雙冗余CAN總線模塊的設計與實現(xiàn)

摘要：為滿足惡劣環(huán)境下計算機系統(tǒng)的高可靠性需求，將冗余技術結合到CAN總線模塊的硬件與軟件開發(fā)中，介紹其總體方案。硬件及軟件設計方法，重點描述了在V×Works系統(tǒng)下的驅(qū)動軟件實現(xiàn)，給出了部分實現(xiàn)細節(jié)及設計流程。測試結果表明，此設計可成功實現(xiàn)CAN冗余模塊在總線故障情況下的冗余切換，提高了設備可靠性。

引言冗余技術有兩種方式：工作冗余和后備冗余。工作冗余是對關鍵設備以雙重或三重的原則來重復配置，這些設備同時處于工作運行狀態(tài)，工作過程中若某一臺設備出現(xiàn)故障，它會自動脫離系統(tǒng)，但并不影響系統(tǒng)的正常工作。后備冗余方式是使一臺設備投入運行，另一臺冗余設備處于熱備用狀態(tài)，但不投入運行，在線運行設備一旦出現(xiàn)故障，后備設備立即投入運行。常用的冗余系統(tǒng)按其結構可分為并聯(lián)系統(tǒng)。備用系統(tǒng)和表決系統(tǒng)3種。最簡單的冗余設計是并聯(lián)裝置，其它方法還有串并聯(lián)或并串聯(lián)混合裝置和多數(shù)表決裝置等。

本文通過以上冗余技術的分析選擇，將其結合到CAN總線模塊的設計中，并在V×Works系統(tǒng)下設計了雙冗余驅(qū)動，通過測試，驗證了本設計的有效性。

1 總體設計雙冗余CAN總線模塊設計主要包括硬件與軟件設計兩部分。為實現(xiàn)冗余功能，硬件上需要有幾個相同可獨立工作的設備支持;軟件上要具備錯誤檢測和動態(tài)切換功能，且切換時間要盡可能短。在本設計中，雙冗余CAN總線模塊硬件配置兩個獨立的CAN控制器，并有FPGA對其進行控制，軟件通過讀取CAN總線狀態(tài)寄存器判斷是否進行冗余切換動作。

下面將詳細描述雙冗余CAN總線模塊的硬件與軟件設計，以及冗余功能的實現(xiàn)細節(jié)。

2硬件設計我們選擇PCI9052作為接口芯片，利用功能芯片實現(xiàn)硬件的邏輯和物理實現(xiàn)。CAN控制器采用PHILIPS的SJAl000,可工作于BasicCAN模式或PeI.CAN模式下，其中PeIiCAN模式支持CAN 2.0B協(xié)議，采用8位地址/數(shù)據(jù)復用總線接口。如圖1所示，PC J總線雙CAN接口卡由兩片SJAl000提供兩路獨立的CAN接口，每片芯片的8位地址/數(shù)據(jù)總線和讀寫控制信號。鎖存信號直接與PCI9052相連。SJAl000輸出信號經(jīng)過光耦到CAN收發(fā)器PCA82C250,82C250供電電源為隔離電源，由隔離電源轉(zhuǎn)換模塊提供。CAN總線的復位信號由FPGA提供，CAN控制器SJAl000的中斷信號輸出到FPGA.

在硬件上CAN總線冗余模塊要求使用相同兩套CAN設備(CAN0.CANl)，每套包含獨立的總線電纜?？偩€驅(qū)動器和總線控制器，從而實現(xiàn)物理介質(zhì)。物理層。數(shù)據(jù)鏈路層及應用層的全面冗余。兩套設備采用熱備份方式運行：一個CAN控制器作為系統(tǒng)上電后默認的CAN(稱為主CAN);另一個為系統(tǒng)的備用CAN(稱為從CAN)。系統(tǒng)正常工作時，主CAN設備(CAN0)投入運行，當主CAN設備發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換至從CAN設備運行，保證整個系統(tǒng)的正常通信，提高系統(tǒng)可靠性。

3軟件設計3.1 VXWorks驅(qū)動開發(fā)模型VXWorks操作系統(tǒng)是風河公司(Wind River SyStem)推出的一款運行在目標機上的高性能?？刹脺p的嵌入式強實時操作系統(tǒng)，它包括進程管理。存儲管理。設備管理。文件系統(tǒng)管理。網(wǎng)絡協(xié)議及系統(tǒng)應用等幾個部分，只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信。軍事。航空。航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中。

VXWorks操作系統(tǒng)提供幾種標準驅(qū)動模型，如串行設備驅(qū)動。塊設備驅(qū)動。網(wǎng)絡接口驅(qū)動?？偩€控制器驅(qū)動等。根據(jù)設備不同，可選擇相應的標準驅(qū)動模型或自定cAN模塊是串行設備，設計選擇了標準串行設備驅(qū)動模型。CAN總線驅(qū)動VXWorks系統(tǒng)中的結構框圖如圖2所示。

3.2.1 CAN模塊驅(qū)動設計CAN模塊驅(qū)動設計主要包括實現(xiàn)設備初始化。與上層IO通信。數(shù)據(jù)收發(fā)。參數(shù)設置。驗收濾波器設置等。其中設備初始化要針對CAN設備冗余的特點，對兩個CAN控制器進行相同的初始化操作;與上層IO通信。數(shù)據(jù)收發(fā)。參數(shù)設置。驗收濾波器設置操作只控制當前處于工作狀態(tài)的CAN控制器。

3.2.2驅(qū)動冗余設計在雙CAN冗余系統(tǒng)的設計中，較之硬件結構而言，軟件設計相對復雜，其關鍵之處在于CAN系統(tǒng)故障檢測及CAN系統(tǒng)自動切換。由于采用兩套完全獨立的傳輸介質(zhì)?？偩€驅(qū)動器和總線控制器，因此它們能分別獨立檢測到自己通道的故障，比如CANH與CANL短路，CANH或CANL斷開。CANH與地短路。CANL與電源短路?？偩€驅(qū)動器損壞等。實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，如果CANH.CANL斷開或只有一個發(fā)送器在總線上，均會造成發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器不斷增加到128,使節(jié)點處于忽略錯誤態(tài);而CANH與CANL短路。CANH與地短路或CANL與電源短路均會造成發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器不斷增加到256,使節(jié)點處于總線脫離態(tài)。所以，通過節(jié)點狀態(tài)改變中斷子程序中調(diào)用CAN冗余模塊，可以達到實現(xiàn)上述故障自動檢測及CAN系統(tǒng)自動切換的目的。

(1)接收冗余設計CAN設備接收時無法主動檢測連接線路的通斷狀態(tài)，這時就要求系統(tǒng)中的兩個CAN控制器都同時工作于接收狀態(tài)。這時系統(tǒng)中出現(xiàn)以下幾種情況：①正常工作。這個時候兩個CAN控制器都在接收數(shù)據(jù)，此時我們只要取其中主CAN設備中的數(shù)據(jù)即可，從CAN設備中的數(shù)據(jù)丟棄;②主CAN設備沒有接收到數(shù)據(jù)而從CAN設備能正常接收到數(shù)據(jù)，主CAN設備控制器的狀態(tài)寄存器中并沒有錯誤標志，這種情況是因為主CAN設備的連接線路斷開而引起的，此時進行通道切換，將主CAN設備設置為備用通道，把從CAN設備設置為工作通道并從中取出數(shù)據(jù)送給10系統(tǒng);③主CAN設備能接收到數(shù)據(jù)，但其狀態(tài)寄存器中有錯誤標志，這是因為線路上的數(shù)據(jù)出錯引起的，此時主CAN設備中的數(shù)據(jù)為錯誤數(shù)據(jù)，不能被使用，因此要進行通道切換，把從CAN設備設定為工作通道，從中取出數(shù)據(jù)送IO系統(tǒng)，而主CAN設備進行復位處理后再讓其工作于接收狀態(tài)，作為備用通道。數(shù)據(jù)接收流程如圖3所示。