發(fā)射車冗余熱備份CAN總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法研究*

趙明，陳彧欣

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

發(fā)射車冗余熱備份CAN總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法研究*

趙明，陳彧欣

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

研究了一種以發(fā)控系統(tǒng)為核心的車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)冗余熱備份實現(xiàn)方法，提出了具體的硬件、軟件設(shè)計思路。通過該方法，可實現(xiàn)整車通信總線網(wǎng)絡(luò)的冗余熱切換，有效提升發(fā)射車的任務(wù)可靠性，保障發(fā)射車的作戰(zhàn)效能。

CAN總線；冗余；熱備份；發(fā)射控制；Vxworks；設(shè)計方法

0 引言

發(fā)射車是地基導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，以發(fā)控系統(tǒng)作為控制核心，控制其他分系統(tǒng)完成導(dǎo)彈的初始基準(zhǔn)建立、起豎調(diào)轉(zhuǎn)、射前檢測和發(fā)射控制[1]。

通常傳統(tǒng)的設(shè)計方法是將發(fā)控系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)以點對點方式進(jìn)行信息交互；但在分系統(tǒng)較多的情況下，這種方式會導(dǎo)致電纜連接關(guān)系復(fù)雜，不利于擴(kuò)展升級。而采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以使各分系統(tǒng)間的信息連接和傳遞變得簡單可靠[2]。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network，CAN)總線作為一個成熟的控制局域網(wǎng)絡(luò)，已被廣泛應(yīng)用到機(jī)器人、汽車、數(shù)控機(jī)床、自動化儀表等領(lǐng)域的現(xiàn)場通信中[3]。雖然CAN總線協(xié)議本身有很強(qiáng)的檢錯糾錯能力，但在實際應(yīng)用中硬件電路的連接不牢、傳輸介質(zhì)的損壞、總線驅(qū)動器或控制器的損壞都會影響CAN通信的可靠性。

發(fā)射車的任務(wù)可靠性直接影響到導(dǎo)彈發(fā)射任務(wù)的實施和結(jié)果，而其通信總線網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性正是關(guān)鍵因素之一。通常有2種提高可靠性的方法：一種是避錯(fault avoidance)，就是通過對系統(tǒng)的完美規(guī)避和設(shè)計，使錯誤、故障不產(chǎn)生，即提高基本可靠性；另外一種是容錯(fault tolerance)，就是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)也能正常工作，并且執(zhí)行結(jié)果也不會因系統(tǒng)故障而發(fā)生差錯，即提高任務(wù)可靠性[4-5]。

本文針對發(fā)射車的具體特點，采取主動容錯方式提高可靠性，提出了一種冗余熱備份CAN總線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方式。

1 硬件設(shè)計

1.1 總線冗余設(shè)計

為了增加整個總線的可靠性，采用了雙冗余的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6-7]，包括A，B 2路總線相互獨立的，互為備份，發(fā)射車內(nèi)部各設(shè)備構(gòu)成總線通信節(jié)點，每個總線設(shè)備同時接A，B總線，互為備份，每個單機(jī)接口電路有獨立2組總線控制芯片和總線接口芯片[8-9]，如圖 1所示。

車載系統(tǒng)上電后默認(rèn)選擇一路總線工作，當(dāng)該總線發(fā)生故障后，便迅速切換到另一路總線上來，保證CAN節(jié)點發(fā)送、讀取數(shù)據(jù)幀的正確性和實時性，使CAN總線網(wǎng)絡(luò)仍具備完成信息交互的能力。

由于CAN總線的控制器和驅(qū)動器可以選擇不同芯片，為了提高整個CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兼容性，可對CAN總線節(jié)點的電氣接口進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)計：

(1) CAN控制器選擇SJA1000，頻率16 MHz；

(2) CAN驅(qū)動器選擇TJA1040(其管腳STB接低電平)或者82C250；

(3) 控制器與驅(qū)動器之間采用高速光耦進(jìn)行隔離，光耦兩端分別由隔離直流電源進(jìn)行供電。

1.2 總線架構(gòu)設(shè)計

考慮到發(fā)控系統(tǒng)作為發(fā)射車的核心控制系統(tǒng)，其他分系統(tǒng)均受其控制，因此將發(fā)控設(shè)備作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點，其他分系統(tǒng)作為從節(jié)點[10-11]。通過合理的應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計，保證從節(jié)點不主動發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當(dāng)接收到主節(jié)點的命令幀后才能夠回送應(yīng)答幀。

整個CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖1 接口電路Fig.1 Interface circuit

圖2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Networkstructure of CAN Bus

2 軟件設(shè)計

2.1 CAN總線應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計

為了相對簡化軟件復(fù)雜程度，提升冗余熱備份功能的可靠性。通過應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計，定義了5類信息類型，可實現(xiàn)主從節(jié)點之間信息交互為“一問一答”式；從而能夠保證CAN總線的通訊是由主節(jié)點發(fā)起的，從節(jié)點是不允許主動發(fā)送數(shù)據(jù)的。整個CAN總線的故障判定和冗余軟切換由主節(jié)點來進(jìn)行控制。

本文使用了CAN2.0B協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)幀[12]，由7個不同的位域組成，即幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC(cyclic redundancy check)域、應(yīng)答域和幀尾，如圖 3所示。

利用仲裁域提供的用戶自定義的11位，定義了發(fā)送方節(jié)點標(biāo)識、接收方節(jié)點標(biāo)識、總線標(biāo)識、幀標(biāo)識，如表 1所示。

信息類型的定義如表 2所示。

當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度不足8字節(jié)時，采用單幀格式(數(shù)據(jù)域通用格式見表3)；當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度大于8字節(jié)時，采用多幀格式(數(shù)據(jù)幀通用格式如表4～6所示)。

2.2 冗余軟切換策略

CAN總線故障主要分3種情況：

(1) 數(shù)據(jù)幀發(fā)送錯誤；

(2) 在規(guī)定時間內(nèi)未接收到應(yīng)答幀；

(3) 接收到的應(yīng)答幀無效。

針對以上3種故障應(yīng)采取不同的檢測方式：

(1) 第1種故障情況，可通過底層驅(qū)動程序讀取總線控制器SJA1000的狀態(tài)寄存器看其發(fā)送標(biāo)志位是否被置位，如已置位則表示數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功，

圖3 數(shù)據(jù)幀格式
Fig.3 Format of data frame

表1 標(biāo)準(zhǔn)幀格式

表2 信息類型

表3 單幀數(shù)據(jù)域格式

表4 多幀數(shù)據(jù)域格式(首幀)

表5 多幀數(shù)據(jù)域格式(中間幀)

表6 多幀數(shù)據(jù)幀格式(尾幀)

反之則表示發(fā)送錯誤；

(2) 第2種故障情況，主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，啟動定時器，如在100 ms內(nèi)沒收到應(yīng)答幀，則認(rèn)為故障；

(3) 第3種故障情況，當(dāng)接收到應(yīng)答幀時，應(yīng)檢測應(yīng)答幀ID，同時作應(yīng)用層協(xié)議校驗，如ID有誤或校驗和錯誤都說明接收的應(yīng)答幀無效。

針對上述的3種故障，需進(jìn)行總線切換，主節(jié)點通過另外一條總線重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

2.3 通訊流程設(shè)計

(1) 主節(jié)點

發(fā)控系統(tǒng)作為主節(jié)點，處于實時性、可靠性、安全性的考慮，選擇Vxworks作為操作系統(tǒng)。Vxworks作為嵌入式實時操作系統(tǒng)，主要具有如下特點[13]：

1) 多任務(wù)調(diào)度(采用基于優(yōu)先級搶占方式，同時支持同優(yōu)先級任務(wù)間的分時間片調(diào)度)；

2) 任務(wù)間的同步(提供信號量機(jī)制)；

3) 任務(wù)間的通信機(jī)制(提供消息隊列機(jī)制)；

4) 中斷處理；

5) 定時器和內(nèi)存管理機(jī)制。

主節(jié)點命令幀發(fā)送的任務(wù)架構(gòu)和流程如圖4，5所示。命令幀發(fā)送任務(wù)與功能任務(wù)之間通過消息隊列聯(lián)系，共享待發(fā)送的CAN總線數(shù)據(jù)(即命令幀數(shù)據(jù))。功能任務(wù)執(zhí)行時，將需要發(fā)送的命令幀數(shù)據(jù)寫入命令幀存儲消息隊列中。命令幀發(fā)送任務(wù)周期性的監(jiān)測命令幀存儲消息隊列狀態(tài)，一旦消息隊列中有了新的消息，立即讀取后，將其發(fā)送出去。

有可能有幾個功能任務(wù)在同時往消息隊列寫入消息，通過消息隊列的存儲容量和先進(jìn)先出的特性，能夠保證所有的數(shù)據(jù)不會覆蓋丟失。一旦命令幀發(fā)送任務(wù)搶占CPU控制權(quán)后，會將所有的命令幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

圖4 命令幀發(fā)送相關(guān)任務(wù)架構(gòu)Fig.4 Sending- task infrastructure of command frame

主節(jié)點接收應(yīng)答幀的任務(wù)架構(gòu)和流程如圖6，7所示。同時建立A，B總線應(yīng)答幀接收任務(wù)，監(jiān)聽A，B總線的狀態(tài)。A，B總線應(yīng)答幀接收任務(wù)與功能任務(wù)之間通過消息隊列聯(lián)系，共享接收到的CAN總線數(shù)據(jù)(即應(yīng)答幀數(shù)據(jù))。

對應(yīng)每個應(yīng)答幀，建立獨立的存儲消息隊列，是為了確保在多個功能任務(wù)同時進(jìn)行CAN總線通信時，不會導(dǎo)致相互沖突。

(2) 從節(jié)點

從節(jié)點只需同時監(jiān)聽A，B總線，一旦接收到命令幀，則按照通信協(xié)議的要求，按照前文所述的總線選擇原則，回送應(yīng)答幀即可。

圖5 命令幀發(fā)送流程Fig.5 Sending flow of command frame

2.4 總線仲裁

由于軟件設(shè)計采取了多條命令并發(fā)處理的機(jī)制，會發(fā)生CAN總線不同的節(jié)點可能會同時發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送沖突。此時，依靠CAN總線自身的總線仲裁機(jī)制，來避免出現(xiàn)這樣的問題。

CAN總線采取的是“非破壞性總線優(yōu)先逐位仲裁”技術(shù)[14]：當(dāng)多個節(jié)點開始傳送它們各自的報文時，標(biāo)識符的每一位都被寫到總線上(高位在先，低位在后)，而且能夠被每一個節(jié)點讀回。如果一個節(jié)點寫進(jìn)了隱性位“1”而讀回顯性位“0”，它會知道另一個較低標(biāo)識符號碼的(高優(yōu)先權(quán))節(jié)點正在訪問總線，于是停止傳送報文(丟失仲裁)并轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。

圖6 應(yīng)答幀接收相關(guān)任務(wù)架構(gòu)Fig.6 Receiving- task infrastructure of response frame

圖7 應(yīng)答幀接收流程Fig.7 Receiving flow of response frame

通過這種仲裁技術(shù)，能夠確保CAN總線的實時性需求，讓優(yōu)先級最高的節(jié)點先發(fā)送數(shù)據(jù)，低優(yōu)先級的節(jié)點會在優(yōu)先級高的節(jié)點結(jié)束發(fā)送后再發(fā)送數(shù)據(jù)，保證不會丟失任何數(shù)據(jù)。

3 實施效果驗證

為驗證本文設(shè)計的CAN總線網(wǎng)絡(luò)冗余熱備份實現(xiàn)效果，按圖 8所示的原理搭建試驗平臺。CAN總線上掛1個主節(jié)點、1個從節(jié)點和1個CAN總線監(jiān)視器，CAN總線監(jiān)視器能顯示主節(jié)點和從節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。其中CAN 0通道為A總線，CAN 1通道為B總線。

CAN總線監(jiān)視器采用周立功CAN- USB分析盒，界面中時間標(biāo)識欄(TimeIdentifier)1個單位表示0.1 ms[15]。

以一組CAN通信數(shù)據(jù)為試驗范例，正常通信結(jié)果在CAN總線監(jiān)視器上的顯示如圖 9的第0～7幀所示所示(回復(fù)間隔時間87.1 ms)。

命令幀：a0

應(yīng)答幀(7幀組成的多幀)：

01 07 d0 01 00 00 00 0b

82 01 01 01 01 00 00 04

83 0a 00 0a 00 94 11 b8

84 0b 05 00 06 00 07 00

85 08 00 09 00 0a 00 0b

86 00 0c 00 0d 00 8f 00

c7 cc e9

針對CAN總線的主要故障，分別作出以下3種模擬：

(1) 發(fā)送錯誤

主節(jié)點通過CAN 0通道模擬發(fā)送命令幀a0錯誤，CAN總線監(jiān)視器顯示未收到此命令。隨后主節(jié)點切換到CAN 1通道發(fā)送命令幀a0，從節(jié)點通過CAN 1通道發(fā)送應(yīng)答幀。整個通訊過程如圖10的第8～15幀所示。

圖10 發(fā)送錯誤Fig.10 Send error

(2) 應(yīng)答超時

主節(jié)點通過CAN 1通道發(fā)送命令幀a0，從節(jié)點不應(yīng)答(模擬應(yīng)答超時)。112.1 ms(100 ms超時等待時間加上軟件一定的時間開銷)后主節(jié)點切換到CAN 0通道發(fā)送命令幀a0，從節(jié)點通過CAN 0通道發(fā)送應(yīng)答幀。整個通訊過程如圖11的第16～24幀所示。

(3) 應(yīng)答錯誤

主節(jié)點通過CAN 0通道發(fā)送命令幀a0，從節(jié)點同樣通過CAN 0通道應(yīng)答幀，但模擬應(yīng)答錯誤，其中最后一個數(shù)據(jù)為55(正確的為e9)。隨后主節(jié)點切換到CAN 1通道發(fā)送命令幀a0，從節(jié)點通過CAN 1通道發(fā)送正確應(yīng)答幀(最后一個數(shù)據(jù)為e9)，主節(jié)點停止發(fā)送命令。整個通訊過程如圖 12的第25～40幀所示。

圖11 應(yīng)答超時Fig.11 Time out of answer

圖12 應(yīng)答錯誤Fig.12 Answer error

4 結(jié)束語

本文針對發(fā)射車的實際特點，通過合理可行的軟硬件設(shè)計，研究建立了一種以發(fā)控系統(tǒng)為核心的車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)冗余熱備份實現(xiàn)方法，其具有可靠性高、穩(wěn)定性好、實時性強(qiáng)等特點。通過該方法，可以實現(xiàn)整車通信總線網(wǎng)絡(luò)的冗余熱切換，提升發(fā)射車任務(wù)可靠性，保障發(fā)射車作戰(zhàn)效能。該方法也可適用于其他類似的軍用復(fù)雜系統(tǒng)中。

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Design Method of Launch Vehicle’s Dual- Redundancy CAN Bus

ZHAO Ming，CHEN Yu- xin

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

The design method of launch vehicle’s dual- redundancy CAN(controller area network) bus is summarized. The design of bus architecture, the electrical interface, the communication protocol and the software are introduced. Redundancy backup and auto- switching of launch vehicle’s information- interactive system come true. The mission reliability of launch vehicle is improved, and the operational efficiency of launch vehicle in the battlefield is ensured.

CAN(controller area network) bus； redundancy； hot backup；launch control； Vxworks； design method

2016-06-15；

2016-11-18 基金項目：有 作者簡介：趙明(1980-)，男，四川樂山人。高工，碩士，研究方向為測發(fā)控技術(shù)。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.026

TJ768.2；TP393.1

A

1009- 086X(2017)- 04- 0162- 10

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱 E- mail：buaazm2000@163.com