丁 瑞，王浩楓，陳 偉，賀吉峰

（中國航天科工集團(tuán)第二研究院706所，北京100854）

0 引 言

數(shù)字信號處理器 （digital signal processors，DSP）是對信號實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理的一類高性能CPU，其特點(diǎn)是具有很高的運(yùn)算速度，支持并行處理、快速中斷處理和I／O 操作［1］，適合應(yīng)用于有高可靠性分系統(tǒng)間通信需要的一主控設(shè)備中。控制器局域網(wǎng)是由德國BOSCH 公司提出的一種串行通信協(xié)議。CAN 總線以其成本低、可靠性高、實(shí)時性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用［2－5］?；谄鋬?yōu)點(diǎn)，主控計(jì)算機(jī)選用CAN 總線來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的高強(qiáng)度通信功能。雙冗余技術(shù)是提高可靠性的主要手段，為了充分保證該系統(tǒng)間通信的高可靠性，本文結(jié)合主控計(jì)算機(jī)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種基于CAN 總線的雙冗余通信機(jī)制。經(jīng)可靠性分析，采用該機(jī)制的通信系統(tǒng)可靠度得到更好的保證。測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性有顯著提高。

1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 設(shè)計(jì)思路

主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需與2個設(shè)備進(jìn)行通信，其中，與設(shè)備2傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，可靠性要求較高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，共設(shè)計(jì)三路CAN 總線，第一路與設(shè)備1通信，另兩路與設(shè)備2通信，這兩路CAN 采用雙冗余通信機(jī)制，以保證與設(shè)備2通信的高可靠性。

1.2 硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)處理器選用TI的TMS320F2812芯片。TMS320F2812芯片本身帶有增強(qiáng)型CAN 模塊 （eCAN）［6］，通過該模塊實(shí)現(xiàn)一路CAN 與設(shè)備1的通信。另外，還需兩路與設(shè)備2的通信，這兩路由CAN 控制器和驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)，在兩路CAN控制器和驅(qū)動器之間加光耦進(jìn)行信號隔離，在兩路通信信號CANx＿H 和CANx＿L之間提供匹配電阻120 Ω，可通過開關(guān)選擇是否連接該匹配電阻。在CAN控制器實(shí)現(xiàn)的這兩路CAN 總線之間，通過雙冗余協(xié)議和驅(qū)動軟件實(shí)現(xiàn)故障發(fā)生時兩路之間切換。其原理如圖1所示。

圖1 CAN 通信的硬件原理

CAN 總線控制器選用NXP公司生產(chǎn)的SJA1000T，擴(kuò)展的64字節(jié)的FIFO［7］，支持11位的BasicCAN 模式及29位的PeliCAN 模式，通信速率高達(dá)1 Mbits／s，擴(kuò)展溫度達(dá)到－40－＋125℃，8位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線靈活便捷。其電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 控制器電路

目前使用比較多的典型的CAN 總線驅(qū)動器有：TJA1040，PCA82C250，SN65HVD230［8］，而TJA1040 的總線引腳輸入電壓范圍是 （－27V－＋40V），比PCA82C250的電壓范圍更寬，而且TJA1040 具備總線的EMC 優(yōu)化功能具有良好的對稱性，抗電磁干擾特性比PCA82C250提高20dB，同時TJA1040具備共模DC電壓的穩(wěn)壓功能，在節(jié)點(diǎn)不上電的情況下具備節(jié)點(diǎn)無源性等特點(diǎn)，這些都是PCA82C250所不具備的，綜合以上幾個因素，本系統(tǒng)CAN接口驅(qū)動器選擇TJA1040。其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動接口電路

隔離光耦使用GH137，該光耦具備高達(dá)10 M 的傳輸速率，前端輸入電流最小只需要5mA。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 CAN 接口隔離電路

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)概要

系統(tǒng)軟件包括應(yīng)用層、協(xié)議層和驅(qū)動層。驅(qū)動層軟件是軟件實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)，它是上層應(yīng)用程序及協(xié)議層使用CAN總線進(jìn)行通信的支持軟件。協(xié)議層是軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，它是應(yīng)用層軟件和驅(qū)動層關(guān)聯(lián)起來的橋梁，應(yīng)用層程序需采用特定的CAN 通信協(xié)議，并通過調(diào)用驅(qū)動程序的接口進(jìn)行通信。雙冗余機(jī)制的實(shí)現(xiàn)是通過制定一種特定雙冗余協(xié)議，使應(yīng)用層軟件通過該協(xié)議管理和約束驅(qū)動層軟件接口的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)CAN 總線2個通道的冗余容錯。CAN 通信驅(qū)動層軟件主要包括初始化模塊、幀發(fā)送模塊和幀接收模塊。本系統(tǒng)軟件層次關(guān)系如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件層次關(guān)系

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 雙冗余協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN 總線雙冗余系統(tǒng)通過雙冗余協(xié)議進(jìn)行通信的約束和管理。雙冗余協(xié)議是以 “握手協(xié)議”為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)的協(xié)議，其工作原理為：總線在進(jìn)行正式CAN 通信前，需先進(jìn)行建鏈，2個通道中首先建鏈成功的通道被確認(rèn)為最終通信通道，建鏈方法為 “三次握手”。協(xié)議規(guī)定主控計(jì)算機(jī)為主發(fā)方，發(fā)起握手請求幀，應(yīng)答方收到握手請求后，發(fā)回握手應(yīng)答幀，主方在規(guī)定時間內(nèi)收到握手應(yīng)答幀后，便完成一次握手，三次握手成功后，說明該鏈路正常，否則，自動更換到另一鏈路。CAN 總線的雙冗余通信流程如圖6所示。

2.2.2 幀結(jié)構(gòu)

由于CAN 總線報文結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，軟件實(shí)現(xiàn)時幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。根據(jù)雙冗余設(shè)計(jì)思想需要將傳輸?shù)膱笪姆譃?種：一種為測試幀，用于建鏈；另一種為正式幀，用于正式報文傳輸。在幀結(jié)構(gòu)定義時，必須將2 種報文區(qū)分開來，而考慮到驅(qū)動軟件接口的統(tǒng)一性。將測試幀和正式幀用同一結(jié)構(gòu)形式表示，通過一個標(biāo)志位來區(qū)分不同幀。CAN 總線的幀信息一般包含有ID 號、幀類型、數(shù)據(jù)長度、傳輸方式、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。綜合考慮，CAN 總線幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

圖6 CAN 總線的雙冗余通信流程

2.2.3 DSP下定時器的使用

CAN 總線的雙冗余機(jī)制中，檢測通道是否正常，接收測試確認(rèn)幀是否超時是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。DSP 下沒有超時機(jī)制，本系統(tǒng)利用定時器實(shí)現(xiàn)超時功能。F2812 芯片有3 個32位的CPU 定時器，其中，定時器1和定時器2被保留用作實(shí)時操作系統(tǒng)OS，CPU 定時器0可以供用戶使用［9］。定時器的工作原理為：工作開始將周期寄存器中的值裝入32位計(jì)數(shù)器寄存器。然后計(jì)數(shù)器寄存器以C28x的SYSCLKOUT 速率遞減。當(dāng)計(jì)數(shù)器減到0時，產(chǎn)生一個定時器中斷輸出信號。下面代碼祥釋了定時器0的使用方法。

定時器結(jié)構(gòu)定義如下：

2.2.4 中斷管理

定時器和CAN 總線報文收發(fā)都會用到中斷，中斷管理和使用是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)之一。

DSP下的中斷分為外設(shè)級、外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊 （PIE）級和CPU 級［10］。2812芯片不但本身帶有豐富的片內(nèi)外設(shè)，還可以外擴(kuò)外設(shè)。每個外設(shè)都可以產(chǎn)生一個或多個中斷請求，因此外設(shè)級中斷請求可能非常頻繁，CPU 沒有能力去處理所有外設(shè)中斷請求，需按照一定優(yōu)先級規(guī)則對各種外設(shè)中斷請求做出仲裁。PIE正是外設(shè)中斷優(yōu)先級的制定者，它按向量表對外設(shè)中斷設(shè)置優(yōu)先級別。

電路設(shè)計(jì)時，外擴(kuò)的兩路CAN 中斷分別使用外部可屏蔽中斷XINT1和XINT2，采用下降沿觸發(fā)。其響應(yīng)中斷的過程為：中斷服務(wù)子程序掛載到中斷向量表上后，應(yīng)當(dāng)置位PIE中斷使能寄存器PIEIER1的第4位和第5位，同時，CPU 級中斷標(biāo)志寄存器IER 的第1位被置位。當(dāng)外部中斷請求到來時，首先向PIE 控制器發(fā)出請求，PIE 級中斷標(biāo)志位寄存器PIEIFR1的第4位或第5位被置位。當(dāng)PIE 檢測到一個未被處理的中斷，PIE 中斷應(yīng)答寄存器PIEACK1的相應(yīng)位也會被置位，PIE 將向CPU 發(fā)出中斷請求。同樣，CPU 級有中斷標(biāo)志寄存器IFR，若IFR 的第1位被置位，CPU 響應(yīng)中斷，處理中斷服務(wù)子程序，同時，標(biāo)志寄存器IFR 和PIEIFR1的相應(yīng)標(biāo)志位被清除。

3 可靠性分析

以上函數(shù)反映了本系統(tǒng)運(yùn)用雙冗余機(jī)制的可靠性量化指標(biāo)，可總結(jié)為：

（1）只要有一個通道通信就能保證系統(tǒng)通信具有較高的可靠度；

（2）當(dāng)某一個通道的可靠性急劇下降時，系統(tǒng)通信的可靠性變化不大，即系統(tǒng)的可靠度具有一定的穩(wěn)定性。

綜上分析，系統(tǒng)采用該雙冗余通信，與單通道通信相比大大提高了其可靠性。以主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為環(huán)境進(jìn)行了測試，可以獲得99.92%的可靠度。

4 結(jié)束語

針對系統(tǒng)間高強(qiáng)度CAN 通信的高可靠性需求，提出了一種DSP下基于CAN 總線的雙冗余通信機(jī)制，并應(yīng)用于主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。結(jié)合主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)闡述了該機(jī)制軟硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，著重剖析了雙冗余協(xié)議、幀結(jié)構(gòu)、定時器和中斷機(jī)制等幾個實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，最后分析了CAN 總線雙冗余通信系統(tǒng)的可靠性。以主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為環(huán)境，進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，使用該通信機(jī)制，系統(tǒng)間通信的可靠性有明顯地提高。

［1］CHEN Yuanlin，TANG Xinyi.USB communication system based on DSP and VDK core ［J］.Computer Engineering，2010，31 （3）：49－51 （in Chinese）.［陳元林，湯心溢.基于DSP和VDK 內(nèi)核的USB通信系統(tǒng) ［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，31 （3）：49－51.］

［2］SHU Genrong.Research of new information display system based on CAN network control［D］.Hefei：Mechanical and Electronic Engineering，2010 （in Chinese）. ［束根榮.基于CAN 網(wǎng)絡(luò)控制的新型信息顯示系統(tǒng)研究 ［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.］

［3］WAN Shanming.TMS320F281XDSP principle and application example［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Publishing House，2007 （in Chinese）.［萬山明.TMS320F281XDSP原理及應(yīng)用實(shí)例 ［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.］

［4］XU Li，WANG Qin，SHI Shaobo.Research and implementation of IEEE 802.11areceiver baseband processing based on heterogeneous multi－core DSP ［J］.Application Research of Computers，2012，29 （1）：241－245 （in Chinese）. ［徐力，王沁，史少波.一種基于異構(gòu)多核DSP的IEEE802.11a接收端基帶處理的研究與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29（1）：241－245.］

［5］SUO Wenping，AN Jianfeng，F(xiàn)AN Xiaoya.Reliability of interrupt mechanism in SoC ［J］.China Integrated Circuit，2007，16 （98）：63－66 （in Chinese）. ［索文平，安建峰，樊曉椏.片上系統(tǒng)中斷機(jī)制的可靠性設(shè)計(jì) ［J］.中國集成電路，2007，16 （98）：63－66.］

［6］SUN Yuanmin，YIN Lixin，YANG Shutao.High－speed data acquisition and processing system based on TMS320F2812 ［J］.Computer Engineering，2009，35 （2）：242－244 （in Chinese）.［孫元敏，尹立新，楊書濤.基于TMS320F2812的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) ［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，35 （2）：242－244.］

［7］WANG Liming，SHAO Ying，WANG Mingzhe，et al.Research of improving the dynamic scheduling algorithm in the CAN bus control networks ［J］.Journal of Systems Engineering and Electronics，2008，19 （6）：1250－1257.

［8］Ren Jun，Li Chun－Wen，Zhao De－Zong.CAN－based synchronized motion control for induction motors ［J］.International Journal of Automation ＆Computing，2009 （1）：55－61.

［9］YUE Kui，LIU Shaojun，HUANG Daoping.Design and application of VHDL read－write on SJA1000internal register［J］.SJA1000Computer ＆ Digital Engineering，2009，37 （10）：175－178 （in Chinese）.［岳奎，劉少君，黃道平.內(nèi)寄存器的VHDL語言讀寫設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009，37 （10）：175－178.］

［10］JIA Guoguang，ZENG Yu，LI Kenli，et al.Algorithm of real－time DSP application based on CAN bus［J］.Computer Engineering，2009，35 （6）：239－241 （in Chinese）. ［賈國光，曾鈺，李肯立，等.基于CAN 總線的實(shí)時DSP 應(yīng)用算法 ［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，35 （6）：239－241.］