多通道波特率自適應(yīng)CAN總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

何 鑫，張會(huì)新，劉文怡，熊繼軍，洪應(yīng)平

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)機(jī)載電子設(shè)備及傳感器的數(shù)量也越來(lái)越多[1-3]。為了降低布線的復(fù)雜性，無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備與傳感器一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，CAN總線是其中一種[4]。同時(shí)，為了保證通信的可靠性，使用多個(gè)CAN總線進(jìn)行冗余通信，且不同數(shù)據(jù)量的設(shè)備使用不同波特率通信[5-6]。為了在飛行任務(wù)結(jié)束后能對(duì)飛行器各設(shè)備工作情況進(jìn)行分析，需要對(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控與記錄[7]?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)記錄器一般只能對(duì)單個(gè)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及記錄，且通信波特率由內(nèi)部程序固化，不能對(duì)通信波特率進(jìn)行自動(dòng)適配，不滿足無(wú)人機(jī)的多通道、多波特率數(shù)據(jù)記錄要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)波特率的多通道CAN總線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別總線通信波特率，并記錄通信數(shù)據(jù)。在無(wú)人機(jī)飛行完畢后，可讀取內(nèi)部記錄的數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)化為有效信息，為無(wú)人機(jī)的飛行狀況、故障信息分析提供數(shù)據(jù)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度[8-9]。系統(tǒng)包括電源模塊、FPGA控制模塊，以太網(wǎng)通信模塊、CAN監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)解算上位機(jī)軟件為額外部分。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)FLASH進(jìn)行壞塊的檢測(cè)與標(biāo)記，同時(shí)查找上次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄，將數(shù)據(jù)寫指針偏移至空白地址，確保已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)被新數(shù)據(jù)覆蓋。CAN總線監(jiān)視模塊采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FPGA的封包處理后，冗余存儲(chǔ)到FLASH中。使用W5300實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口，計(jì)算機(jī)可通過(guò)以太網(wǎng)總線直接與記錄器進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的讀取以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置工作，無(wú)需通過(guò)測(cè)試臺(tái)中轉(zhuǎn)。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線監(jiān)視模塊

CAN監(jiān)視模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控4路總線通信數(shù)據(jù)，支持的通信速率最高可達(dá)1 Mbit/s。同時(shí)內(nèi)部留有擴(kuò)展接口，支持對(duì)CAN總線進(jìn)行通道擴(kuò)展，理論可擴(kuò)展總線通道數(shù)只受系統(tǒng)資源限制。如圖2所示，使用MCP2515作為CAN總線控制器，該芯片是獨(dú)立的CAN協(xié)議控制器，完全支持CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)PGA通過(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)對(duì)該芯片的控制，操作簡(jiǎn)單可靠。CAN收發(fā)器使用TJA1050?？紤]到無(wú)人機(jī)內(nèi)部總線掛載設(shè)備較多，以及機(jī)艙內(nèi)部的電氣復(fù)雜性、記錄器自身的穩(wěn)定性等，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的EMC性能，使用TVS二極管并接在CAN_H、CAN_L與GND上。當(dāng)外界干擾信號(hào)超過(guò)TVS二極管的擊穿電壓時(shí)，二極管將處于鉗位狀態(tài)，將電壓限制在一個(gè)安全范圍，保護(hù)電路不受損壞[10]。

圖2 CAN總線監(jiān)視模塊功能原理圖

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

現(xiàn)有無(wú)人機(jī)的滯空時(shí)間一般為幾h至十幾h[11-12]。按16 h滯空時(shí)間、四通道CAN波特率1 Mbit/s、帶寬利用率60%計(jì)算，則所需存儲(chǔ)容量為：16 h×4×1 Mbit/s×60%÷8 bit=16.875 GB，因此，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用容量大小為32 GB的NandFlash芯片，可滿足無(wú)人機(jī)不小于16 h的數(shù)據(jù)記錄要求。為保證在意外情況下也能正?；刈x數(shù)據(jù)，該部分獨(dú)立于數(shù)據(jù)采集模塊，使用單獨(dú)的存儲(chǔ)小板設(shè)計(jì)，放置于抗高過(guò)載的合金鋼小桶內(nèi)，僅使用線纜與采集控制模塊相連，并設(shè)計(jì)有備用讀數(shù)接口，當(dāng)線纜損壞時(shí)可通過(guò)備用接口讀取數(shù)據(jù)。圖3為存儲(chǔ)小板電路邏輯圖。

圖3 存儲(chǔ)模塊功能原理圖

2.3 以太網(wǎng)通信模塊

系統(tǒng)使用以太網(wǎng)總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。接口芯片使用W5300，該芯片內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議和10/100 M的以太網(wǎng)MAC和PHY，支持全硬件通信協(xié)議技術(shù)，如TCP、UDP、IPv4、ICMP、IGMP、ARP等，其內(nèi)置通信數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高達(dá)128 KB字節(jié)，極大程度降低了主控器件對(duì)存在資源的需求。如圖4所示，W5300使用并口方式與FPGA進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)線寬度為16 bit，地址位寬度為10 bit，配合WR(寫使能)、RD(讀使能)、CS(片選信號(hào))對(duì)W5300內(nèi)部寄存器的讀寫操作，完成數(shù)據(jù)收發(fā)操作。

圖4 以太網(wǎng)模塊原理圖

3 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

3.1 CAN波特率自適應(yīng)

MCP2515是獨(dú)立的CAN控制器芯片，共有5種工作模式：配置模式、正常模式、休眠模式、僅監(jiān)聽模式、環(huán)回模式?？刂破骶哂?個(gè)中斷源，CANINTF是中斷標(biāo)志寄存器，如圖5所示。

圖5 CANINTF中斷標(biāo)志寄存器

當(dāng)中斷被使能且有中斷發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的標(biāo)志位會(huì)被置位，通過(guò)讀取該寄存器的值可判斷出中斷類型。Bit7為報(bào)文錯(cuò)誤中斷標(biāo)志位，如果在報(bào)文發(fā)送或者接收過(guò)程中有錯(cuò)誤發(fā)生，將觸發(fā)報(bào)文錯(cuò)誤中斷，同時(shí)該標(biāo)志位被置位。Bit0為接收緩沖器0滿中斷標(biāo)志，收到正確報(bào)文時(shí)該標(biāo)志位將被置位。設(shè)計(jì)中使用僅監(jiān)聽模式，配合報(bào)文錯(cuò)誤中斷、接收緩沖器0滿中斷實(shí)現(xiàn)CAN波特率的自適應(yīng)功能。

波特率自適應(yīng)流程如圖6所示，在自適應(yīng)階段，系統(tǒng)不斷讀取CANINTF中斷寄存器，并對(duì)寄存器的值進(jìn)行判斷。如果有報(bào)文錯(cuò)誤中斷發(fā)生，則說(shuō)明可能波特率有誤，報(bào)文錯(cuò)誤中斷計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)報(bào)文錯(cuò)誤中斷計(jì)數(shù)器值大于設(shè)定的閾值時(shí)，輪詢波特率查找表，重新對(duì)波特率進(jìn)行配置；如果無(wú)報(bào)文錯(cuò)誤中斷發(fā)生，同時(shí)有報(bào)文接收中斷發(fā)生，則說(shuō)明接收到的報(bào)文極大概率為正確報(bào)文，正確報(bào)文中斷計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)正確報(bào)文中斷計(jì)數(shù)器值大于設(shè)定的閾值時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前設(shè)置的波特率值是正確的，波特率自適應(yīng)結(jié)束。

圖6 自動(dòng)波特率識(shí)別流程圖

3.2 CAN數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用MCP2515的僅監(jiān)聽模式，在該模式下，芯片不會(huì)發(fā)送任何報(bào)文，包括錯(cuò)誤標(biāo)志或者確認(rèn)信號(hào)，此模式能將記錄器對(duì)總線的影響降到最低。

當(dāng)MCP2515監(jiān)聽到CAN總線上有數(shù)據(jù)時(shí)，其內(nèi)部狀態(tài)寄存器的接收中斷標(biāo)志位會(huì)被置位，F(xiàn)PGA通過(guò)查詢?cè)摌?biāo)志位即可知道數(shù)據(jù)的接收狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)被緩存到芯片的內(nèi)部緩沖器時(shí)，使用讀RX緩沖器指令快速將數(shù)據(jù)讀取到FPGA內(nèi)部。相對(duì)于普通的數(shù)據(jù)讀取指令，該指令只需發(fā)送一次便可以完成數(shù)據(jù)讀取功能，而普通指令則需要間斷讀取14個(gè)寄存器，數(shù)據(jù)讀取更快速，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更高。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)以幀頭、CAN通道、幀記數(shù)、幀長(zhǎng)、CAN數(shù)據(jù)、幀校驗(yàn)的形式將數(shù)據(jù)打包，寫入到數(shù)據(jù)緩存FIFO中。幀校驗(yàn)為和校驗(yàn)，計(jì)算方式為除校驗(yàn)位自身外所有數(shù)據(jù)的字節(jié)和，取低8位，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。

另外，由于電磁干擾的存在，數(shù)據(jù)在寫入、讀取或者存儲(chǔ)的過(guò)程中都可能出現(xiàn)位翻轉(zhuǎn)的情況，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤[13-14]。雖然數(shù)據(jù)有幀校驗(yàn)，但本設(shè)計(jì)中采用的和校驗(yàn)方式、普通的奇偶校驗(yàn)方式，都只能檢查出數(shù)據(jù)是否有發(fā)生錯(cuò)誤，不能確定是數(shù)據(jù)中的哪一位發(fā)生錯(cuò)誤，也就不能對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行修正。因此，為了最大限度確保存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確性，設(shè)計(jì)中引入了錯(cuò)誤檢查和糾正技術(shù)(ECC),并在FPGA中實(shí)現(xiàn)了基于漢明碼(hamming code)的ECC糾錯(cuò)算法。漢明碼是一類線性糾錯(cuò)碼，最多可以檢測(cè)2位錯(cuò)誤或者糾正1位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤[15]。如圖7所示，數(shù)據(jù)在寫入FLASH中前，使用漢明碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，將編碼得到的校驗(yàn)值寫入FLASH芯片的spare area區(qū)域。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，使用讀取的數(shù)據(jù)計(jì)算新校驗(yàn)值并與讀取的校驗(yàn)值對(duì)比。若新計(jì)算的校驗(yàn)值與讀取的校驗(yàn)值不一致，則說(shuō)明有數(shù)據(jù)位發(fā)生錯(cuò)誤，使用特定算法對(duì)2個(gè)校驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算即可確定發(fā)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)位，對(duì)該位進(jìn)行取反即可得到正確的數(shù)據(jù)。

圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

3.4 數(shù)據(jù)讀取

計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)總線直接讀取數(shù)據(jù)，上位機(jī)作為TCP服務(wù)器，而記錄器作為TCP客戶端。上電后，記錄器主動(dòng)尋找服務(wù)器并建立鏈接。在進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸之前，需要先對(duì)W5300進(jìn)行復(fù)位，并配置相關(guān)寄存器。復(fù)位需要先拉低RST引腳至少2 μs，然后拉高該引腳并等待至少10 ms，直到其內(nèi)部PLL時(shí)鐘鎖定完成。寄存器配置需要設(shè)置TCP服務(wù)器IP地址、通信端口、本機(jī)IP地址及MAC地址，同時(shí)為通信SOCKET分配TX/RX內(nèi)存空間。由于需要配置的寄存器較多，因此事先將寄存器值寫入查找表中，配置寄存器時(shí)只需要從查找表讀取相應(yīng)寄存器的值并寫入W5300內(nèi)部寄存器即可。當(dāng)寄存器配置完成并且TCP鏈接建立成功后，上位機(jī)可發(fā)送指令讀取數(shù)據(jù)并保存至計(jì)算機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文使用具有多路CAN總線的測(cè)試臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如圖8所示。由測(cè)試臺(tái)內(nèi)部生成多路不同波特率信號(hào)源，發(fā)送周期為10 ms的遞增數(shù)。其中通道1波特率為100 Kpbs，標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程幀；通道2波特率為125 Kbps，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀；通道3波特率為250 Kbps，擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀；通道4波特率為1 Mbps，擴(kuò)展遠(yuǎn)程幀，數(shù)據(jù)記錄時(shí)長(zhǎng)為16 h。

圖8 多路CAN總線測(cè)試臺(tái)上位機(jī)

在測(cè)試完成后，使用記錄器配套的上位機(jī)讀數(shù)軟件讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完成后，使用Hex Edit軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式分析，由圖9可以看出，系統(tǒng)采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式與設(shè)計(jì)好的幀格式一致，各個(gè)通道的幀記數(shù)有序排列，不同波特率CAN通信數(shù)據(jù)都被正確采集與存儲(chǔ)。結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠正確自動(dòng)地識(shí)別CAN通信波特率，并采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖9 部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果

另外，分別對(duì)未使用ECC糾錯(cuò)算法的記錄器和本系統(tǒng)進(jìn)行5次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析實(shí)驗(yàn)，每次存儲(chǔ)與讀取2 GB數(shù)據(jù)，測(cè)試兩者的錯(cuò)誤字節(jié)數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 誤碼率測(cè)試對(duì)比表

分別計(jì)算兩者的誤碼率，未使用ECC糾錯(cuò)算法的常規(guī)記錄器平均誤碼率為5.21×10-9,本系統(tǒng)的平均誤碼率為3.72×10-10。由測(cè)試結(jié)果可以看出，在引入ECC糾錯(cuò)算法后，相對(duì)于無(wú)糾錯(cuò)算法的記錄器，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤碼率下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)，可靠性、穩(wěn)定性更高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)是波特率自適應(yīng)和ECC數(shù)據(jù)糾錯(cuò)算法的引入，多通道數(shù)據(jù)并行記錄也是本系統(tǒng)的亮點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，本文系統(tǒng)性能穩(wěn)定、通用性高，數(shù)據(jù)誤碼率低，可以滿足無(wú)人機(jī)多通道、多波特率CAN總線數(shù)據(jù)記錄要求。