工業(yè)現場(chǎng)CAN總線(xiàn)技術(shù)在航天領(lǐng)域的應用

1引言

can總線(xiàn)是由德國bosch公司為現實(shí)汽車(chē)測量和執行部件之間的數據通訊而設計的、支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò )。can總線(xiàn)通訊的波特率可高達1mbps，最遠距離可達10km;can總線(xiàn)通訊采用短幀結構，數據傳輸的時(shí)間短，受干擾的幾率低;can總線(xiàn)協(xié)議有良好的檢錯措施，可靠性較高;can總線(xiàn)通訊對于傳送幀可以設定不同的優(yōu)先級，通過(guò)總線(xiàn)仲裁機制使高優(yōu)先級的信息能夠被優(yōu)先及時(shí)傳送，增加了can總線(xiàn)通訊的實(shí)時(shí)性;can總線(xiàn)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(kāi)發(fā)的難度。此外，can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的每節點(diǎn)對應一個(gè)地址，理論上基于can總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )上可以添加刪除任一節點(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(xiàn)通訊有相當的靈活性。

can總線(xiàn)開(kāi)始主要應用于自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機部件、傳感器、抗滑系統等應用中，但隨著(zhù)can的應用普及，其應用范圍已不局限于汽車(chē)行業(yè)，正在向過(guò)程控制、機械、紡織等行業(yè)發(fā)展，應用領(lǐng)域從高速網(wǎng)絡(luò )到低成本的多線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。而且can總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性以及抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)也逐步為航天領(lǐng)域所認可。1995年sstl（surrey大學(xué)衛星技術(shù)公司）將can作為星載遙測/遙控信道，隨之sstl開(kāi)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衛星中應用了can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，用于實(shí)現星載計算機與其他任務(wù)節點(diǎn)之間的通信;esa在smart-1上也將can作為系統總線(xiàn)和有效載荷總線(xiàn)，實(shí)現數據交換和控制命令的傳送。在國內，can總線(xiàn)技術(shù)在小衛星中也得到了實(shí)際的應用。

本文在分析can總線(xiàn)航天應用的基礎上，從硬件原理設計、cpu與can總線(xiàn)接口實(shí)現以及can總線(xiàn)通信軟件設計等方面進(jìn)行了論述。



表1can總線(xiàn)故障及其影響分析

2can總線(xiàn)工作原理

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

can總線(xiàn)的多主站工作方式的接收原理是通過(guò)驗收濾波器來(lái)實(shí)現的。獨立的can 控制器sja1000設置了一個(gè)多功能的驗收濾波器,該濾波器允許自動(dòng)檢查標識符和數據字節。使用驗收濾波器的濾波方法可以防止對于某個(gè)節點(diǎn)無(wú)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荷。濾波器由驗收碼寄存器（acc）和屏蔽寄存器（amr）組成。在basiccan 模式里的驗收濾波，其判據為:（acc（7:0） ⊙ id（10:3））＋amr（7:0）。如果判據的結果為“11111111”，則表示該幀數據是其他節點(diǎn)傳送給本節點(diǎn)的數據，本節點(diǎn)can總線(xiàn)控制器將接收本幀數據，在crc校驗無(wú)誤后于應答間隙產(chǎn)生應答信號。

3can總線(xiàn)航天應用分析

esa開(kāi)展的can、1553b、spacewire技術(shù)研究表明以差分信號傳輸的高速串行總線(xiàn)用于星載設備之間的數據傳輸能保證通信的及時(shí)性, 利于降低星載設備的功耗，有助于獲得低噪聲、抗電磁干擾性強、emi低、信號不受電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化影響等優(yōu)勢, 具有良好的航天應用前景。

can總線(xiàn)作為一種專(zhuān)為汽車(chē)工業(yè)設計的現場(chǎng)總線(xiàn)，具有很多適合航天應用的特點(diǎn):作為多主站方式的串行通訊總線(xiàn)，can總線(xiàn)具有低成本，高抗電磁干擾性，高總線(xiàn)利用率，很遠的數據傳輸距離（長(cháng)達10km），高速的數據傳輸速率（高達1mbps），可根據報文的id決定接收或屏蔽該報文，可靠的錯誤處理和檢錯機制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)，節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)退出總線(xiàn)的功能等特點(diǎn)。

iso11898建議的can總線(xiàn)的物理電氣性能，能夠保證在總線(xiàn)發(fā)生某些故障時(shí)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(xiàn)可能發(fā)生的各種開(kāi)路和短路故障，以及在該故障模式下can總線(xiàn)受影響的情況。

can總線(xiàn)具有安全可信性。從協(xié)議分析，can總線(xiàn)的每個(gè)ecu具備錯誤檢測、標定和自檢的強有力措施。檢測錯誤包括:發(fā)送自檢、crc校驗、位填充和報文格式檢驗。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(gè)以?xún)鹊碾S機分布錯誤都可以被檢測到;其四，報文中長(cháng)度小于15的突發(fā)性錯誤都可以被檢測得到;其五，報文中任何奇數個(gè)錯誤都可以被檢測得到;其六，沒(méi)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(guò)研究發(fā)現，在600公里～1000公里的空間領(lǐng)域，空間輻射對衛星的影響相對較小。在這個(gè)高度上，總劑量為每年1krad左右（其量級相當于增加5mm的鋁屏蔽層），seu發(fā)生率相當于每天每mbyte一次（此數據來(lái)源于試驗觀(guān)察），并且觀(guān)測到的sel發(fā)生概率非常低，在sstl整個(gè)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(wú)明顯下降。sstl在低軌道小衛星采用工業(yè)級can控制器芯片構建衛星can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的成功，驗證了上述結論。表2為sstl在近年來(lái)采用的cots can器件。



表2surrey大學(xué)采用的cots can器件統計列表