CAN總線的原理、通信接口設(shè)計(jì)及在航天衛(wèi)星中的應(yīng)用研究

1、引言

can總線是由德國bosch公司為現(xiàn)實(shí)汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計(jì)的、支持分布式控制及實(shí)時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。can總線通訊的波特率可高達(dá)1mbps，最遠(yuǎn)距離可達(dá)10km;can總線通訊采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間短，受干擾的幾率低;can總線協(xié)議有良好的檢錯措施，可靠性較高;can總線通訊對于傳送幀可以設(shè)定不同的優(yōu)先級，通過總線仲裁機(jī)制使高優(yōu)先級的信息能夠被優(yōu)先及時傳送，增加了can總線通訊的實(shí)時性;can總線的完善可靠的通信協(xié)議主要由接口器件完成，降低了軟件開發(fā)的難度。此外，can總線網(wǎng)絡(luò)中的每節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個地址，理論上基于can總線的網(wǎng)絡(luò)上可以添加刪除任一節(jié)點(diǎn)，通訊方式可以為點(diǎn)對點(diǎn)的通訊也可以為廣播方式，可以為單主方式也可以是多主方式，因此can總線通訊有相當(dāng)?shù)撵`活性。

can總線開始主要應(yīng)用于自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機(jī)部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，但隨著can的應(yīng)用普及，其應(yīng)用范圍已不局限于汽車行業(yè)，正在向過程控制、機(jī)械、紡織等行業(yè)發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線網(wǎng)絡(luò)。而且can總線的實(shí)時性以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)也逐步為航天領(lǐng)域所認(rèn)可。1995年sstl（surrey大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)公司）將can作為星載遙測/遙控信道，隨之sstl開發(fā)了基于can的分布式解決方案。至今sstl已經(jīng)在uosat-12，snap-1，aisat-1，ukdmc，nigeriasat-1，bilsat-1 等6顆leo衛(wèi)星中應(yīng)用了can總線網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)星載計(jì)算機(jī)與其他任務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的通信;esa在smart-1上也將can作為系統(tǒng)總線和有效載荷總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳送。在國內(nèi)，can總線技術(shù)在小衛(wèi)星中也得到了實(shí)際的應(yīng)用。

本文在分析can總線航天應(yīng)用的基礎(chǔ)上，從硬件原理設(shè)計(jì)、cpu與can總線接口實(shí)現(xiàn)以及can總線通信軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了論述。

表1 can總線故障及其影響分析

2、can總線工作原理

can總線的多主站工作方式的發(fā)送原理采用“載波偵聽多路訪問/沖突檢測”（csma/cd:carrier sense multiple access with collision detect）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。利用csma訪問總線，可對總線上信號進(jìn)行檢測，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個節(jié)點(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點(diǎn)重新回到‘監(jiān)聽’總線狀態(tài)，直到該沖突時間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送延時，可利用csma/cd方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行發(fā)送時，通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的報文優(yōu)先發(fā)送。在can總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個11位或29位數(shù)id。can總線狀態(tài)取決于二進(jìn)制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以id號越小，該報文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。

can總線的多主站工作方式的接收原理是通過驗(yàn)收濾波器來實(shí)現(xiàn)的。獨(dú)立的can 控制器sja1000設(shè)置了一個多功能的驗(yàn)收濾波器，該濾波器允許自動檢查標(biāo)識符和數(shù)據(jù)字節(jié)。使用驗(yàn)收濾波器的濾波方法可以防止對于某個節(jié)點(diǎn)無效的報文或報文組存儲在接收緩沖器里，因此降低了主控制器的處理負(fù)荷。濾波器由驗(yàn)收碼寄存器（acc）和屏蔽寄存器（amr）組成。在basiccan 模式里的驗(yàn)收濾波，其判據(jù)為：（acc（7:0） ⊙ id（10:3））＋amr（7:0）。如果判據(jù)的結(jié)果為“11111111”，則表示該幀數(shù)據(jù)是其他節(jié)點(diǎn)傳送給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本節(jié)點(diǎn)can總線控制器將接收本幀數(shù)據(jù)，在crc校驗(yàn)無誤后于應(yīng)答間隙產(chǎn)生應(yīng)答信號。

3、can總線航天應(yīng)用分析

esa開展的can、1553b、spacewire技術(shù)研究表明以差分信號傳輸?shù)母咚俅锌偩€用于星載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸能保證通信的及時性， 利于降低星載設(shè)備的功耗，有助于獲得低噪聲、抗電磁干擾性強(qiáng)、emi低、信號不受電源開關(guān)狀態(tài)變化影響等優(yōu)勢， 具有良好的航天應(yīng)用前景。

can總線作為一種專為汽車工業(yè)設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線，具有很多適合航天應(yīng)用的特點(diǎn)：作為多主站方式的串行通訊總線，can總線具有低成本，高抗電磁干擾性，高總線利用率，很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達(dá)10km），高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1mbps），可根據(jù)報文的id決定接收或屏蔽該報文，可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)，節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能等特點(diǎn)。

iso11898建議的can總線的物理電氣性能，能夠保證在總線發(fā)生某些故障時不至于中斷通信，而且可以為故障的定位提供可能。表1列出了can總線可能發(fā)生的各種開路和短路故障，以及在該故障模式下can總線受影響的情況。

can總線具有安全可信性。從協(xié)議分析，can總線的每個ecu具備錯誤檢測、標(biāo)定和自檢的強(qiáng)有力措施。檢測錯誤包括：發(fā)送自檢、crc校驗(yàn)、位填充和報文格式檢驗(yàn)。其錯誤檢測具有如下特性：其一， 所有全局錯誤都可以檢測;其二，發(fā)送器的所有局部錯誤都可以被檢測;其三，報文中5個以內(nèi)的隨機(jī)分布錯誤都可以被檢測到;其四，報文中長度小于15的突發(fā)性錯誤都可以被檢測得到;其五，報文中任何奇數(shù)個錯誤都可以被檢測得到;其六，沒有檢測出的已損報文的剩余錯誤概率為報文出錯率的4.7×10-11。

sstl經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在600公里～1000公里的空間領(lǐng)域，空間輻射對衛(wèi)星的影響相對較小。在這個高度上，總劑量為每年1krad左右（其量級相當(dāng)于增加5mm的鋁屏蔽層），seu發(fā)生率相當(dāng)于每天每mbyte一次（此數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)觀察），并且觀測到的sel發(fā)生概率非常低，在sstl整個記錄中只記錄到3到4次值得懷疑的情況（確定的只有4次）。sstl還發(fā)現(xiàn)幾乎所有的商業(yè)cmos器件，在經(jīng)受10 krad輻照后其性能并無明顯下降。sstl在低軌道小衛(wèi)星采用工業(yè)級can控制器芯片構(gòu)建衛(wèi)星can總線網(wǎng)絡(luò)的成功，驗(yàn)證了上述結(jié)論。表2為sstl在近年來采用的cots can器件。

表2 surrey大學(xué)采用的cots can器件統(tǒng)計(jì)列表

器 件 飛行任務(wù)次數(shù)

philips can收發(fā)器：當(dāng)前主流產(chǎn)品 4

philips pca82c250 10

philips p87c592 10

philips can 8位外設(shè)：產(chǎn)權(quán)主流產(chǎn)品 4

philips pca82c200:can 8位外設(shè) 6

infineon:8位can微控制器（a/d，pwm，例如8051） 6

microchip can spi外設(shè) 4

4 、 星載計(jì)算機(jī)中的雙冗余容錯can總線設(shè)計(jì)

圖1描述了基于can的雙冗余總線結(jié)構(gòu)?；赾an總線的雙冗余系統(tǒng)通信總線的基本設(shè)計(jì)思想是在衛(wèi)星各功能模塊之間布下兩條基于can的系統(tǒng)通信總線，即用兩套can總線控制模塊分別連接到總線bus0和bus1上。正常情況下優(yōu)先在一條總線上通信，這條總線出現(xiàn)故障時通過另一條進(jìn)行通信并重新初始化出錯的總線以備將來再用。這樣即使一條通信通道故障后不會影響整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，大大提高了通信的可靠性。

圖1 基于can的雙冗余總線結(jié)構(gòu)

圖2 can總線硬件設(shè)計(jì)原理簡圖

圖2為星載計(jì)算機(jī)中can總線硬件設(shè)計(jì)原理框圖。 can總線協(xié)議控制芯片選用philip的工業(yè)級器件sja1000，收發(fā)器選用philip的pca82c250。cpu與sja1000的接口控制邏輯通過actel的反熔絲fpga實(shí)現(xiàn)。sja1000工作在intel模式，工作時鐘為7.3728mhz。復(fù)位信號通過max708產(chǎn)生。為了有更好的emc/emi性能和抑制比較器的噪聲，vdd通過rc濾波器退耦。

SJA1000的RX1信號處理非常關(guān)鍵。如果使用外部集成收發(fā)器電路而且沒有在時鐘分頻寄存器里使能比較器旁路功能，RX1輸出要被連接到2.5V的參考電壓（82C250的Vref輸出）。圖3顯示了CBP的兩種設(shè)置所對應(yīng)的電路。對于使用82C250集成的收發(fā)器電路，SJA1000的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊建議使用旁路功能，即CBP設(shè)置為1，在這種情況下，SJA1000的比較器旁路功能有效，減少了內(nèi)部傳播延遲，即td2

圖3 SJA1000的接收輸入比較器旁路設(shè)計(jì)

82C250的RS信號通過電阻Rext接地。RS管腳的電流決定了傳輸介質(zhì)上傳輸信號的信號沿的陡峭程度，Rext阻值的大小必須根據(jù)CAN總線的工作速度及其工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇，具體可參見SJA1000的數(shù)據(jù)手冊或者應(yīng)用文檔。

5、 CPU與SJA1000的接口邏輯設(shè)計(jì)

星載計(jì)算機(jī)的CPU不同于8086，采用的是獨(dú)立地址和數(shù)據(jù)總線。CAN總線控制器SJA1000采用地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用方式，需要將CPU的總線信號經(jīng)過適當(dāng)邏輯處理后才能夠滿足CAN總線控制器的時序要求。圖4和圖5是SJA1000在Intel模式下的讀寫時序。

圖4 SJA1000讀時序（Intel模式）

圖5 SJA1000寫時序（Intel模式）

按照SJA1000的數(shù)據(jù)手冊，確保SJA1000的讀寫正確，如下的時序參數(shù)必須滿足：

l tW（AL）：必須保證ALE的時間，最小不能小于8ns；

l tLLRL/tLLWL：讀寫時ALE無效到讀寫信號有效的時間，最小不能小于10ns；

l tLCRL/tLCWL：片選信號有效后讀寫信號有效的時間，最小不能小于0，即片選有效必須出現(xiàn)在讀寫信號有效前；

l tW（R）：讀信號有效寬度，最小不能小于40ns；

l tW（R）：寫信號有效寬度，最小不能小于20ns；

l tWHLH：寫信號無效到下一次ALE有效的時間，最小不能小于15ns；

l th（AL-A）：在ALE為低電平后地址應(yīng)該保持時間，最小不能小于2ns。

CPU和CAN總線接口采用地址直接映射。接口時序設(shè)計(jì)重點(diǎn)是接口控制邏輯必須產(chǎn)生符合上述關(guān)鍵參數(shù)的讀寫時序。如果簡單的按照ALE《=not nADS方法處理，不滿足要求時序關(guān)系，這在調(diào)試過程中已經(jīng)得到驗(yàn)證。為此，在設(shè)計(jì)中采用了FPGA技術(shù)，以求很好地解決CAN總線與CPU的接口問題。圖6描述了通過VHDL編寫實(shí)現(xiàn)接口電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和FPGA設(shè)計(jì)產(chǎn)生的讀寫CAN總線時序，其中時鐘周期不低于67ns，該時序滿足SJA1000要求。

圖6 CAN總線接口時序設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和時序

6、 CAN總線通訊軟件的設(shè)計(jì)

雙冗余總線結(jié)構(gòu)的通訊軟件主要由初始化、接收和發(fā)送三個模塊組成，控制流圖見圖7。在程序設(shè)計(jì)時采用了SJA1000的Basic模式，初始化中需要對BUS0和BUS1分別進(jìn)行初始化，包括SJA1000的控制寄存器、接收代碼寄存器、接收屏蔽寄存器、總線時序寄存器等。

圖 7 CAN總線通訊軟件的控制流圖

發(fā)送模塊采用主動發(fā)送方式，BUS0為優(yōu)先通訊通道，若BUS0通道狀態(tài)不正常，則啟動BUS1通道進(jìn)行通訊，并對BUS0通道進(jìn)行初始化以備下次通訊時使用。

接收模塊采用中斷接收方式，為了保證接收到的數(shù)據(jù)被實(shí)時處理，CAN總線的接收中斷被設(shè)置為高優(yōu)先級中斷。在接收中斷中首先判斷接收通道是BUS0還是BUS1，然后從接收通道按數(shù)據(jù)長度進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

7 、結(jié)束語

CAN總線技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)如實(shí)時性好，通信速率高，抗干擾能力強(qiáng)，低廉的價格等使它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，而且開始向航天領(lǐng)域進(jìn)軍。其COTS工業(yè)級器件SJA1000經(jīng)過飛行也得到了驗(yàn)證，CAN總線適宜航天應(yīng)用的特點(diǎn)得到了充分的展示和飛行驗(yàn)證。