作者：莫傳孟， 林彥凱， 馮曉云

雖然CAN協(xié)議本身具有較強的檢錯糾錯能力，但在工業(yè)控制現(xiàn)場，插頭連接的不牢固、傳輸介質(zhì)的損壞或總線驅(qū)動器的損壞等都會破壞CAN的可靠通信。在要求高可靠性的應(yīng)用系統(tǒng)中，這些故障如不能自動檢測到并采取相應(yīng)措施克服，將使系統(tǒng)部分甚至完全失去通信能力。解決這一問題的有效途徑是采用冗余通信控制。從而保證通信系統(tǒng)主要功能正常運行，以此提高系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)硬件組成

MB90F543是Fujitsu公司推出的一款帶2個CAN控制器的16位微控制器。系統(tǒng)使用兩套總線（CAN0、CAN1），每一套包含獨立的總線電纜、總線驅(qū)動器和總線控制器，可以實現(xiàn)物理介質(zhì)、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的全面冗余。兩套總線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(rèn)的CAN（可稱為主CAN）;另一個為系統(tǒng)的備用CAN（稱之為從CAN），作為主CAN的冗余。系統(tǒng)正常工作時，主CAN總線（CAN0）投入運行。當(dāng)主CAN總線發(fā)生故障時，從CAN總線（CAN1）投入運行。如上電檢測到主CAN總線故障，則從CAN總線自動投入運行。這樣在一套總線發(fā)生故障時，另一套總線自動繼續(xù)工作，保證整個系統(tǒng)的通信功能正常運行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了CAN總線的全面冗余設(shè)計。另外，也可以根據(jù)需要，由軟件設(shè)定采取冗余方式或非冗余方式。對于非冗余方式只采用主CAN總線運行。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

RT為總線終端匹配電阻，用于抑制信號發(fā)射干擾，RT =100Ω或120Ω。網(wǎng)絡(luò)采用屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)。

CAN控制器集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對數(shù)據(jù)通信的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、CRC校驗和優(yōu)先級判別等工作。

CAN控制器具有以下主要特點：

◇ 符合CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議;

◇ 支持?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的發(fā)送和接收;

◇ 16個收發(fā)信息緩沖器，支持11位或29位標(biāo)識符，支持多級信息緩沖器結(jié)構(gòu);

◇ 支持滿位比較、滿位屏蔽和位屏蔽驗收三種驗收標(biāo) 識選擇方式;

◇ 兩個驗收標(biāo)識寄存器支持標(biāo)準(zhǔn)幀或擴展幀格式;

◇ 波特率從10Kbps~1Mbps可編程。

總線驅(qū)動器采用PCA82C250作為CAN控制器與物理總線間的接口，以提升總線的差動發(fā)送和接收能力。

CAN驅(qū)動電路如圖2 所示。

圖2 CAN驅(qū)動電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 實現(xiàn)雙CAN冗余控制功能

在雙CAN冗余系統(tǒng)中，較之硬件結(jié)構(gòu)而言，軟件設(shè)計相對復(fù)雜得多。一般的CAN總線通信程序必須包括 CAN初始化程序、CAN發(fā)送程序和CAN接收程序三個基本部分。在本冗余系統(tǒng)軟件設(shè)計中，上面三部分作為三個最基本的模塊，供系統(tǒng)其它軟件模塊調(diào)用。

MB90F543可以處理256種中斷源，與CAN控制器相關(guān)的硬件中斷有四個：CAN0 RX（CAN0 接收完全中斷）、CAN0 TX /NS（CAN0 發(fā)送完全/節(jié)點狀態(tài)改變中斷）、CAN1 RX（CAN1 接收完全中斷）、CAN1 TX /NS（CAN1 發(fā)送完全/節(jié)點狀態(tài)改變中斷）。在本軟件設(shè)計中，采用查詢發(fā)送，中斷接收。節(jié)點狀態(tài)改變中斷子程序，用于對節(jié)點狀態(tài)改變的處理。這是因為在CAN2.0協(xié)議中規(guī)定節(jié)點處于下面三種狀態(tài)之一：錯誤激活態(tài)、忽略錯誤態(tài)、脫離總線態(tài)。在MB90500系列中還多規(guī)定了一種警告態(tài)，它表明發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器的值超過96。節(jié)點狀態(tài)改變會引起相應(yīng)中斷。

由于系統(tǒng)采用雙CAN冗余熱備份方式運行，所以兩個CAN控制器必須都處于熱備份狀態(tài)。系統(tǒng)中所有節(jié)點的兩個CAN控制器經(jīng)初始化后都隨時準(zhǔn)備接收信息，但有且只有一個CAN控制器在發(fā)送信息。換言之，在一個時間點上，系統(tǒng)中有且僅有一路 CAN通道在工作，另一路處于監(jiān)聽狀態(tài)（正常工作時），或故障狀態(tài)（發(fā)生故障時）。

雙CAN冗余控制系統(tǒng)較之單CAN控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計上的復(fù)雜之處，關(guān)鍵在于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)、總線驅(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、總線驅(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(dá)到實現(xiàn)上述故障自動檢測及CAN系統(tǒng)自動切換的目的。CAN0節(jié)點狀態(tài)改變中斷子程序如下：

__interrupt void NodeStateTransmitInt0（void）

{

if （CSR0_NT） /*節(jié)點狀態(tài)改變*/

{

CSR0_NT = 0; /*中斷標(biāo)志復(fù)位*/

if （ （CSR0_NS = =2 ） （CSR0_NS = =3 ） ） /*斷路或短路引起*/

{

NoWaitFlg = 1; /*一個互斥標(biāo)志*/

Bus0Error（ ） ; /* Bus0Error（ ）停止CAN0， 啟動冗余CAN1子程序*/

}

}

ICR00 =3; /*改變中斷優(yōu)先級，使定時器0中斷優(yōu)先*/

ICR03 =2;

}

此外，在CAN總線通信過程中，當(dāng)某個信息緩沖器的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，發(fā)送完成寄存器中相應(yīng)的位將被置為1。在查詢發(fā)送過程中，通過判斷這一寄存器可以知道該次發(fā)送是否完成。但如果發(fā)送不成功，則會使系統(tǒng)一直在等待，造成系統(tǒng)死機。所以軟件必須在這里設(shè)定一個等待時段，超過這一時段則調(diào)用CAN冗余系統(tǒng)，停止主CAN通道，啟用從CAN通道。

軟件設(shè)計中還要注意這樣一個問題，備用CAN切換完成后，如何恢復(fù)原來的通信任務(wù)。解決辦法是編制一個任務(wù)標(biāo)志列表，備用CAN切換后，讀該表即可獲取系統(tǒng)原來進(jìn)行的任務(wù)，實現(xiàn)原來通信任務(wù)的可靠切換。

2.2 實現(xiàn)總線管理功能

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，除了用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的實時數(shù)據(jù)通信程序外，還包括用于對各個節(jié)點進(jìn)行管理的通信管理程序。所有節(jié)點分為主節(jié)點和從節(jié)點。它們的區(qū)別在于主節(jié)點具有總線管理功能，可以進(jìn)行在線節(jié)點統(tǒng)計，識別離線節(jié)點并采取處理措施;而從節(jié)點沒有這個功能。主節(jié)點只設(shè)一個，而允許多個從節(jié)點。總線管理功能程序供主節(jié)點每隔一段時間調(diào)用，來判斷所有的節(jié)點是否都在線：如果所有節(jié)點都在線，則認(rèn)為總線正常;否則識別離線節(jié)點，并作相應(yīng)處理。設(shè)計思路是系統(tǒng)主節(jié)點定時向總線上所有從節(jié)點發(fā)送一遠(yuǎn)程幀，各個從節(jié)點收到后，將自己的節(jié)點編號放在一數(shù)據(jù)幀中發(fā)送給主節(jié)點，主節(jié)點根據(jù)收到的節(jié)點編號來判斷是否有節(jié)點故障離線。在本系統(tǒng)中，節(jié)點編號（模塊地址）由模塊上的DIP開關(guān)設(shè)定。主節(jié)點通信流程如圖3所示。

圖3 主節(jié)點通信流程圖

軟件調(diào)試過程中，雖然各個節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)相同，但由于電路板布線和元器件分散性存在著差異，常會致使并非所有從節(jié)點能都收到主節(jié)點發(fā)送的信息，或者主節(jié)點并非都能收到所有從節(jié)點發(fā)送的信息，即存在幀丟失問題。通過軟件延時和優(yōu)化接收中斷程序，這一問題已得到很好的解決。

3 開發(fā)環(huán)境及應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個問題

Softune V3軟件工作平臺是針對富士通FFMC-8L、FFMC-16L/LX和FR系列微控制器程序開發(fā)的集成軟件開發(fā)環(huán)境，包括開發(fā)管理、仿真器調(diào)試、軟仿真和一個集成開發(fā)環(huán)境。其開發(fā)工具包包括Softune Workbench、C compiler、Assembler、Linker、C Checker、C Analyzer。Softune V3同時支持C語言和匯編語言。

MB90F543實際使用過程中，應(yīng)注意下面幾個問題。

① 驗收標(biāo)識選擇寄存器（AMSR）的設(shè)置。每個信息緩沖器可以選擇一種驗收標(biāo)識方式：滿位比較、滿位屏蔽或位屏蔽驗收。滿位比較是指節(jié)點接收到信息的ID需與該信息緩沖器設(shè)定的ID完全一致，信息才能通過驗收標(biāo)識器;滿位屏蔽不用對信息的ID進(jìn)行比較，可以理解為無條件通過驗收標(biāo)識器;位屏蔽驗收方式可以指定需比較的ID位和需屏蔽的ID位，即部分比較驗收。實際應(yīng)用中，這種驗收標(biāo)識方式應(yīng)用得最多，所以在MB90F543芯片的CAN控制器中，設(shè)定了兩種這一方式。AMSR的設(shè)置為開發(fā)人員處理緩沖器信息提供了極大的靈活性。

② 驗收標(biāo)識寄存器（AMR）的設(shè)置。在AMSR設(shè)置為位屏蔽驗收方式后，必須設(shè)置AMR，來設(shè)定ID哪些位要比較，哪些位要屏蔽。AMR共有四個字節(jié)，支持29位ID符。但值得注意的是，對29位ID符，使用的是AM28~AM0;而對11位ID符，使用的是AM28~AM18。因此使用者在設(shè)置AMR時必須謹(jǐn)慎，否則會造成接收錯誤。筆者曾在這里吃過苦頭。

③ Fujitsu公司CAN控制器的一個特點是支持使用多級信息緩沖器。在接收頻繁發(fā)生，或者收到幾個不同ID信息幀的情況下，可能CPU沒有足夠的時間來處理收到的信息，因此可將多個信息緩沖器構(gòu)成一個多級信息緩沖器，保證信息能夠得到及時、有效的處理。通過這種方式，可以1幀發(fā)送大于8個字節(jié)的信息。這種安排的另一好處是，CPU可以不需立即去讀某個信息緩沖器的信息，而不必?fù)?dān)心緩沖器信息被重寫和丟失。

4 結(jié)論

在CAN應(yīng)用層協(xié)議的開發(fā)過程中，借鑒了DeviceNet規(guī)范的一些機理，如支持多種形式的數(shù)據(jù)傳送（選通、輪詢、狀態(tài)變化等）;但受開發(fā)周期等諸多因素的限制，設(shè)備的診斷功能以及與同類產(chǎn)品之間的互操作性都有待完善和擴展。雙CAN冗余通信系統(tǒng)在實驗階段工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，冗余切換切實可行，總線管理可靠性良好;可以應(yīng)用于要求高可靠性的機車控制系統(tǒng)或其它工業(yè)控制現(xiàn)場中。

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