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控制器局域網(wǎng)（ ControllerA reaN etwork， CAN）是一種多主方式的串行通訊總線。CAN 總線具有較高的位速率， 很強(qiáng)的抗電磁干擾性， 完善的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制， 在汽車、制造業(yè)以及航空工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用 。由于船舶機(jī)艙環(huán)境極為惡劣， 且船舶航行過(guò)程中維修條件不如陸上， 對(duì)CAN 通信的可靠性要求很高， 采取雙CAN 冗余總線提高通信可靠性。
1 硬件平臺(tái)組成
STM32F105是STM icroe lectron ics公司推出的一款基于ARM Cortex- M3內(nèi)核的32位微控制器， 其內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用的嵌入式領(lǐng)域的要求。由于采用Thumb - 2指令集，與ARM7微控制器相比STM32運(yùn)行速度最多可快35% 且代碼最多節(jié)省45% 。較高的主頻和代碼執(zhí)行效率使系統(tǒng)在進(jìn)行CAN 總線數(shù)據(jù)收發(fā)的同時(shí)仍可運(yùn)行總線冗余算法。STM32F105微控制器內(nèi)部集成2路獨(dú)立的CAN 控制器， 控制器集成在芯片內(nèi)部， 避免了總線外擴(kuò)引入的干擾， 同時(shí)簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)、降低成本。
系統(tǒng)使用兩條完全獨(dú)立的CAN 總線， 兩個(gè)CAN 總線收發(fā)器和總線控制器， 實(shí)現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的全面冗余。在初始化時(shí)兩個(gè)控制器被同時(shí)激活， 一個(gè)作為主CAN， 另一個(gè)作為從CAN， 為主控制器的備份。正常運(yùn)作時(shí)， 數(shù)據(jù)通過(guò)主CAN 優(yōu)先發(fā)送； 當(dāng)主CAN 總線繁忙時(shí)， 從CAN 總線分擔(dān)部分通信流量； 而當(dāng)主CAN 總線發(fā)生故障時(shí)， 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至從CAN 控制器傳輸， 反之亦然。在任一總線發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)都能經(jīng)由另一條總線傳輸， 而當(dāng)兩條總線都正常時(shí)， 使用兩總線同時(shí)傳輸， 增加約1倍的通信帶寬，這樣在保證了通信可靠性的同時(shí)提高了實(shí)時(shí)性。
CAN 總線接口電路設(shè)計(jì)如圖1所示， 使用T JA1050作為總線收發(fā)器， 它完成CAN 控制器與物理總線之間的電平轉(zhuǎn)換和差動(dòng)收發(fā)。盡管TJA1050本身具備一定的保護(hù)能力， 但其與總線接口部分還是采用一定的安全和抗干擾措施； T JA1050的CANH 和CANL與地之間并聯(lián)兩只10pF的小電容， 可以濾除總線上的高頻干擾； 另外， 為了增強(qiáng)CAN 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力， 總線輸入端與地之間分別接入一只瞬態(tài)抑制二極管， 當(dāng)兩輸入與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)， 收發(fā)器輸入端電壓被鉗位在安全范圍。
為防止總線過(guò)壓造成節(jié)點(diǎn)損壞， STM32F105內(nèi)置CAN 控制器的數(shù)據(jù)收發(fā)引腳并不與TJA1050直接相連， 通過(guò)ADuM1201磁隔離器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離傳輸。與傳統(tǒng)光耦隔離相比， 磁隔離簡(jiǎn)化了隔離電路設(shè)計(jì)， 并且磁隔離芯片的功耗很低， 大約相當(dāng)于光耦隔離的1 /10。除了將CAN 數(shù)據(jù)信號(hào)隔離外，TJA1050T使用的電源和地也必須與系統(tǒng)完全隔離， 使用5V 隔離輸出的開關(guān)電源模塊IB0505LS提供隔離電源。由于CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸率較高， 為了提高信號(hào)質(zhì)量， 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成單線結(jié)構(gòu)以避免信號(hào)反射， 同時(shí)終端連接120歐姆左右的匹配電阻。
圖1 CAN 接口電路設(shè)計(jì)
2 軟件設(shè)計(jì)
CAN 協(xié)議規(guī)范定義的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層并不完整， 雙CAN 冗余應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)總線狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)故障的診斷和標(biāo)識(shí)， 這就要通過(guò)添加軟件冗余模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。冗余模塊在程序主循環(huán)中調(diào)用， 根據(jù)不同總線錯(cuò)誤狀態(tài)執(zhí)行收發(fā)通道切換。CAN 總線錯(cuò)誤狀態(tài)分為3類： 錯(cuò)誤激活、錯(cuò)誤認(rèn)可、總線關(guān)閉?？偩€正常工作時(shí)處于錯(cuò)誤激活狀態(tài)，控制器檢測(cè)到錯(cuò)誤后將發(fā)送/接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值遞增， 當(dāng)值大于127時(shí)進(jìn)入錯(cuò)誤認(rèn)可， 大于255時(shí)總線關(guān)閉狀態(tài)， CAN 總線錯(cuò)誤檢測(cè)模塊通過(guò)讀取錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器作為總線故障的測(cè)試條件， 在錯(cuò)誤狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)調(diào)用冗余算法， 執(zhí)行總線切換操作。
通過(guò)實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)， 總線連接斷開且只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)不斷發(fā)送報(bào)文時(shí)產(chǎn)生發(fā)送錯(cuò)誤， 控制器進(jìn)入錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)， 但不進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)； 其它錯(cuò)誤均使錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器增加， 依次進(jìn)入錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)、總線關(guān)閉狀態(tài)， 后兩種狀態(tài)表明總線被嚴(yán)重干擾， 需要采取相應(yīng)措施。為簡(jiǎn)化控制邏輯設(shè)計(jì)將錯(cuò)誤認(rèn)可和總線關(guān)閉合并為總線故障。
冗余算法使用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)送模式的切換， 根據(jù)不同總線故障選擇發(fā)送使用的總線。狀態(tài)切換流程圖如圖2所示， 程序首先讀取錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器獲得總線錯(cuò)誤狀態(tài)， 判斷當(dāng)前總線是否處于錯(cuò)誤激活模式， 若檢測(cè)到總線故障程序置相應(yīng)標(biāo)志位向其他程序模塊指示錯(cuò)誤。為提高報(bào)文發(fā)送效率， 發(fā)送程序一次將多個(gè)報(bào)文寫入發(fā)送郵箱由硬件控制自動(dòng)發(fā)送， 在切換總線時(shí)， 需先把故障總線發(fā)送郵箱中的報(bào)文中回讀， 通過(guò)備份總線優(yōu)先發(fā)送， 這一機(jī)制保證報(bào)文不會(huì)因總線切換而丟失?？刂破飨蚬收峡偩€發(fā)送數(shù)據(jù)域?yàn)榭盏臏y(cè)試報(bào)文， 每成功發(fā)送1報(bào)文， 總線發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值遞減， 直至其值小于128總線恢復(fù)到錯(cuò)誤被動(dòng)狀態(tài)； 每隔一定時(shí)間冗余程序讀取錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器， 檢測(cè)故障總線是否恢復(fù)正常。
在2總線同時(shí)傳輸模式， 發(fā)送程序優(yōu)先寫入總線1郵箱， 當(dāng)總線1郵箱滿時(shí)寫入總線2的郵箱， 由于報(bào)文按優(yōu)先級(jí)仲裁發(fā)送， 若某一路發(fā)送郵箱經(jīng)常為空， 說(shuō)明該路總線通信流量較小， 發(fā)送程序?qū)⑤^多報(bào)文轉(zhuǎn)由空閑總線發(fā)送， 實(shí)現(xiàn)報(bào)文的負(fù)載均衡。
圖2 總線狀態(tài)切換流程圖。
3 雙總線冗余的可靠性分析與測(cè)試
對(duì)雙CAN 冗余系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行定量分析， 引入平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間（M ean T ime To Fa ilure， MTTF）的概念。MTTF描述一個(gè)系統(tǒng)從開始工作到發(fā)生故障的時(shí)間間隔， 也即平均壽命。為簡(jiǎn)化分析作如下假設(shè)： 每路CAN總線的故障率相同； CAN 總線的損壞屬于物理?yè)p壞， 即不可修復(fù)的損壞。指數(shù)分布可以很好地用來(lái)描述電子元器件的壽命， 假設(shè)CAN總線的壽命分布服從指數(shù)分布， CAN 總線的可靠性模型如圖3所示。
圖3 CAN 總線可靠性模型圖
模型1為單總線的可靠性模型， 因?yàn)榭偩€壽命服從指數(shù)分布， 根據(jù)單一CAN總線無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間MTTF1 = 1 /λ。模型2為雙CAN總線冗余可靠性模型， 系統(tǒng)由兩條獨(dú)立的總線并聯(lián)而成， 即只有當(dāng)這2條總線都失效時(shí)系統(tǒng)通信才會(huì)失敗， 于是系統(tǒng)的平均壽命MTTF2 = 3 /2。采用雙線冗余設(shè)計(jì)使CAN 通信的平均無(wú)故障時(shí)間增加了50%。
雙線CAN 冗余系統(tǒng)的另一關(guān)鍵指標(biāo)是總線切換時(shí)間， 它等于檢測(cè)錯(cuò)誤所需時(shí)間與處理故障總線未發(fā)送報(bào)文所需時(shí)間之和， 切換時(shí)間越短， 總線故障對(duì)報(bào)文傳輸造成的延遲就越小。檢測(cè)錯(cuò)誤所需時(shí)間，即從總線錯(cuò)誤出現(xiàn)到被冗余程序檢測(cè)到所需的時(shí)間。以總線斷開故障為例， 發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)報(bào)文產(chǎn)生一次應(yīng)答錯(cuò)誤， 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器每次加8， 需連續(xù)進(jìn)行16次發(fā)送， 使錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器值達(dá)到128引起總線切換。在位速率125kbps情況下， 發(fā)送最長(zhǎng)為128位的報(bào)文， 若忽略控制器重發(fā)間隔時(shí)間， 從故障發(fā)生到被檢測(cè)到的響應(yīng)時(shí)間為：
為避免在總線切換時(shí)丟失報(bào)文， 冗余算法需回讀故障控制器中未發(fā)送報(bào)文， 由此產(chǎn)生額外的故障處理時(shí)間， 因?yàn)槊總€(gè)發(fā)送郵箱最多存儲(chǔ)3個(gè)報(bào)文， 假定位速率125kbps不變， 備份總線發(fā)送時(shí)即取得仲裁，最長(zhǎng)故障處理時(shí)間為：
因此總線切換時(shí)間為16. 38+ 3. 07= 19. 45m s。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得在125kbps位速率下連續(xù)發(fā)送不同報(bào)文長(zhǎng)度的總線切換時(shí)間如表1所示：
表1 總線切換時(shí)間
在125kbps位速率下切換時(shí)間為22. 80ms， 比理論計(jì)算值稍長(zhǎng)， 這是由總線切換時(shí)運(yùn)行冗余算法及讀取控制器錯(cuò)誤寄存器（ ESR）所額外消耗的， 但在實(shí)際應(yīng)用中， 發(fā)送報(bào)文獲取仲裁所需的等待時(shí)間遠(yuǎn)大于切換時(shí)間， 總線故障并不頻繁發(fā)生， 冗余切換算法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行并無(wú)顯著影響。
4 結(jié)束語(yǔ)
與傳統(tǒng)單片機(jī)總線外擴(kuò)兩片CAN 控制器的冗余方案相比， 本設(shè)計(jì)充分利用STM32F105微控制器內(nèi)置的兩路CAN 控制器， 簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)， 相對(duì)降低了成本， 同時(shí)雙CAN 冗余通信系統(tǒng)的采用提高了系統(tǒng)整體可靠性。所使用雙總線負(fù)載均衡技術(shù)， 可以提高總線帶寬， 平衡通信負(fù)荷。系統(tǒng)船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的圖像和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸中取得很好的效果。
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