 數(shù)據(jù)接收正常

圖10 數(shù)據(jù)接收故障

測試結(jié)果表明，文中設(shè)計的CAN 總線通信系統(tǒng)可以準確地進行nID 的識別、輪詢指令的傳輸和部組件數(shù)據(jù)的接收和處理，具有定期輪詢、故障判斷功能，實現(xiàn)了星載計算機與部組件通信的目的，滿足了設(shè)計需求。

5 結(jié)論

在綜合考慮星載綜合電子系統(tǒng)相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，基于SmartFusion2 芯片進行了CAN 控制器的硬件和架構(gòu)設(shè)計，完成了CAN 通信協(xié)議的制訂，并進行了通信軟件的開發(fā)，實現(xiàn)了星務(wù)姿控一體化的星載CAN 通信設(shè)計。該設(shè)計通過SmartFusion2 芯片的FPGA 模塊實現(xiàn)了CAN 總線的擴展，在ARM 內(nèi)核上運行星務(wù)軟件，提升了衛(wèi)星運算處理能力，提高了衛(wèi)星功能密度；兩級雙冗余總線架構(gòu)的設(shè)計在提高衛(wèi)星總線壽命的同時提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。測試結(jié)果驗證了該設(shè)計中總線的硬件、軟件和協(xié)議設(shè)計的合理性和有效性，滿足星務(wù)姿控一體化衛(wèi)星的通信任務(wù)需求，具有較強的工程應(yīng)用價值。