孫 超，金仁波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷提升，艦載武器裝備的品種不斷增多，功能不斷加強(qiáng)。而設(shè)備的智能化管理，需要顯控設(shè)備與各個(gè)分設(shè)備通訊，時(shí)刻獲取其相應(yīng)的工作狀態(tài)，做到一主多從或多主多從的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式。

CAN是Controller Area Network的縮寫(以下簡(jiǎn)稱CAN)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、船舶等領(lǐng)域。它是有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的一種通訊網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的交互式管理。CAN通信具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：多主控制、消息的發(fā)送、系統(tǒng)的柔軟性、通信速度、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求、錯(cuò)誤的檢測(cè)、通知、恢復(fù)功能、故障封閉以及可連接多個(gè)單元。CAN總線任意2個(gè)的最大傳輸距離為10 km(傳輸速率5 kbps)，最大的傳輸速率為1 Mbps(總線長(zhǎng)度少于40 m)。CAN采用的逐位總裁機(jī)制能強(qiáng)制處理總線上的錯(cuò)誤，避免整個(gè)網(wǎng)絡(luò)崩潰。

CAN通訊的多種優(yōu)點(diǎn)適用于艦船上復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然而，艦載武器裝備的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用電設(shè)備繁多，電磁環(huán)境惡劣，通訊過程中難以避免信號(hào)的干擾、延遲、抖動(dòng)等問題，對(duì)通訊方式的穩(wěn)定性、可靠性提出了新的要求。

本文對(duì)CAN通信的可靠性理論進(jìn)行研究，對(duì)提高艦船CAN總線通信可靠性具有重要意義。

1 CAN的可靠性定義

產(chǎn)品的可靠性是指在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，可以通過故障概率密度函數(shù)、可靠度函數(shù)、平均壽命[2]等不同的方式進(jìn)行描述。

CAN總線通信的可靠性，主要為傳輸可靠性。它的定義為在規(guī)定時(shí)間完成一次完整報(bào)文傳輸?shù)哪芰3]。

阻塞時(shí)間Tb，指的是節(jié)點(diǎn)欲向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一個(gè)報(bào)文，直到報(bào)文完整發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上為止所需的等待時(shí)間；軟件抖動(dòng)時(shí)間Tm，指的是受現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)影響因素造成軟件的執(zhí)行延時(shí)時(shí)間；截止時(shí)間Td，是指?jìng)魉鸵淮瓮暾麍?bào)文的時(shí)間；設(shè)報(bào)文一次性成功發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間為Tframe。CAN報(bào)文在傳輸過程中，受各種因素影響，會(huì)出現(xiàn)傳輸阻塞、軟件抖動(dòng)等情況，若滿足Tframe+Tb+Tm-Td≤0,則表明一幀報(bào)文已成功傳輸。報(bào)文的可靠度可以定義為該報(bào)文截止期內(nèi)發(fā)送成功的概率，可以用R表示，其數(shù)學(xué)定義為：

(1)

式中：fx(X)表示隨機(jī)向量X=(X1,X2,…,Xn)的聯(lián)合概率密度函數(shù)；g(X)表示狀態(tài)函數(shù)，表征傳輸過程中的成功與失敗2種狀態(tài)，即：

(2)

(3)

(4)

(5)

取g(X)的均值與方差：

(6)

(7)

由此可靠性指標(biāo)為：

(8)

由以上可得可靠度R為：

R=Φ(β)

(9)

式中：Φ(β)為一標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

2 可靠性的影響因素

硬件因素、軟件因素和外部因素是影響總線通信可靠性的主要因素。硬件因素，主要包括總線中硬件電路設(shè)計(jì)、電子元器件壽命等；軟件因素，主要包括軟件復(fù)雜度、軟件設(shè)計(jì)、開發(fā)軟件等。

外部因素是影響CAN總線通信的主要因素[2]。第一，CAN總線的通訊帶寬。當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的預(yù)定帶寬時(shí)，會(huì)發(fā)生通訊延遲、丟失，降低CAN的實(shí)時(shí)性。當(dāng)進(jìn)行二次傳輸時(shí)，占用總線時(shí)間將增加，丟失其控制優(yōu)勢(shì)。第二，CAN總線外部節(jié)點(diǎn)故障。節(jié)點(diǎn)的掉電及接地故障均能自動(dòng)脫離總線，不影響總線通訊，但會(huì)失去該節(jié)點(diǎn)的控制及監(jiān)測(cè)。第三，CAN總線的短路、斷路。CAN的短路會(huì)影響CAN的差分電平，總線將無法正常工作；斷路，會(huì)使得斷路節(jié)點(diǎn)以外的所有節(jié)點(diǎn)脫離總線，影響實(shí)時(shí)通訊。第四，復(fù)雜的電磁環(huán)境。艦船內(nèi)有多個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備均由多種分設(shè)備組成，其中不免有大功率電源、雷達(dá)天線、高壓線纜等設(shè)備之間的輻射干擾、傳導(dǎo)干擾，以及磁暴、雷電等自然干擾。惡劣的電磁環(huán)境，可能對(duì)CAN總線通訊產(chǎn)生位翻轉(zhuǎn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)錯(cuò)誤等影響，使整個(gè)系統(tǒng)傳輸能力下降，可靠性降低。

3 提高CAN通信可靠性的方法

在無法改變周邊電磁干擾環(huán)境的情況下，提高CAN通信的可靠性主要依靠硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)和保護(hù)設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN通信的算法設(shè)計(jì)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

(1) CAN的冗余設(shè)計(jì)

CAN總線冗余設(shè)計(jì)[4-5]：CAN通信總線上共有2條通信線纜，總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)均采用2個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)控制器或者2個(gè)驅(qū)動(dòng)器和2個(gè)控制器。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，微控制器(MCU)將數(shù)據(jù)通過2個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)發(fā)送給2條CAN線路；當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送給2個(gè)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，送入MCU?；蛎總€(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)驅(qū)動(dòng)器及2個(gè)控制器，同時(shí)通過2條CAN線路收發(fā)，到中央控制器處理。當(dāng)2條線路均正常，選取主條線路收發(fā)即可；當(dāng)主通訊線路發(fā)生故障時(shí)，切換備用線路。其原理框圖如圖 1所示。

圖1 CAN冗余設(shè)計(jì)原理框圖

中央控制器在截止時(shí)間內(nèi)未收到主線路數(shù)據(jù)，則該通訊線路存在異常，可立即切換到備份線路查看通訊報(bào)文。該冗余設(shè)計(jì)可大大提高通信的可靠性。

(2) CAN的保護(hù)電路設(shè)計(jì)

CAN的保護(hù)電路設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)雷擊、串?dāng)_等環(huán)境因素對(duì)通訊的影響?？梢酝ㄟ^在CAN輸入輸出端加匹配電阻、共模電感及CAN保護(hù)器，起到通訊穩(wěn)定的作用，如圖 2所示。

圖2 CAN保護(hù)電路

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)化，在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，主要針對(duì)單個(gè)控制器、2個(gè)CAN驅(qū)動(dòng)器的情況。其流程圖如圖 3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

該優(yōu)化算法能預(yù)先計(jì)算CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的冗余路徑，當(dāng)主路線發(fā)生故障時(shí)，可迅速對(duì)各個(gè)流量的備用路線進(jìn)行部署，防止通信故障，提高可靠性。

該軟件的優(yōu)化算法設(shè)計(jì)如下：

首先，每個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前的連接狀態(tài)、鏈路負(fù)載等信息通過總線上報(bào)給中央控制器。

其次，根據(jù)流量的需求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，中央控制器搜尋最優(yōu)路徑，對(duì)路徑長(zhǎng)度、帶寬排序，配置各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)，達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

最后，某個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)故障，及時(shí)上報(bào)中央處理器，中央處理器經(jīng)過接收?qǐng)?bào)文并處理，判斷確實(shí)故障時(shí)，立即切換到備份線路。

此優(yōu)化的配置算法，當(dāng)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，能及時(shí)切換備用線路，避免了通訊阻塞、故障恢復(fù)時(shí)間，對(duì)艦載設(shè)備通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性都起到了重要作用。

4 結(jié)束語

CAN總線是艦載設(shè)備應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，然而其可靠性易受電磁干擾、延遲等問題的影響。本文圍繞提高CAN通信可靠性進(jìn)行論述，首先討論了CAN可靠性定義及可靠性影響因素，然后從硬件上提出了一種冗余設(shè)計(jì)架構(gòu)和保護(hù)電路，并從軟件上提出了一種基于硬件冗余路徑后流量配置算法，對(duì)提高艦載CAN通信網(wǎng)絡(luò)可靠性具有重要的指導(dǎo)和應(yīng)用意義。