冗余CAN總線(xiàn)遠程數據采集系統設計與研究

　　3．2．2 冗余CAN總線(xiàn)接口設計

　　由于系統采用了冗余CAN總線(xiàn)通訊技術(shù)，因此冗余CAN總線(xiàn)接口設計是本系統的關(guān)鍵技術(shù)。

　　在各個(gè)數據采集器和信息處理單元之間設計兩條CAN總線(xiàn)，在每個(gè)數據采集器中有2路獨立的CAN通道，正常工作時(shí)只有一路CAN通道和一路CAN總線(xiàn)運行。遠程數據采集器的冗余CAN總線(xiàn)結構如圖2所示。系統中冗余CAN總線(xiàn)的基本設計思路如下：其中CAN控制器可以是獨立的CAN控制器或者內嵌于MCU內部的CAN控制器。當出現總線(xiàn)通訊故障時(shí)，根據錯誤類(lèi)型選擇切換到另一路CAN通道或是另一路CAN總線(xiàn)。在任意時(shí)刻，只有一路CAN通道處于工作狀態(tài)。

　　3．3 雙冗余CAN總線(xiàn)管理

　　為了提高系統的可靠性，系統中兩套總線(xiàn)采用熱備份方式運行。按照CAN總線(xiàn)出現的錯誤類(lèi)型，系統通訊故障可分為通道通訊故障和總線(xiàn)通訊故障，處理器利用CAN總線(xiàn)控制器的故障界定狀態(tài)機制判斷通訊故障，并向處理器發(fā)送故障狀態(tài)。

　　在總線(xiàn)正常通訊過(guò)程中，處理器對CAN總線(xiàn)控制器的接收和發(fā)送錯誤計數器進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監控，一旦發(fā)送和接收出現故障，其錯誤類(lèi)型及出錯的各結點(diǎn)被賦予不同的計數值，這些計數值將根據是發(fā)送錯誤還是接收錯誤進(jìn)行累加?？偩€(xiàn)通訊正?；蛴行Ы邮占鞍l(fā)送數據時(shí)，這些計數器將逐次遞減至最小值0。

　　當發(fā)送錯誤計數器的值超過(guò)最大上限255時(shí)“總線(xiàn)關(guān)閉”。CAN控制器進(jìn)入離線(xiàn)狀態(tài)，CAN總線(xiàn)控制器產(chǎn)生一個(gè)總線(xiàn)錯誤和離線(xiàn)中斷，處理器在收到中斷信號的同時(shí)檢測狀態(tài)位得知系統出現通道通訊故障，通過(guò)“通道切換邏輯機制”切換CAN通訊通道，同時(shí)清除中斷信號。當切換完成后，如果再次進(jìn)入錯誤中斷，則說(shuō)明是總線(xiàn)故障，此時(shí)處理器再切換回以前的CAN通訊通道，并通過(guò)“總線(xiàn)切換邏輯機制”切換CAN通訊總線(xiàn)，同時(shí)清除中斷信號。采用這種設計方法，當兩路CAN通道或兩路CAN總線(xiàn)同時(shí)出現故障時(shí)，通訊節點(diǎn)“總線(xiàn)關(guān)閉”并退出總線(xiàn)通訊，此時(shí)不會(huì )影響其他節點(diǎn)的正常通訊。

　　4 軟件設計

　　根據系統功能定義，軟件設計分為兩部分，一是信息處理單元內部的軟件，二是遠程數據采集器內部的軟件。為了提高系統的可靠性和實(shí)時(shí)性，信息處理單元配置了Vxworks實(shí)時(shí)操作系統 l，vxworks支持實(shí)時(shí)多任務(wù)系統，具有高實(shí)時(shí)性、高傳輸速率、高可靠性的特點(diǎn)，完全適合系統上各單元間的大數據量實(shí)時(shí)傳輸。

　　4．1 信息處理單元系統軟件設計

　　信息處理單元的軟件層次組成見(jiàn)圖4。整個(gè)軟件分為兩個(gè)層次：系統任務(wù)層和系統服務(wù)層。系統任務(wù)層是信息處理單元的核心，其中包括數據采集任務(wù)、通訊狀態(tài)監控任務(wù)、系統狀態(tài)監控任務(wù)、系統維護任務(wù)及系統故障處理、緊急狀況處理任務(wù)等。

　　系統服務(wù)層為VxWorks操作系統和一些系統接口、服務(wù)組成、服務(wù)層封裝了VxWorks操作系統、CAN總線(xiàn)設備通訊驅動(dòng)程序、CAN總線(xiàn)冗余管理模塊、數據分區管理模塊和系統軟件接口及系統服務(wù)，同時(shí)為系統任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)硬件設備提供平臺。

圖4 信息處理單兀的軟件層次組成示意圖

　　4．2 遠程數據采集器軟件設計

　　遠程數據采集器軟件包含CAN總線(xiàn)接口管理、外部傳感器信號采集和轉換、中斷服務(wù)程序、響應信息處理單元系統指令和采集器自診斷功能。

　　遠程數據采集器是整個(gè)采集系統中要求可靠性較高的單元．除了硬件上增加了看門(mén)狗功能、高性能采集電路和雙CAN總線(xiàn)接口外，軟件設計也必須考慮其可靠性和穩定性要求。因此軟件設計上需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

　　(1)軟件校準ADC。為了提高ADC采集精度和數據可靠度，需要通過(guò)軟硬件相結合的方式對ADC進(jìn)行校準。校準包括零點(diǎn)漂移及增益誤差的自校準和采集誤差修正，在設計中采用分段線(xiàn)性插值的方法對測量數據通過(guò)軟件進(jìn)行非線(xiàn)性校正_6]，并將補償和校準參數存儲在片內FLASH中；(2)看門(mén)狗超時(shí)監控處理。為了提高系統運行的穩定性，軟件在50ms周期內喂一次看門(mén)狗，若看門(mén)狗超時(shí)則采集器復位；(3)軟件數字濾波處理。為了防止外部干擾信號引起采集到的數據產(chǎn)生突變，導致錯誤報警，現場(chǎng)數據采集節點(diǎn)發(fā)送數據之前對數據進(jìn)行數字濾波。

　　數字濾波分兩部分完成，一是外部信號在10ms內發(fā)生急脯突變的概率較小，采集器在10ms的單位時(shí)間內監測和統計信號的變化率，根據事先設定的門(mén)限值在數據轉換前端剔除虛警數據。二是采集器在lOOms內對相應的采樣信號進(jìn)行lO次采集取其平均值 ，這種算術(shù)平均值濾波方法比中值濾波可靠性更高，又比防脈沖干擾平均值濾波簡(jiǎn)便，可以有效降低對瞬間高頻干擾信號的虛警率。

　　5 結束語(yǔ)

　　基于冗余CAN總線(xiàn)設計的數據采集系統在實(shí)際應用中得到了驗證，整個(gè)系統在惡劣的工作環(huán)境下性能穩定，通訊能力令人滿(mǎn)意。采集器在正常運行時(shí)陜速地對遠程請求做出響應，工作方式多樣，參數修改靈活方便，能遠程維護管理，可應用于構建網(wǎng)絡(luò )化管理系統的環(huán)境。

　　利用冗余CAN總線(xiàn)通訊技術(shù)，有效解決了單線(xiàn)傳輸故障，提高了可系統的可靠性和穩定性。測試證明，在總線(xiàn)或通道處注入故障時(shí)，冗余CAN總線(xiàn)能順利進(jìn)行切換，并保障通訊正常；在對兩條總線(xiàn)或兩路CAN通道同時(shí)注入故障時(shí)，數據采集器自動(dòng)脫離總線(xiàn)，系統其他單元間的通訊不受影響。實(shí)驗結果表明，上述設計思想完全可行，能夠滿(mǎn)足大型現場(chǎng)采集和控制需求。

　　采用嵌入式模式開(kāi)發(fā)設計，具有精度高、運行穩定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強和性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，可以在各種遠程監測領(lǐng)域廣泛應用。