楊 璋

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所 四川 成都 610036)

0 引 言

CAN總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線中的重要代表，最早由Bosch公司提出并應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，CAN總線的組網(wǎng)簡(jiǎn)單、性能可靠、實(shí)時(shí)性好、功耗較低，并自帶校驗(yàn)機(jī)制和糾錯(cuò)機(jī)制，使其逐漸在工業(yè)、醫(yī)療、航空、航天等諸多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]，小衛(wèi)星平臺(tái)上普遍采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信的主要手段[6-7]。近年來速率更高的CAN FD被提出用以升級(jí)替換CAN[8-10]，但由于其兼容性、成本、可靠性等問題仍待完善[11]，目前CAN FD還未得到大規(guī)模應(yīng)用，CAN總線依然是各類工程應(yīng)用的主流。按照網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的定義，CAN總線網(wǎng)絡(luò)分為三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其中標(biāo)準(zhǔn)的CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)僅定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層需要用戶自行定義[12]。一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)，如CAN總線應(yīng)用層協(xié)議(CAL)、汽車工程協(xié)會(huì)協(xié)議(SAE)等。各小衛(wèi)星平臺(tái)也根據(jù)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，形成了各自獨(dú)特的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[13-14]，開展了星載標(biāo)準(zhǔn)接口的研究[15]。載荷搭載衛(wèi)星平臺(tái)時(shí)，其分系統(tǒng)內(nèi)部的CAN總線協(xié)議設(shè)計(jì)普遍參照平臺(tái)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。隨著載荷設(shè)備低成本、小型化、智能化、快速響應(yīng)的趨勢(shì)，載荷數(shù)量急增，系統(tǒng)功能更復(fù)雜，數(shù)據(jù)交互方式更靈活，開發(fā)周期更短，完全參照平臺(tái)協(xié)議很難滿足現(xiàn)有設(shè)計(jì)需求，本文針對(duì)小衛(wèi)星載荷工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于PeliCAN模式的載荷CAN總線協(xié)議。該協(xié)議支持靈活的通信方式，能滿足較為復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方式，具備一定的通用性，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載滿足載荷組網(wǎng)要求。

1 CAN總線應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1 協(xié)議模式選擇

小衛(wèi)星平臺(tái)普遍選用CAN控制器芯片SJA1000，支持兩種CAN總線模式，一種是BasicCAN模式，支持CAN2.0A協(xié)議，采用11 bit報(bào)文標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀；另一種是PeliCAN模式，支持CAN2.0B協(xié)議，可采用29 bit報(bào)文標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。小衛(wèi)星平臺(tái)的通信總線采用分層多級(jí)的方式設(shè)計(jì)，與星務(wù)平臺(tái)直接通信的設(shè)備較少，因此基于BasicCAN模式的CAN總線設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠滿足需求，各個(gè)小衛(wèi)星平臺(tái)均有標(biāo)準(zhǔn)的CAN應(yīng)用層協(xié)議，搭載的載荷總線普遍參照?qǐng)?zhí)行。近年來載荷分系統(tǒng)功能復(fù)雜度逐漸增加，使載荷分系統(tǒng)內(nèi)部CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量急增，采用BasicCAN模式進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)，已經(jīng)不能很好地滿足載荷內(nèi)部通信組網(wǎng)的需求。

PeliCAN模式作為BasicCAN模式的改進(jìn)版本，增加了報(bào)文標(biāo)識(shí)符的位數(shù)，支持雙濾波器設(shè)置(屏蔽和驗(yàn)收濾波器)，并增強(qiáng)了對(duì)CAN總線錯(cuò)誤的檢測(cè)(可操作的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器)，使得基于PeliCAN模式擴(kuò)展幀進(jìn)行載荷分系統(tǒng)內(nèi)部CAN總線協(xié)議設(shè)計(jì)支持更多的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，節(jié)點(diǎn)之間的通信方式更靈活。本設(shè)計(jì)選用PeliCAN模式擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀作為信息傳輸模式。

1.2 PeliCAN模式數(shù)據(jù)幀定義

PeliCAN模式下的擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀中用戶可編程的數(shù)據(jù)幀共13字節(jié)，分為6部分：幀格式(FF)；幀類型(RTR)；保留位(XX)；幀長(zhǎng)度(DLC)；報(bào)文標(biāo)識(shí)符(ID)；數(shù)據(jù)場(chǎng)(DATE)。本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)F=1表示擴(kuò)展幀，RTR=0表示數(shù)據(jù)幀，具體定義如表 1所示，其中用戶主要通過設(shè)計(jì)報(bào)文標(biāo)識(shí)符和濾波器來控制總線各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信方式。

表1 PeliCAN模式擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀格式

1.3 報(bào)文標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

PeliCAN模式下擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的報(bào)文標(biāo)識(shí)符(ID)共29 bit(ID.28-ID.0)，通過對(duì)報(bào)文標(biāo)識(shí)的分段設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級(jí)仲裁，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播、組播、子播通信模式。報(bào)文分段設(shè)計(jì)具體格式如表 2所示，分別對(duì)標(biāo)識(shí)符各段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表2 報(bào)文標(biāo)識(shí)分段設(shè)計(jì)格式

1.3.1信息優(yōu)先級(jí)

信息優(yōu)先級(jí)(PRI)共3 bit，定義數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，最多支持7種信息優(yōu)先等級(jí)(全1不使用),數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高，當(dāng)多種類型的數(shù)據(jù)幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)幀最先獲得總線使用權(quán)。將指令參數(shù)等重要數(shù)據(jù)類型設(shè)為最高優(yōu)先級(jí)，遙測(cè)輪詢次之，廣播設(shè)為相對(duì)低優(yōu)先級(jí)，具體設(shè)置如表 3所示。

表3 優(yōu)先級(jí)分類格式

1.3.2源節(jié)點(diǎn)ID

源節(jié)點(diǎn)ID(SID)共5 bit，定義總線上各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，最多支持32種節(jié)點(diǎn)優(yōu)先等級(jí)，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高，當(dāng)出現(xiàn)總線沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)最先獲得總線使用權(quán)。主控機(jī)優(yōu)先級(jí)最高，分控機(jī)優(yōu)先級(jí)次之，前端機(jī)優(yōu)先級(jí)低，測(cè)試機(jī)優(yōu)先級(jí)最低，分控機(jī)、前端機(jī)和測(cè)試機(jī)等同類型多臺(tái)設(shè)備間按照業(yè)務(wù)重要等級(jí)設(shè)置同類設(shè)備優(yōu)先級(jí)，源節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)格式如表 4所示。

表4 源節(jié)點(diǎn)分類格式

1.3.3目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID(DID)共5 bit，定義節(jié)點(diǎn)站地址，最多支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)地址。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID配合各節(jié)點(diǎn)的屏蔽和驗(yàn)收濾波器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)幀的篩選接收。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，用于指示濾波器只接收本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID的具體格式定義與源節(jié)點(diǎn)ID定義類似。非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式時(shí)，用于指示濾波器區(qū)分組播內(nèi)的子播組，最多支持10個(gè)子播組,具體定義如表 5所示。

表5 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分類格式(非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信)

1.3.4通信類型

通信類型(BTYPE)共3 bit，定義數(shù)據(jù)幀是否為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，最多支持3種通信分類，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。非組播類型數(shù)據(jù)幀由節(jié)點(diǎn)的濾波器1匹配，組播類型數(shù)據(jù)幀由節(jié)點(diǎn)的濾波器2匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)同時(shí)篩選多種組播和非組播類型的數(shù)據(jù)幀。具體定義如表6所示。

表6 通信類型定義

1.3.5數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)類型(TITLE)共8 bit，定義每個(gè)數(shù)據(jù)幀的信息類型，當(dāng)總線上進(jìn)行多主通信時(shí)，可能出現(xiàn)不同信息類型幀混合，接收節(jié)點(diǎn)可根據(jù)幀TITLE區(qū)分不同信息類型數(shù)據(jù)幀，從而分別緩存拼接，實(shí)現(xiàn)混合幀解析。

1.3.6幀類型

幀類型(SRE)共2 bit，定義數(shù)據(jù)幀為多幀還是單幀，節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀后，將多幀或單幀恢復(fù)為完整的信息數(shù)據(jù)包。

1.4 接收濾波器設(shè)計(jì)

總線上各節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，使用自身濾波器參數(shù)與數(shù)據(jù)幀報(bào)文標(biāo)識(shí)進(jìn)行匹配，只有通過匹配的數(shù)據(jù)幀才能被節(jié)點(diǎn)接收，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)CAN總線上大量數(shù)據(jù)的選擇性接收。數(shù)據(jù)幀中的ID.28-ID.13共16 bit作為濾波仲裁位參與篩選。接收濾波包括2種：驗(yàn)收屏蔽濾波器定義哪些ID位需要進(jìn)行仲裁；驗(yàn)收代碼濾波器定義ID位的具體仲裁值。

本設(shè)計(jì)中為滿足系統(tǒng)要求的多種組合通信方式，總線節(jié)點(diǎn)全部采用雙濾波器模式，濾波器1接收點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)，濾波器2接收非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀中的報(bào)文標(biāo)識(shí)符ID只要通過任意1個(gè)濾波器的仲裁，就能被節(jié)點(diǎn)接收。雙濾波器的配置如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)雙濾波器模式配置示意圖

通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的濾波器配置結(jié)合各種數(shù)據(jù)幀的報(bào)文標(biāo)識(shí)符，總線節(jié)點(diǎn)之間同時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播、組播、子播等多種通信模式，系統(tǒng)非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式示意圖如圖 2所示。

圖2 非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式示意圖

1.5 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CAN總線上傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)包設(shè)計(jì)為單幀數(shù)據(jù)包和多幀數(shù)據(jù)包2種，其通用格式設(shè)計(jì)如表 7、表 8所示。為區(qū)分結(jié)束幀，多幀數(shù)據(jù)包的最后一包必須小于8字節(jié)，若最后一幀剛好8字節(jié)，則需要發(fā)送一幀空幀(只包含Index，無數(shù)據(jù)內(nèi)容)，其中DLC表示幀長(zhǎng)度，ID表示報(bào)文標(biāo)識(shí)符，Index表示幀序號(hào)，Len表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，Title表示數(shù)據(jù)類型，W1-Wn表示數(shù)據(jù)內(nèi)容，SUM表示校驗(yàn)位。

表7 單幀數(shù)據(jù)格式

表8 多幀數(shù)據(jù)格式

2 總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

為保證CAN總線上數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定，總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載須限制在30%以內(nèi)，CAN總線的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載表示為：

(1)

式中：Sc表示單位時(shí)間實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，Sa表示單位時(shí)間理論可傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，Sstd表示1幀擴(kuò)展幀的位數(shù)，nperiod表示單位時(shí)間周期型數(shù)據(jù)的幀數(shù)，nevent表示單位時(shí)間事件型數(shù)據(jù)的幀數(shù)，總線采用500 kb/s的速率，多幀間隔200 μs，總線負(fù)載情況如表9所示，總線負(fù)載峰值為24.05%，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表9 總線負(fù)載情況

3 結(jié) 語

隨著小衛(wèi)星載荷集成化與智能化水平不斷提高，載荷設(shè)備數(shù)量急劇增加，總線數(shù)據(jù)交互更加靈活，采用BasicCAN模式的協(xié)議設(shè)計(jì)逐漸不能滿足要求。本文設(shè)計(jì)了一種基于PeliCAN模式的載荷CAN總線協(xié)議，相比于傳統(tǒng)總線協(xié)議，能容納更多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播、組播和子播多種通信方式。通用幀格式便于實(shí)現(xiàn)多主通信和混合幀解析，具有一定通用性。通過對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分析，基于本協(xié)議實(shí)現(xiàn)的總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載峰值滿足行業(yè)要求，該設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在小衛(wèi)星型號(hào)項(xiàng)目上得到成功應(yīng)用。