湯宜涌，王傳德

（蘭州交通大學，蘭州730070）

CAN總線冗余系統(tǒng)的研究及可靠性分析

湯宜涌，王傳德

（蘭州交通大學，蘭州730070）

針對解決CAN總線應用中的安全可靠性問題，研究了CAN總線冗余的方法，設計了采用不同冗余方法時的可靠性模型，并對不同冗余系統(tǒng)的可靠性進行了分析，得出CAN總線不同冗余系統(tǒng)可靠性的優(yōu)劣.

CAN總線；冗余技術；模型；可靠性

雖然CAN協(xié)議本身具有較強的檢錯糾錯能力，但在工業(yè)控制現(xiàn)場，插頭連接的不牢固、傳輸介質的損壞或總線驅動器的損壞等都會破壞CAN的可靠通信；航天電子設備在生產(chǎn)、運輸和使用過程中不可避免地經(jīng)受著各種自然或人為環(huán)境的考驗，必須要求在更加嚴酷的環(huán)境下安全、可靠地工作［1］.這就要求CAN總線網(wǎng)絡具有更高的可靠性.如何保證現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下安全、可靠地工作，是CAN應用中的一個重要課題.

為了提高系統(tǒng)的可靠性，人們總結出2種提高可靠性的方法：一種是避錯（Fault Avoidance），另外一種是容錯（Fault Tolerance）［2］.冗余技術就是在容錯思想的指導下發(fā)展起來的.在以CAN總線作為底層網(wǎng)絡的系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的可靠性和整體性能，需要對總線的各個部分進行不同程度的冗余.根據(jù)冗余硬件的結構形式不同，冗余可分為系統(tǒng)級、控制器級、驅動器級冗余等.

1 幾種CAN總線型網(wǎng)絡系統(tǒng)

1.1 無冗余CAN總線系統(tǒng)

如圖1所示，無冗余的CAN總線收發(fā)電路包含一片單片機，總線控制器和單片機相連，采用82C250等芯片作為總線驅動器來實現(xiàn)CAN報文的收發(fā).

圖1 無冗余CAN總線系統(tǒng)

1.2 有冗余的CAN總線系統(tǒng)

典型的CAN電路可分為4個環(huán)節(jié)，即單片機、總線控制器、總線驅動器、總線.以下是目前從以上這幾個環(huán)節(jié)考慮的不同程度的冗余方法：

（1）總線驅動器級冗余.如圖2所示，總線驅動器級冗余的基本思路是使用2條總線電纜，每個節(jié)點內(nèi)部使用2個總線驅動器，但只有1個總線控制器，在總線控制器與2個總線驅動器之間設置判斷電路.如果1個總線發(fā)生故障，則關閉它與總線控制器之間的信號通道，而正?？偩€上的報文仍能順利送往總線控制器［3］.

（2）CAN總線控制器級冗余.如圖3所示，總線控制器級冗余的基本思路是使用2條CAN總線，2個CAN總線驅動器和2個CAN總線控制器，單片機通過不同的端口和中斷同時控制2個CAN控制器.

（3）系統(tǒng)級冗余.系統(tǒng)級冗余的基本思路是對整個CAN系統(tǒng)的4個環(huán)節(jié)進行冗余，即同時使用2套單片機、總線控制器、總線驅動器、總線.

2 CAN總線型網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性模型的建立及可靠性分析

2.1 可靠性定義

系統(tǒng)的可靠性，通過可靠度R（t）來定義.可靠度就是在給定的時間間隔內(nèi)、特定的條件下，系統(tǒng)仍能正常執(zhí)行其功能的概率［4］.

假設在相同條件下對N個樣品元件進行實驗，到t時刻，殘留元件數(shù)為S（t），失效元件數(shù)為F（t），則元件的殘留概率—可靠度R（t）為：

則有

定義失效率Z（t）為單位時間內(nèi)失效數(shù)與殘留數(shù)之比，即

假設生存期元件的失效率近似為常數(shù)λ，則Z（t）＝λ，于是由式（3）得到：

當t＝0時，R（t）＝1，則對式（4）兩邊同時在0～t積分得：

可見，元件的可靠度隨時間呈負指數(shù)分布.

2.2 可靠性模型的建立及可靠性分析

下面以總線電纜及元件為對象，分別建立CAN網(wǎng)絡的可靠性模型并對各自的可靠性進行分析［5］.設定單位長度總線電纜的失效率為λ，CAN總線收發(fā)器失效率為λ1，CAN總線控制器失效率為λ2，CAN總線CPU失效率為λ3，用方框代表各個元件.

2.2.1 總線型無冗余結構模型及其可靠性

如圖4所示，設定單位長度總線電纜的失效率為λ，則節(jié)點i和節(jié)點i＋1間總線電纜的失效率為Liλ，可靠度Ri（t）＝EXP（－Liλt）.

圖4 總線型無冗余結構模型

假如Li已知，則Ri（t）已知，總線型無冗余系統(tǒng)屬于串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型，可求得：

2.2.2 總線驅動器級冗余模型及可靠性

如圖5所示，驅動器級冗余CAN總線系統(tǒng)可靠性模型屬于混聯(lián)模型，在計算過程中需要進行串聯(lián)和并聯(lián)的等效.假如有n個元件并聯(lián)，則［6］

圖5 總線驅動器很冗余結構模型

由式（7）求得：2.2.3 總線控制器級冗余模型及可靠性

如圖6所示，控制器級冗余CAN總線系統(tǒng)可靠性模型屬于混聯(lián)模型，在計算過程中需要進行串聯(lián)和并聯(lián)的等效，最終求出控制器級冗余CAN總線系統(tǒng)的可靠度為：

圖6 總線控制器級冗余結構

2.2.4 系統(tǒng)級冗余模型及可靠性

如圖7所示，系統(tǒng)級冗余CAN總線系統(tǒng)可靠性模型屬于并聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型，可得其可靠度為：

圖7 系統(tǒng)級冗余結構模型

比較無冗余系統(tǒng)可靠度、驅動級冗余系統(tǒng)可靠度、控制器級冗余系統(tǒng)可靠度、系統(tǒng)級冗余系統(tǒng)可靠度，可得：

由 此 可 得 結 論：Rwurongyu（t） ＜ Rqudongji（t） ＜Rkongzhiji（t）＜Rxitongji（t）；系統(tǒng)級冗余的可靠度最高，控制器級冗余的可靠度次之，驅動級冗余的可靠度第三，無冗余系統(tǒng)的可靠度最低.此結論雖然是在2個節(jié)點組成的網(wǎng)絡中得到的，但可采用同樣的方法得到多節(jié)點網(wǎng)絡中無冗余及3種冗余方式下同樣的可靠度大小關系.可見，在不考慮成本的情況下，采用冗余的系統(tǒng)中，系統(tǒng)級冗余的網(wǎng)絡可靠性最高，控制器級冗余次之，驅動器級冗余最低.

3 結 語

本文首先介紹了CAN總線型系統(tǒng)冗余設計在功能上與一般設計的不同，敘述了幾種不同冗余網(wǎng)絡，并合理設計其可靠性模型；接著給出了不同CAN總線系統(tǒng)的可靠度函數(shù)，通過對可靠度函數(shù)大小的比較，得出系統(tǒng)不同冗余的可靠性優(yōu)劣.CAN總線網(wǎng)絡中使用容錯冗余技術，可緩解總線負荷，延長總線使用壽命.因此，對采用冗余技術的CAN總線網(wǎng)絡的研究很有經(jīng)濟和實用價值，具有較好的研發(fā)前景.

［1］ 汪涵.現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線CAN網(wǎng)絡的一種物理冗余技術［J］.中國西部科技，2007（13）：6－8.

［2］ 郭曉松，王振業(yè)，于傳強，等.基于CAN總線的容錯冗余技術研究［J］.計算機測量與控制2009，17（1）：60－62.

［3］ 禹春來，許化龍，劉根龍，等.CAN總線冗余方法研究［J］.測控技術2003，22（10）：28－30.

［4］ 王利英.冗余CAN總線在船用發(fā)動機控制系統(tǒng)中的應用研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

［5］ 張新福.CAN總線可靠性研究及其在燈光控制系統(tǒng)中的應用［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

Research of Redundant System Based on CAN Bus and Its Reliability Analysis

TANG Yi－yong，WANG Chuan－de
（Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

CAN Bus is one of the most widely used international field－bus，which is facing the harsh environmental challenges，to solve the safety and reliability of CAN Bus is necessary，particularly in areas of extremely high safety requirements.For the problem，through the research of the CAN－bus redundant methods，this paper designs the reliability module based on different redundant methods，and analyses its reliability，and obtains the pros and cons of different redundant CAN－bus system.

CAN Bus；redundant technique；module；reliability

F768.3

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.019

1671－6906（2010）05－0073－03

2010－10－08

湯宜涌（1977－），男，河南鄭州人，碩士生.