CAN網(wǎng)狀冗余及基于ARM節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

一、概述
CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)，是一種串行數(shù)據(jù)總線，CAN總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。在汽車電子、自動(dòng)控制、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域中，CAN總線尤其具有不可比擬的優(yōu)越性。但是，工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)工況條件十分惡劣，電纜受拉、壓、砸、擠等造成故障的情況很多，這對(duì)于以總線為核心的CAN總線系統(tǒng)是一種極大的威脅。如何保證現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下安全、可靠地工作是CAN應(yīng)用中的一個(gè)重要課題。
解決可靠性問(wèn)題的一個(gè)有效的辦法就是對(duì)總線進(jìn)行不同程度的冗余，同時(shí)使用兩(多)條總線電纜。本文簡(jiǎn)單列舉了目前CAN冗余的幾種方式，同時(shí)提出了網(wǎng)狀冗余的全新冗余結(jié)構(gòu)。采用內(nèi)置多路CAN總線控制器的LPC2294作為主控制器，設(shè)計(jì)給出了應(yīng)用于電源模塊控制系統(tǒng)中的CAN總線網(wǎng)狀冗余節(jié)點(diǎn)方案。
二、目前幾種總線冗余方法
典型的CAN電路可分為4個(gè)環(huán)節(jié)，即單片機(jī)、總線控制器、CAN總線驅(qū)動(dòng)器、總線。以下是目前從以上4個(gè)環(huán)節(jié)考慮的不同程度的冗余方法：
（1）總線驅(qū)動(dòng)器的冗余
使用兩條總線電纜，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部使用兩個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器，但只有一個(gè)總線控制器，在總線控制器與兩個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器之間設(shè)置判斷電路。如果一個(gè)總線發(fā)生故障，則關(guān)閉它與總線控制器之間的信號(hào)通道，而正常總線上的報(bào)文仍能順利送往總線控制器。
（2）CAN總線控制器的冗余
該冗余的思路是同時(shí)使用兩條CAN總線，兩個(gè)CAN總線驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)CAN總線控制器，單片機(jī)通過(guò)不同的端口和中斷同時(shí)控制兩個(gè)CAN控制器。
（3）全系統(tǒng)的冗余
該冗余的思路是對(duì)整個(gè)CAN系統(tǒng)的四個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余。即同時(shí)使用兩套單片機(jī)、總線控制器、CAN總線驅(qū)動(dòng)器、總線。
三、新的冗余方式：網(wǎng)狀冗余
在可靠性要求非常嚴(yán)格的場(chǎng)合，如電廠集散控制系統(tǒng)，基本采用網(wǎng)狀冗余結(jié)構(gòu)。由于CAN節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成不敏感，全系統(tǒng)的冗余在發(fā)現(xiàn)總線故障以及總線切換及時(shí)性方面反而不如部分冗余方法，有鑒于此，本文提出了新的CAN冗余方式：網(wǎng)狀冗余。
CAN網(wǎng)狀冗余是對(duì)整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)、通訊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行冗余，如圖1所示。同時(shí)使用兩條CAN總線，兩個(gè)CAN總線驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)CAN總線控制器，單片機(jī)通過(guò)不同的端口和中斷同時(shí)控制兩個(gè)CAN控制器，組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。
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由于總線故障可以及時(shí)通過(guò)正常總線通知用戶進(jìn)行維護(hù)，網(wǎng)狀冗余在發(fā)現(xiàn)總線故障及時(shí)性方面要比全系統(tǒng)冗余后備方式好。對(duì)于工業(yè)控制,尤其是本質(zhì)安全型系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這一優(yōu)點(diǎn)是十分重要的。網(wǎng)狀冗余兼有部分冗余和全系統(tǒng)冗余的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)然，網(wǎng)狀冗余系統(tǒng)軟、硬件的復(fù)雜性和成本都提高了，但是，相對(duì)于在工作中系統(tǒng)可靠性的提高，這些犧牲是值得的。
四、電源模塊控制系統(tǒng)中網(wǎng)狀冗余節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
在電源模塊控制系統(tǒng)中，電源模塊控制儀的控制信號(hào)以毫秒量級(jí)速度向各電源柜發(fā)送控制指令，并獲得各機(jī)柜的工作狀態(tài)。各電源柜在獲得指令后，同步執(zhí)行控制動(dòng)作，并返回執(zhí)行狀態(tài)。隨著電源個(gè)數(shù)的增加，各電源間的實(shí)時(shí)性、同步性等關(guān)鍵性能下降。
為提高系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、同步性、精確性、容錯(cuò)性等各方面的性能，必須采用高精度同步通訊控制網(wǎng)絡(luò)，使電源模塊控制儀與電源模塊之間的信號(hào)傳輸滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能要求。
本方案的CAN總線網(wǎng)狀冗余節(jié)點(diǎn)，正是為滿足電源模塊控制系統(tǒng)對(duì)于可靠性、實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求而設(shè)計(jì)的。
4.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)思想
節(jié)點(diǎn)基本設(shè)計(jì)思想為：使用兩塊控制處理器組件，作為冗余的一對(duì)，冗余單元的硬件和軟件結(jié)構(gòu)完全相同，在任何一塊組件發(fā)生硬件故障時(shí)，可提供連續(xù)的運(yùn)行。單元的主備工作狀態(tài)由上電順序決定， 先上電的一方自動(dòng)進(jìn)入主機(jī)工作狀態(tài)，后上電者則進(jìn)入備機(jī)狀態(tài)。主機(jī)在其工作過(guò)程中除實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能外，定期向備機(jī)發(fā)送反映其工作正常的狀態(tài)數(shù)據(jù)并接收來(lái)自備機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生接收超時(shí)時(shí)，主機(jī)認(rèn)為備機(jī)已經(jīng)發(fā)生故障， 并通過(guò)總線向用戶給出通知信號(hào)，以便及時(shí)對(duì)備機(jī)進(jìn)行維護(hù)。備機(jī)在工作過(guò)程中不完成應(yīng)用功能， 但定期接收來(lái)自主機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生接收超時(shí)或接收到主機(jī)工作狀態(tài)不正常時(shí)，自動(dòng)切換成主機(jī)工作狀態(tài)，并通過(guò)總線通知用戶對(duì)原主機(jī)單元進(jìn)行維護(hù)。[!--empirenews.page--]
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圖2 網(wǎng)狀冗余在電源模塊控制中的應(yīng)用改進(jìn)
進(jìn)一步改進(jìn)方案：在需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的情況下，可以下載、上傳分別使用圖中A、B總線進(jìn)行傳輸（如圖2），從而可以將半雙工類型的串行總線近似為全雙工總線，理論上將系統(tǒng)的傳輸速率提高一倍，有效減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸延遲。極端情況下，即使上層網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)總線只有一個(gè)端口正常時(shí)，系統(tǒng)也不會(huì)崩潰，可以將該端口設(shè)成可收、發(fā)信息狀態(tài)，只是降低了系統(tǒng)傳輸?shù)乃俣龋黾恿丝刂菩畔鬏斞訒r(shí)，但與系統(tǒng)崩潰造成的損失相比將顯得微不足道。
4.2節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)選用PHILIPS公司新推出的一款功能強(qiáng)大的具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器LPC2294，內(nèi)部集成有四路符合CAN規(guī)范CAN2.OB，ISO 11898-1標(biāo)準(zhǔn)的CAN控制器，總線數(shù)據(jù)波特率均可達(dá)1Mbps。
節(jié)點(diǎn)硬件電路組成：
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CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖3所示，由ARM微控制器LPC2294，CAN總線收發(fā)器TJA1050,高速光耦6N137和電源隔離模塊B0505S等組成。由于四路CAN接口的外部電路完全一致，圖中只給出了CAN3、CAN4接口的外部電路。
CAN控制器和物理總線之間的接口選用收發(fā)器TJA1050，不上電時(shí)，總線呈現(xiàn)無(wú)源特性，在性能上大大優(yōu)于以前的CAN總線收發(fā)器。
4.3節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    軟件調(diào)試環(huán)境采用ARM公司的ARM核處理器集成開(kāi)發(fā)工具ADSv1.2。ADSv1.2集成了匯編、C、C++編譯器和調(diào)試器，編譯效率高，提供了功能強(qiáng)大的系統(tǒng)庫(kù)，支持軟件調(diào)試JTAG仿真調(diào)試及硬件調(diào)試。
    對(duì)于一般的32位ARM應(yīng)用系統(tǒng)，在運(yùn)行主程序前必須初始化運(yùn)行環(huán)境，即為ARM芯片編寫啟動(dòng)代碼。啟動(dòng)代碼包括異常向量表、堆棧初始化、存儲(chǔ)系統(tǒng)初始化和目標(biāo)板初始化等，一般用匯編語(yǔ)言編寫。對(duì)于本設(shè)計(jì)關(guān)鍵是編寫CAN驅(qū)動(dòng)程序，主程序通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。驅(qū)動(dòng)程序包括四部分內(nèi)容：CAN控制器的初始化、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和總線異常處理。圖4為主程序流程圖。
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圖4 主程序流程圖[!--empirenews.page--]
4.3.1 CAN控制器初始化
    初始化CAN控制器的操作包括：硬件使能、軟件復(fù)位、設(shè)置報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置驗(yàn)收濾波器工作方式、設(shè)置工作模式并啟動(dòng)CAN等。初始化程序如下：
HwEnCAN(CanNum); //硬件使能，CanNum＝0-3，指四路CAN控制器
SoftRstCAN(CanNum); //軟件復(fù)位寄存器CANEWL(CanNum).BitsEWL_BIT=USE_EWL_CAN[CanNum]; //設(shè)置報(bào)警界限CANBTR(CanNum).Word=USE_BTR_CAN[CanNum]; //初始化波特率
VICDefVectAddr=(UINT32)CANIntPrg; //初始化中斷為非向量中斷CANIER(CanNum).Word=USE_INT_CAN[CanNum];
CANAFMR.Bits.AccBP_BIT=1;  //設(shè)置驗(yàn)收濾波器CANMOD(CanNum).Bits.TPM_BIT=USE_TPM_CAN[CanNum];  //初始化工作模式
SoftEnCAN(CanNum);  //啟動(dòng)CAN端口
4.3.2數(shù)據(jù)發(fā)送
    將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合CAN協(xié)議的幀格式后，便可寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動(dòng)發(fā)送。
    在寫發(fā)送緩沖區(qū)前應(yīng)查詢其狀態(tài)。LPC2294中的每個(gè)CAN控制器有三個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，它們的狀態(tài)可通過(guò)查詢CANSR得知。只有當(dāng)其中有空閑的發(fā)送緩沖區(qū)時(shí)才可將數(shù)據(jù)寫入。
4.3.3數(shù)據(jù)接收
接收數(shù)據(jù)可采用查詢方式或中斷方式。為了提高效率，常采用中斷方式。
在初始化程序中使能接收中斷，在中斷服務(wù)子程序中，讀取CANICR，判斷是否有接收中斷標(biāo)志，有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。為了防止接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出，可開(kāi)辟一個(gè)循環(huán)接收數(shù)據(jù)隊(duì)列來(lái)暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，主程序通過(guò)查詢?cè)撽?duì)列獲得數(shù)據(jù)。
4.3.4異常情況處理
    在總線發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下，CAN節(jié)點(diǎn)有可能脫離總線，此時(shí)以下寄存器位被置位：CANSR的BS位、CANIR的BEI位和EI位(如果使能)和CANMOD的RM位。
    在應(yīng)用中，若前面?zhèn)鬏數(shù)紺AN控制器的數(shù)據(jù)未被讀出，接收緩沖區(qū)沒(méi)有及時(shí)釋放，就有可能引起后面信息的丟失。這時(shí)必須通過(guò)寫命令寄存器來(lái)清除CANSR的數(shù)據(jù)溢出位。這種異常可通過(guò)異常中斷來(lái)處理，只要在中斷子程序中加入處理代碼即可。其它的總線異常處理可根據(jù)使用情況決定是否在軟件中處理。
五、結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)狀冗余節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于電源模塊控制系統(tǒng)，正常通訊時(shí)，下載/上傳分開(kāi)網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)CAN全雙工通訊，提高系統(tǒng)傳輸速率，減少了電源模塊的動(dòng)作延時(shí)；在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)熱備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的完全冗余，大大提高了系統(tǒng)可靠性，滿足系統(tǒng)對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠性、實(shí)時(shí)性和同步性要求
 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：借鑒過(guò)程控制中網(wǎng)狀冗余大大增強(qiáng)通訊可靠性的經(jīng)驗(yàn)，為增加CAN總線可靠性，提出了CAN總線控制系統(tǒng)的全新網(wǎng)狀冗余方式，及在電源模塊控制系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)冗余設(shè)計(jì)思想。