目前，CAN總線系統(tǒng)已經成熟應用在慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)中，具有很好的實時性和抗干擾能力[1]。雖然CAN協(xié)議本身具有較強的檢錯糾錯能力，但在一些特殊應用場合，比如高空長航的工作狀態(tài)，或受惡劣天氣等環(huán)境的干擾，以及傳輸介質損壞等都會嚴重影響CAN的可靠通信。在要求高可靠性的應用系統(tǒng)中，解決這一問題的有效途徑是進行CAN總線冗余設計[2-3]。本文針對浮空器慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)，基于兩片LPC11C24微控制器，設計實現了CAN總線冗余系統(tǒng)。

1 冗余系統(tǒng)設計
    典型的CAN總線通信電路主要由微控制器、CAN總線控制器和CAN總線驅動器以及總線4部分組成[4]?；贑AN總線的冗余方法主要從3個環(huán)節(jié)進行不同程度的冗余：有總線驅動器冗余、總線控制器冗余和全系統(tǒng)冗余3種。3種冗余方法各有優(yōu)缺點，其中全系統(tǒng)冗余方法可靠度最高[5]。全系統(tǒng)冗余方法由雙路CAN通信電路組成，需要的主要器件數為無冗余系統(tǒng)的2倍。傳統(tǒng)的慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)由導航計算機作為微控制器，CAN總線節(jié)點設計需要CAN總線控制器、CAN總線驅動器以及相關電平轉換芯片。導航計算機屬于嵌入式產品，固定在載體的機械結構上，幾何形狀和質量都一般力求小型化。冗余設計器件數的增多不但會增加系統(tǒng)的成本和容量的開銷，而且使系統(tǒng)的構成較復雜，也可能會引來新的錯誤。
    本文選用LPC11C24微控制器來設計CAN總線冗余系統(tǒng)，其基本架構如圖1所示。LPC11C24是恩智浦(NXP)公司近年推出的一款Cortex-M0微控制器，內嵌易用型片上CAN驅動，集成了高速CAN物理層收發(fā)器TJF1051，在低成本LQFP48封裝中實現了完整的CAN功能。LPC11C24的成本低、集成度高，是兼容CAN 2.0B的LPC11C00系列控制器的新成員之一，可為惡劣環(huán)境下的應用帶來最佳性能[6]。基于LPC11C24的CAN總線冗余設計能充分利用該款芯片的優(yōu)勢，減少導航計算機的電氣互連，節(jié)省50%以上的電路，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件設計
    本文慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)導航計算機采用DSP+FPGA架構，DSP主要實現導航姿態(tài)的實時解算和系統(tǒng)控制，FPGA集成系統(tǒng)所有的接口功能，包括CAN通信接口。CAN總線冗余系統(tǒng)是基于兩路LPC11C24最小系統(tǒng)來實現的，兩片LPC微控制器以主-從模式工作。其在導航計算機中的基本設計原理如圖2所示。

    DSP輸出的主要是導航姿態(tài)信息，接收的信息主要是IMU數據、外部傳感器（GPS、磁強計等）數據以及相關指令信息。CAN通信模塊搭建在FPGA上，通過FPGA與DSP進行數據交互，數據信息在FPGA內部寄存器中緩沖。這樣的設計減少了DSP對外開銷，保證了導航姿態(tài)的實時解算以及與人機交互低速數據的匹配。FPGA與LPC微控制器的主要連接如下：
    （1）數據線D0～D7：8根數據線，用于完成FPGA與LPC的數據交互。
    （2）地址線A0～A4：5根地址線，最大數據交互的字節(jié)數不應超過32，若超過，則需增加地址線。
    （3）信號控制線：讀控制信號CAN_RE、寫控制信號CAN_RE、數據發(fā)送準備完成信號CAN_RDY以及復位信號CAN_RST。
    兩LPC微控制器共用數據線D0～D7和數據發(fā)送準備完成信號線CAN_RDY，數據線和地址線通過GPIO口實現。數據發(fā)送準備完成后，同時觸發(fā)兩LPC微控制器INT，INT通過定時器捕獲外部事件中斷來實現。復位信號由FPGA產生一個低電平實現，讀寫控制信號在FPGA與CAN通信數據交互過程中分別有效。
    實現CAN通信功能還需搭建LPC微控制器最小系統(tǒng)。LPC最小系統(tǒng)主要包括供電電源、外部時鐘和調試接口。LPC微控制器所需電壓3.3 V由導航計算機電源模塊提供。本文采用12 MHz外部時鐘給系統(tǒng)提供基準時鐘。由于LPC1100系列Cortex-M0不再支持JTAG調試模式，所以調試接口采用SWD串行調試模式。兩總線輸出之間連接EMI濾波器，濾除總線上的高頻干擾。此外，兩LPC之間有兩交互信號，分別為EN0和EN1，EN0是發(fā)出故障切換信號，EN1是接受處理信號，或稱之使能CAN通信信號。工作過程中，使能一個CAN的同時禁用一個CAN。
3 系統(tǒng)軟件設計
      CAN總線冗余系統(tǒng)采用兩條完全獨立的CAN總線，實現系統(tǒng)的物理層和數據鏈路層全面冗余。
      系統(tǒng)上電復位后，初始化兩路 CAN 總線；一路CAN總線中斷開啟，處于正常運行狀態(tài)，另一路CAN總線中斷關閉，處于備用狀態(tài)；系統(tǒng)采用兼容兩種觸發(fā)方式的報文分配方式，將傳輸報文分為周期傳送報文（時間觸發(fā)）與非周期傳送報文（事件觸發(fā)），其中導航姿態(tài)信息為20 ms周期報文，控制報文為非周期報文。慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)平時不輸出任何報文，當控制報文控制其啟動后才按照總線調度策略進行輸出，完成導航測姿功能。CAN總線冗余系統(tǒng)設計主要實現兩部分功能：一為單路通信程序設計，二為雙路總線切換設計。冗余系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

3.1 單路CAN通信程序設計
    CAN節(jié)點通信過程主要包括系統(tǒng)初始化、CAN報文接收、CAN報文發(fā)送和CAN中斷處理等。其中系統(tǒng)初始化主要包括系統(tǒng)配置初始化、管腳初始化、定時器初始化以及CAN模塊初始化等。LPC11C24微控制器中包含了C_CAN片上驅動，片上驅動程序存放在引導ROM中，并通過定義好的API向用戶應用程序提供CAN初始化和通信特性[7]。下列幾個常用的函數包含在API中，其調用實現如下：
    （1）CAN控制器的初始化是在基于寄存器的陣列值上實現的，這些值通過指針來進行傳遞。CAN初始化調用范例如下：
    void CAN_init()
    {
        ROM **rom =(ROM **)0x1fff1ff8;
        uint32_t CanApiClkInitTable[2] = {
        0x00000000UL, //晶振時鐘分頻數
        0x00007EC3UL };//位定時寄存器配置7EC3：24；
//CAN通信速率為500 kb/s
        (*rom)->pCANAPI->init_can(&CanApiCanInitTable
           [0]);
    }
    （2）CAN發(fā)送函數允許設置報文對象，并可在總線上觸發(fā)CAN報文的傳送；報文編號隨著每一次通信而增加，而且可用于監(jiān)控引入的信息。當超過255時，信息代碼會歸零。這使得網絡中的任意節(jié)點可以通過報文編號來測定報文的進程和正確的順序，以進行檢查。發(fā)送函數如下：
    void CAN_send(  )
    {
        msg_obj.msgobj = 2;//報文對象
        msg_obj.mode_id= 0x001UL;//報文對象編號
        msg_obj.mask = 0x0UL;//不屏蔽任何ID
        msg_obj.dlc = 1;//數據長度
        msg_obj.data[0] = 0x00;
        (*rom)->pCAND->can_transmit(&msg_obj);
    }
    （3）CAN接收函數在調用之前，必須在結構體中設置要被讀取的報文對象的編號，這樣指向報文對象結構的指針會被傳遞到接收函數中。其實現如下：
    void CAN_receive( )
    {
        msg_obj.msgobj = 1;
        (*rom)->pCAND->can_receive(&msg_obj);
    }
    （4）用戶應用程序必須為CAN中斷提供中斷處理程序才能處理CAN事件，調用回調函數，并根據CAN總線上接收到的數據和檢查到的狀態(tài)采取相關的操作。CAN中斷處理程序調用如下：
    （*rom）->pCAND->isr();
    （5）CAN API支持各種事件的回調函數，包括報文發(fā)送、報文接收和錯誤處理等。回調函數通過API函數來發(fā)布，CAN中斷處理程序會按照中斷級別來調用CAN回調函數。注冊回調表如下：
    const CAN_CALLBACKS callbacks =
    {
        CAN_rx,
        CAN_tx,
        CAN_error，
    };
3.2 雙路CAN總線切換設計

    雙CAN總線冗余采用熱備方式運行。一個CAN控制器作為系統(tǒng)上電后默認的CAN，另一個為系統(tǒng)的備用CAN。系統(tǒng)正常工作時，投入運行的CAN稱為主CAN，另一路稱為從CAN。當主CAN發(fā)生故障時，從CAN總線投入運行。系統(tǒng)運行時，要求兩路CAN控制器處于熱備狀態(tài)，經初始化后都隨時準備接收信息，但是在一個時間點上，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)。實現CAN總線系統(tǒng)的全面冗余，主要解決總線故障的自動檢測和總線的切換問題。
    CAN2.0協(xié)議中規(guī)定節(jié)點處于錯誤激活態(tài)、忽略錯誤態(tài)、脫離總線態(tài)3種狀態(tài)之一[8]?？偩€正常工作時處于錯誤激活狀態(tài)，利用CAN總線控制器的故障界定機制可以判斷總線錯誤。硬件初始化后錯誤計數器為0，控制器檢測到錯誤后將發(fā)送/接收錯誤計數器的值遞增。當發(fā)送或者接收錯誤計數值大于127時，總線狀態(tài)為忽略錯誤態(tài)，可能的原因是CANH、CANL斷開；當總線發(fā)送或者接收錯誤計數值大于255時，總線狀態(tài)為脫離總線態(tài)，可能的原因是CANH與CANL短路，或者CANH與地短路，或者CANL與電源短路。在錯誤狀態(tài)發(fā)生時，需立即執(zhí)行總線切換操作。
    系統(tǒng)運行時，如兩路CAN（CAN0和CAN1）都運行良好，則選取CAN0作為默認主CAN，CAN1處于關閉狀態(tài)，等待CAN0發(fā)出的使能信號，從CAN則隨時備用。當主CAN發(fā)生錯誤狀態(tài)時，讀取錯誤狀態(tài)寄存器，同時觸發(fā)CAN1使能引腳，CAN1給出響應并禁用CAN0，響應完畢后，開啟CAN1，兩CAN主從模式切換。CAN0處于故障狀態(tài)，等待修復，若修復完畢，即可作為從CAN備用，在下一次出現故障時由CAN1給出使能信號啟動；若沒有及時修復，則系統(tǒng)處于無冗余狀態(tài)，若再次出現故障，則禁止系統(tǒng)運行。
4 測試與驗證
    要驗證本文設計的CAN總線冗余系統(tǒng)的有效性，需搭建測試平臺進行實驗。實驗軟件環(huán)境包括TKScope嵌入式智能仿真開發(fā)平臺、ZLGCANTset監(jiān)測軟件以及串口調試助手等。硬件環(huán)境包括AK100仿真器、USBCAN模塊以及基于導航計算機的雙LPC組成的CAN冗余電路等。實驗過程主要是對單路CAN通信功能和雙路冗余功能進行測試。
    （1）單路CAN通信功能測試。單路CAN通信的功能測試主要包括CAN的收發(fā)，以及I/O口的中斷、數據交互等。為了便于調試，隔離開導航計算機中DSP模塊，采用上位機串口進行模擬。首先由上位機串口模擬發(fā)送導航姿態(tài)信息，周期為20 ms，FPGA收取數據至內部緩存器，然后由LPC讀取并發(fā)送至CAN總線上。同樣，CAN模塊可以接收總線上的報文信息，產生中斷讀取并轉發(fā)至上位機串口顯示。測試過程中， CANTest監(jiān)測軟件收發(fā)和串口調試助手發(fā)收數據一致，表明CAN通信正常。
    （2）雙CAN冗余功能測試。冗余功能測試是在完成了單路通信測試而且雙路CAN通信都能獨立正常工作的基礎上進行的。實驗過程中，需增加一個USBCAN模塊。首先，系統(tǒng)上電正常工作時，只有CAN0處于運行狀態(tài)，而且其基本通信功能正常，CAN1總線處于關閉狀態(tài)；手動斷開CAN0總線，CAN1總線啟動，CAN0總線關閉；接好CAN0總線，手動斷開CAN1總線，CAN1總線關閉，CAN0總線恢復。圖4給出了在CAN模塊發(fā)送數據過程中，CAN0總線發(fā)生故障時，數據切換到CAN1總線上的情況。實驗測試過程中，主CAN出現故障，能及時切換到從CAN運行，有較強的容錯性。

    采用雙LPC設計實現的CAN總線冗余系統(tǒng)節(jié)約了導航計算機的成本和空間的開銷，而且開發(fā)過程中充分利用了LPC控制器片上CAN驅動模塊中的API函數，縮短了開發(fā)周期。CAN總線冗余系統(tǒng)的設計增強了系統(tǒng)對環(huán)境的應對能力，有效提高了浮空器慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)可靠性。
參考文獻
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