摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是建立在高可用容錯(cuò)系統(tǒng)下的子系統(tǒng)。通信系統(tǒng)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，容錯(cuò)系統(tǒng)中單元之間的數(shù)據(jù)通信，是通過通信總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)采用的是可靠性較高的CAN總線及接口控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種總線具有，成本低、傳輸距離較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸速率高等多種高可靠高實(shí)時(shí)性，所應(yīng)具備的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CAN；容錯(cuò)；高可靠性

中圖分類號(hào)：TP302.8

本文所描述的容錯(cuò)通訊系統(tǒng)，應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的高可用容錯(cuò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。容錯(cuò)通訊系統(tǒng)負(fù)責(zé)容錯(cuò)系統(tǒng)中單元之間的數(shù)據(jù)通信功能，該系統(tǒng)是由冗余的CAN總線（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）作為核心，與控制器、收發(fā)器共同實(shí)現(xiàn)的。希望本論文能夠得到同行在此類設(shè)計(jì)中參考。

1 高可用容錯(cuò)系統(tǒng)的組成

整個(gè)系統(tǒng)在硬件上采用飛行器普遍適用的三模冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用上位機(jī)--下位機(jī)模式，上位機(jī)為普通的PC機(jī)，負(fù)責(zé)下位機(jī)程序的下載、程序的調(diào)試、程序的監(jiān)控、控制軟件的開發(fā)；上位機(jī)與下位機(jī)通過CAN總線相連接，CAN總線負(fù)責(zé)兩方數(shù)據(jù)的傳輸；下位機(jī)則執(zhí)行各種應(yīng)用任務(wù)，并向上位機(jī)反饋信息。整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示。

圖1 開發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 冗余通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該通信系統(tǒng)由冗余的兩條CAN總線構(gòu)成，總線1與總線2?？偩€2作為總線1的備份，當(dāng)總線1出現(xiàn)故障時(shí)，總線2替換總線1，其次序的控制由軟件完成，從而實(shí)現(xiàn)通訊線路的容錯(cuò)。CAN總線包括CAN總線控制器以及CAN總線收發(fā)器模塊。

2.1 CAN總線特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

CAN總線在國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線控制領(lǐng)域中有著極廣泛應(yīng)用的總線。與CAN總線特點(diǎn)對(duì)比的對(duì)象，是具有代表性、并經(jīng)常在總線控制中使用的RS-485總線，它似于RS-232總線，只定義了物理層并定義了電平的標(biāo)準(zhǔn)?；贑AN總線的控制系統(tǒng)相對(duì)于構(gòu)建在R線之上的基于RS-485的控制系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢(shì)，如表1[2]所示：

表1 總線比對(duì)項(xiàng)目

比對(duì)參數(shù)CAN-busRS-485

單節(jié)點(diǎn)成本稍高極低

系統(tǒng)成本較低高

總線利用率高低

數(shù)據(jù)傳輸率高低

網(wǎng)路特性多主網(wǎng)路單主網(wǎng)路

通信失效率極低高

通信范圍10km（5kbps）<1.5km

網(wǎng)路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)CAN-bus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議

節(jié)點(diǎn)故障的影響無(wú)影響整個(gè)網(wǎng)路死鎖

網(wǎng)路調(diào)試極易困難

容錯(cuò)機(jī)制可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)及處理機(jī)制無(wú)

維護(hù)成本低高

CAN總線包括控制器、CAN控制器以及CAN的收發(fā)器模塊。

在整個(gè)通信系統(tǒng)中，模塊的控制器由單機(jī)系統(tǒng)中的處理器來(lái)負(fù)責(zé)。CAN控制器主要的功能是，在網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系中，負(fù)責(zé)對(duì)物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的進(jìn)行設(shè)置，它的物理實(shí)體就是一塊可編程芯片，其功能的實(shí)現(xiàn)是通過對(duì)之上的邏輯電路進(jìn)行組合來(lái)完成的。實(shí)際上，CAN控制器就是將CAN總線與微處理器結(jié)構(gòu)線路連接在一起的端口，數(shù)據(jù)正常的接收與發(fā)送是通過其上運(yùn)行的程序使得CPU能夠?qū)λ绾喂ぷ鬟M(jìn)行設(shè)置完成的。CAN收發(fā)器是能否正常運(yùn)行關(guān)系到通信系統(tǒng)的可靠性、安全性以及電磁兼容性能否保證的關(guān)鍵。通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[3]如圖2所示。

圖2 CAN結(jié)構(gòu)及使用器件

2.1.1 CAN控制器

本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用的是Philips公司生產(chǎn)的SJA1000芯片，它是對(duì)CAN獨(dú)立控制的。其中包括了兩種操作模式BasicCAN（0-31，32個(gè)寄存器可用）與PeliCAN（0-127，128個(gè)寄存器可用）。PeliCAN模式則是SJA1000生產(chǎn)后才有的，這種模式主要是對(duì)CAN2.0B（3.4.2中給出）技術(shù)規(guī)范的適用。SJA1000具有的特點(diǎn)概括如下：（1）引腳的電氣參數(shù)對(duì)PCA82C200完全適用；（2）對(duì)CAN2.0A與CAN2.0B同時(shí)適用；（3）11位與29位的標(biāo)識(shí)碼都是被接受的，通訊速率為1Mbps；（4）具有FIFO模式的64字節(jié)的可擴(kuò)展接收緩沖器；（5）PeliCAN工作模式中具有擴(kuò)展選擇，具體有：無(wú)第二的單次發(fā)送、對(duì)熱插拔的支持、最后一次錯(cuò)誤代碼寄存器、可供讀寫的錯(cuò)誤寄存器、可以設(shè)定的錯(cuò)誤提示限額寄存器、中斷一個(gè)總線錯(cuò)誤、對(duì)仲裁丟失中斷有明確的位進(jìn)行顯示、當(dāng)子請(qǐng)求接收時(shí)對(duì)本身報(bào)文的接收。這些特性都容錯(cuò)設(shè)計(jì)中適用的。

2.1.2 CAN收發(fā)器

本次通信系統(tǒng)所使用的收發(fā)器芯片是PCA82C250，它具有如下特點(diǎn)：（1）適用于ISO11898標(biāo)準(zhǔn)；（2）有1Mbps的傳輸速率；（3）具有過熱保護(hù)功能；（4）具有在電源、總線以及地間短路的保護(hù)功能；（5）在電流低時(shí)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；（6）沒有上電的節(jié)點(diǎn)對(duì)總線不產(chǎn)生干擾。

所使用的收發(fā)器是集成了PCA82C250芯片的zlg生產(chǎn)的USBCAN智能CAN接口卡，目的是可將CAN總線通過USB總線連接到PC機(jī)，從而使PC機(jī)可以對(duì)通訊系統(tǒng)以及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試控制。它的特點(diǎn)是支持2路獨(dú)立CAN通道，這是對(duì)冗余總線的支持；CAN2.0B規(guī)范，我們將接口設(shè)計(jì)成29位；波特率可設(shè)置在5kpbs-1Mbps內(nèi)，方便調(diào)試和通信。

2.2 CAN總線的報(bào)文傳輸與幀在系統(tǒng)中配置

幀的兩種標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度將幀分為兩種不同的形式，第一種是標(biāo)準(zhǔn)幀，其中包括11位的標(biāo)識(shí)符；第二種為擴(kuò)展幀，它包括29位標(biāo)識(shí)符。針對(duì)三機(jī)備份容錯(cuò)系統(tǒng)中需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的身份以及對(duì)報(bào)文所表示的含義（數(shù)據(jù)或狀態(tài)）進(jìn)行具體的識(shí)別，因此第二種幀的形式，即擴(kuò)展幀更適于對(duì)幀的配置。

在對(duì)報(bào)文的傳輸過程中，幀被分為四種，數(shù)據(jù)幀、錯(cuò)誤幀、過載幀以及遠(yuǎn)程幀。數(shù)據(jù)幀來(lái)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)由發(fā)送器送達(dá)到接收器；錯(cuò)誤幀是當(dāng)總線中出現(xiàn)錯(cuò)誤并被總線中的任一單元發(fā)現(xiàn)，則這一單元就會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀；過載幀所提供的是一個(gè)額外的延遲，目標(biāo)是遠(yuǎn)程幀或是接近數(shù)據(jù)幀；遠(yuǎn)程幀是由總線單元所發(fā)出的，用來(lái)對(duì)這擁有一標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)幀傳遞的詢問。

針對(duì)本次系統(tǒng)中方便系統(tǒng)對(duì)具體功能的實(shí)現(xiàn)，以及增強(qiáng)通信的可操作性，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了配置與定義[4]如表2所示。

表2 系統(tǒng)中幀的定義

幀信息頭FF=1RTR=0XXDLC

擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)幀不影響幀數(shù)據(jù)部分長(zhǎng)度（≤8）

幀標(biāo)識(shí)符ID28ID27ID26ID25ID24ID23ID22ID21

報(bào)文類型

ID20ID19ID18ID17ID16ID15ID14ID13

DestMAC ID（目標(biāo)節(jié)點(diǎn)編碼）

ID12ID11ID10ID9ID8ID7ID6ID5

SrcMAC ID（源節(jié)點(diǎn)編碼）

ID4ID3ID2ID1ID0XXX

00SegPolo（分段標(biāo)志）不影響

幀數(shù)據(jù)部分Byte 0

Byte 1

Byte 2

Byte 3

Byte 4

Byte 5

Byte 6

Byte 7

首先是對(duì)幀信息頭的定義，這一部分的定義如表二中的前兩行所表示的，共包含8 bit，其中FF為1時(shí)代表幀的形式為擴(kuò)展幀；RTR是遠(yuǎn)程訪問請(qǐng)求，值為0說(shuō)明不設(shè)置；有兩位空置；DLC代表一幀中傳輸數(shù)據(jù)大小，在此處設(shè)為8，即默大小為8字節(jié)。

其次是對(duì)幀標(biāo)識(shí)符的定義，這一部分的定義如表二中3～8行所表示，此部分共包含29 bit，除了因格式需要所這置空的后三位外其他位均有定義。

第一部分的ID21-ID28共8位，用作對(duì)報(bào)文的類型進(jìn)行編碼，所編碼的內(nèi)容涉及了數(shù)據(jù)的類型以及數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，其中數(shù)據(jù)的類型包括編碼為0000 0000-0111 1111的狀態(tài)信息幀，以及編碼為1000 0000-1111 1111的數(shù)據(jù)信息幀，其中優(yōu)先級(jí)的高低與數(shù)值的大小成反比，即數(shù)值越大優(yōu)先級(jí)越低。

數(shù)據(jù)信息幀則直接關(guān)系到表二中所示的幀數(shù)據(jù)部分，幀中負(fù)載的是非狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)。

狀態(tài)信息幀所包含的內(nèi)容是傳輸過程能否正確完成的重要信息，也是我們對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的關(guān)鍵信息。包含的內(nèi)容為傳輸相應(yīng)報(bào)文、檢測(cè)主節(jié)點(diǎn)的報(bào)文、顯示節(jié)點(diǎn)檢測(cè)報(bào)文。

第二部分是表二中所示的5-10行，幀中分別利用了8位（ID5-ID12、ID13～I(xiàn)D20）來(lái)定義源節(jié)點(diǎn)編碼（SrcMAC ID）與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)編碼（DestMAC ID），分別用于表示此幀的發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的地址。最后的ID0～I(xiàn)D2的3位用于對(duì)是否分段（SegPolo）進(jìn)行設(shè)置，這與數(shù)據(jù)的大小相關(guān)，由于一幀所傳數(shù)據(jù)設(shè)定在8字節(jié)，當(dāng)大于8字節(jié)就需要分段傳輸，SegPolo的值為000、001、010分別表示單幀傳輸、多幀中間傳輸以及多幀最后幀傳輸。

2.3 冗余CAN總線的實(shí)現(xiàn)

圖3 冗余CAN總線實(shí)現(xiàn)流程

通信系統(tǒng)采用的是可靠性較高的進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)的CAN總線，其結(jié)構(gòu)圖如圖三所示，在系統(tǒng)中共有兩條CAN總線CAN0和CAN1，CAN1是對(duì)CAN0的備份，當(dāng)CAN0出現(xiàn)故障時(shí)CAN1對(duì)CAN0進(jìn)行替換，并且按照?qǐng)D三中的流程實(shí)現(xiàn)冗余的CAN總線，與系統(tǒng)中兩條CAN總線相配的是，在單機(jī)故障恢復(fù)系統(tǒng)中集成在板卡中的兩個(gè)SJA1000 CAN控制器，另一端連接有兩路CAN接口的具有PCA82C250芯片，USBCAN收發(fā)器相連，收發(fā)器通過USB總線與PC機(jī)相連接，這樣就完成了整個(gè)基于CAN總線的高可用通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)實(shí)現(xiàn)三機(jī)備份容錯(cuò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞、通信及控制的線路—CAN總線的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)既選擇的必要性進(jìn)行分析，對(duì)總線進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，給出了完整的總線實(shí)現(xiàn)方案。該文對(duì)容錯(cuò)的總線設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。進(jìn)一步工作是優(yōu)化并完善原型系統(tǒng)的通信能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸陽(yáng)，王強(qiáng)，諸葛戰(zhàn)斌.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2010（36）：230-235.

[2]史文路.雙機(jī)熱備份系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京工業(yè)大學(xué)，2006：13-22.

[3]孫栓，趙敏，戴維.微小衛(wèi)星星載計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容錯(cuò)計(jì)算研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008（08）：148.

[4]王霆，長(zhǎng)寧寧，王艷利.分布式高可靠性星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2008（10）：57-58.

作者簡(jiǎn)介：孫鍇（1985-），男，陜西西安人，碩士，助理工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)；郭瀟（1985-），女，陜西西安人，本科，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

作者單位：中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所十室，西安 710119；華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065