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0 引言 CAN(Controller Area Network)總線是上世紀80年代德國Bosch公司開發的一種串行數據總線，屬于現場總線的范疇。CAN總線主要特點如下： (1)CAN 總線系統導線少(兩線電源線，兩根信號線)，維護和安裝便捷； (2)CAN協議采用8字節的短幀結構，保證了傳輸的正確性和低誤碼率； (3)CAN 協議對通信數據進行編碼，使得網絡的節點數不受限制且無主從之分；采用廣播方式，不同的節點可以同時接收到相同的數據； (4)采用CRC 檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證數據通信的可靠性。 CAN總線具有突出的靈活性、實時性和可靠性，已廣泛應用到機器人、汽車、數控機床、自動化儀表等領域的現場通信中。雖然CAN協議本身具有強大的糾錯能力，但是在實際應用中由于硬件電路接口連接不牢和傳輸介質容易受到損壞，因此在電力機車、船舶機艙和航空航天等對可靠性要求很高的領域，往往采用冗余設計來提高硬件的可靠性。 1 冗余設計可靠性分析 采用CAN總線冗余設計，主要是為了提高系統的可靠性。已實際應用的有雙總線冗余和三總線冗余等。總線冗余相當于系統并聯，以雙總線冗余設計為例進行分析。雙總線通信模型如圖2所示，原模型如圖 1所示。文獻只分析了雙總線，這里借鑒其方法進一步分析已有實際應用的三總線的可靠性，指出雙總線的效率最好，是本文要采用的冗余方案。 
不妨設每條總線的可靠度均為R，則模型l的可靠度為： R1=R 采用雙總線冗余設計的模型2的可靠度為： R2=1-(1-R)(1-R) 同理，采用三總線冗余設計的可靠度為： R3=1-(1-R)(1-R)(1-R) 另外，假設每路CAN總線通信可靠度均為
若定義平均無故障時間為
由
但是，由
2 節點電路設計 CAN節點一般采取CAN控制器或CAN接口芯片和總線驅動器構成。具體有三種構成形式：a．獨立CAN通信控制器和驅動器構成，如SJAl000+PCA82C250；b．帶控制功能的I／0器件和CAN驅動器構成， 如P82C150+PCA82C250；C．帶在片CAN微控制器和CAN驅動器構成，如P80C592+PCA82C250。本文采用第三種形式，有利于簡化電路設計，在冗余設計時便于程序控制。 CAN冗余有完全冗余和部份冗余兩種。本文采用雙總線冗余，完全冗余就是雙控制器冗余：雙控制器+雙驅動器+雙總線。部分冗余有兩種形式：a．雙驅動器冗余：單控制器+模擬開關+雙驅動器+雙總線；b．雙總線冗余：單控制器+單驅動器+模擬開關+雙總線。 請注意：這里的雙總線冗余是對節點來說的，與上面的針對網絡結構而言的僅只總線數目的雙總線冗余不同，不要混淆。
文獻介紹的雙驅動器冗余是在兩個驅動器的接收引腳RXD 與控制器之間接一數控模擬開關，兩個驅動器的發送引腳TXD都直接與控制器的發送引腳相連，如圖3所示。這種連接方式只能從雙總線選擇一路接收數據，但是能向兩路同時發送數據。 文獻介紹的雙總線冗余是在一個驅動器與雙總線之間接一數控模擬開關CD4052，如圖4所示。這種連接方式只能從雙總線選擇一路接收或發送數據。 上述兩種電路都有一個不足，即雙總線的運行方式不能選擇，從而不能通過軟件來提高總線的通信利用率。 本文對上述電路加以改進，在控制器和兩個驅動器之問加一個數控模擬開關CD4053，如圖5所示。 本文采用帶在片CAN控制器的單片機P80C3592，節點電路連接圖如圖6所示。CAN控制器的發送輸出端CTX0接CD4053的第二路模擬開關輸出端Y；CAN控制器的接收輸入端CRX0接CD4053的第一路模擬開關輸出端X。CD4053的第一路模擬開關的輸入端X0、X1分別接兩個總線驅動器的接收輸出端RXD；CD4053的第三路模擬開關的輸出端Z與其輸入端Z0連接后，然后將第二路與第三路模擬開關的輸入端Y0、Y1和Z0、z1對應連接，再對應連接兩個總線驅動器的發送輸入端TXD。CD4053三獨立選通由單片機的P1口低三位控制。這樣就使得雙總線可供選擇的工作方式增加。對于單一節點來說，雙總線所有可能的運行方式如表1所示。
對于所有節點來說，雙CAN總線有同時運行和熱備份兩種運行方式。由于采用雙驅動器冗余，只有一個總線控制器，所以每個節點不能同時從兩路總線接收數據，故本文的驅動器冗余方式不能實現嚴格意義上的同時運行方式。另外，同時運行方式功耗大，總線通信利用率低。 若采用圖3所示的電路，只能實現表1中的方式5和6，若采用圖4所示的電路，只能實現表1中的方式1和4。方式2 和3具有非常特殊的作用：a．雙總線同時運行時，可以為兩個不同的節點傳遞報文，提高總線通信利用率；b．可能實現單節點調試。因為單節點采用其他方式調試時，報文發送后由于得不到應答而會檢測到錯誤并不斷重發報文，節點轉為被動出錯節點。 3 軟件編程 CAN總線節點的通信程序主要包括初始化、報文發送和報文接收三部分。 (1)CAN節點初始化主要是配置控制組寄存器。在初始化前，必須確保CAN控制器進入復位模式。初始化主要有：配置總線定時器BTR0和BTR1，設定總線通信波特率；配置輸出控制寄存器OCR，設定控制器輸出管腳CTXO和CTX1的輸出模式；配置驗收碼寄存器ACR和驗收屏蔽碼寄存器AMR，設定驗收碼和驗收屏蔽碼。 (2)報文發送程序將報文(目標節點ID、數據長度和數據)送入發送緩沖器，然后啟動發送指令即可，CAN控制器能自動報文發送過程。報文發送可通過中斷和查詢兩種方式實現，但是中斷方式效率高，采用較多。 (3)報文接收程序是從CAN控制器的接收緩沖器讀取節點需要的數據并保存。數據接收也可通過中斷和查詢兩種方式實現，普遍采用效率高的中斷方式。 4 結論 本文所設計的驅動器冗余電路簡單，能較好地提高硬件可靠性，相對降低了成本，同時，為雙總線運行提供了更多的方式，使得編程更加靈活，可以提高總線通信利用率。除此之外，在報文發送出現沖突時，還可以通過軟件轉移負荷，平衡雙總線的通信負荷。 參考文獻 1. 汪晉寬,馬淑華,吳雨川.工業網絡技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2005.08. 2. 周江春.基于雙CAN總線船舶機艙自動化監測系統的設計與實現[D].上海交通大學碩士學位論文.20040601. 3. 陳堯,孫漢旭,賈慶軒,等.空間機器人冷熱雙冗余CAN總線系統的研制[J].測控技術與儀器儀表,2008,(2):83-90. 4. 曹俊敏,孟祥群,唐厚君.單個CAN控制器的雙總線冗余網絡實現[J].微處理機,2007(4):29-31. 5. 馬力偉.基于雙CAN冗余網絡的電力機車邏輯控制單元設計[D].合肥上業大學碩士學位論文.20050301. 作者：段正強,梁述海 海軍工程大學 來源：電子技術 2009（12） |
