双CAN冗余通信系统的设计方案与应用分析
作者：莫传孟， 林彦凯， 冯晓云
虽然CAN协议本身具有较强的检错纠错能力，但在工业控制现场，插头连接的不牢固、传输介质的损坏或总线驱动器的损坏等都会破坏CAN的可靠通信。在要求高可靠性的应用系统中，这些故障如不能自动检测到并采取相应措施克服，将使系统部分甚至完全失去通信能力。解决这一问题的有效途径是采用冗余通信控制。从而保证通信系统主要功能正常运行，以此提高系统的可靠性。
1 系统硬件组成
MB90F543是Fujitsu公司推出的一款带2个CAN控制器的16位微控制器。系统使用两套总线（CAN0、CAN1），每一套包含独立的总线电缆、总线驱动器和总线控制器，可以实现物理介质、物理层、数据链路层及应用层的全面冗余。两套总线采用热备份方式运行：一个CAN控制器作为系统上电后默认的CAN（可称为主CAN）;另一个为系统的备用CAN（称之为从CAN），作为主CAN的冗余。系统正常工作时，主CAN总线（CAN0）投入运行。当主CAN总线发生故障时，从CAN总线（CAN1）投入运行。如上电检测到主CAN总线故障，则从CAN总线自动投入运行。这样在一套总线发生故障时，另一套总线自动继续工作，保证整个系统的通信功能正常运行，大大提高了系统的可靠性，实现了CAN总线的全面冗余设计。另外，也可以根据需要，由软件设定采取冗余方式或非冗余方式。对于非冗余方式只采用主CAN总线运行。本系统的结构方案如图1所示。
图1 系统结构框图
RT为总线终端匹配电阻，用于抑制信号发射干扰，RT =100Ω或120Ω。网络采用屏蔽双绞线作为通信介质。
CAN控制器集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对数据通信的成帧处理，包括位填充、数据块编码、CRC校验和优先级判别等工作。
CAN控制器具有以下主要特点：
◇ 符合CAN2.0A和CAN2.0B协议;
◇ 支持数据帧和远程帧的发送和接收;
◇ 16个收发信息缓冲器，支持11位或29位标识符，支持多级信息缓冲器结构;
◇ 支持满位比较、满位屏蔽和位屏蔽验收三种验收标 识选择方式;
◇ 两个验收标识寄存器支持标准帧或扩展帧格式;
◇ 波特率从10Kbps~1Mbps可编程。
总线驱动器采用PCA82C250作为CAN控制器与物理总线间的接口，以提升总线的差动发送和接收能力。
CAN驱动电路如图2 所示。
图2 CAN驱动电路
2 系统软件设计
2.1 实现双CAN冗余控制功能
在双CAN冗余系统中，较之硬件结构而言，软件设计相对复杂得多。一般的CAN总线通信程序必须包括 CAN初始化程序、CAN发送程序和CAN接收程序三个基本部分。在本冗余系统软件设计中，上面三部分作为三个最基本的模块，供系统其它软件模块调用。
MB90F543可以处理256种中断源，与CAN控制器相关的硬件中断有四个：CAN0 RX（CAN0 接收完全中断）、CAN0 TX /NS（CAN0 发送完全/节点状态改变中断）、CAN1 RX（CAN1 接收完全中断）、CAN1 TX /NS（CAN1 发送完全/节点状态改变中断）。在本软件设计中，采用查询发送，中断接收。节点状态改变中断子程序，用于对节点状态改变的处理。这是因为在CAN2.0协议中规定节点处于下面三种状态之一：错误激活态、忽略错误态、脱离总线态。在MB90500系列中还多规定了一种警告态，它表明发送/接收错误计数器的值超过96。节点状态改变会引起相应中断。
由于系统采用双CAN冗余热备份方式运行，所以两个CAN控制器必须都处于热备份状态。系统中所有节点的两个CAN控制器经初始化后都随时准备接收信息，但有且只有一个CAN控制器在发送信息。换言之，在一个时间点上，系统中有且仅有一路 CAN通道在工作，另一路处于监听状态（正常工作时），或故障状态（发生故障时）。
双CAN冗余控制系统较之单CAN控制系统在软件设计上的复杂之处，关键在于CAN系统故障检测及CAN系统自动切换。由于采用两套完全独立的传输介质、总线驱动器和总线控制器，因此它们能分别独立检测到自己通道的故障，比如CANH与CANL短路，CANH或CANL断开、CANH与地短路、CANL与电源短路、总线驱动器损坏等。实际调试中发现， 如果CANH、CANL断开或只有一个发送器在总线上，均会造成发送/接收错误计数器不断增加到128，使节点处于忽略错误态;而CANH与CANL短路、CANH与地短路或CANL与电源短路均会造成发送/接收错误计数器不断增加到256，使节点处于总线脱离态。所以，通过节点状态改变中断子程序中调用CAN冗余模块，可以达到实现上述故障自动检测及CAN系统自动切换的目的。CAN0节点状态改变中断子程序如下：
__interrupt void NodeStateTransmitInt0（void）
{
if （CSR0_NT） /*节点状态改变*/
{
CSR0_NT = 0; /*中断标志复位*/
if （ （CSR0_NS = =2 ） （CSR0_NS = =3 ） ） /*断路或短路引起*/
{
Bus0Error（ ） ; /* Bus0Error（ ）停止CAN0， 启动冗余CAN1子程序*/
}
}
ICR00 =3; /*改变中断优先级，使定时器0中断优先*/
ICR03 =2;
}
此外，在CAN总线通信过程中，当某个信息缓冲器的数据发送完成后，发送完成寄存器中相应的位将被置为1。在查询发送过程中，通过判断这一寄存器可以知道该次发送是否完成。但如果发送不成功，则会使系统一直在等待，造成系统死机。所以软件必须在这里设定一个等待时段，超过这一时段则调用CAN冗余系统，停止主CAN通道，启用从CAN通道。
软件设计中还要注意这样一个问题，备用CAN切换完成后，如何恢复原来的通信任务。解决办法是编制一个任务标志列表，备用CAN切换后，读该表即可获取系统原来进行的任务，实现原来通信任务的可靠切换。
2.2 实现总线管理功能
在本系统的软件设计中，除了用于数据发送和接收的实时数据通信程序外，还包括用于对各个节点进行管理的通信管理程序。所有节点分为主节点和从节点。它们的区别在于主节点具有总线管理功能，可以进行在线节点统计，识别离线节点并采取处理措施;而从节点没有这个功能。主节点只设一个，而允许多个从节点。总线管理功能程序供主节点每隔一段时间调用，来判断所有的节点是否都在线：如果所有节点都在线，则认为总线正常;否则识别离线节点，并作相应处理。设计思路是系统主节点定时向总线上所有从节点发送一远程帧，各个从节点收到后，将自己的节点编号放在一数据帧中发送给主节点，主节点根据收到的节点编号来判断是否有节点故障离线。在本系统中，节点编号（模块地址）由模块上的DIP开关设定。主节点通信流程如图3所示。
图3 主节点通信流程图
软件调试过程中，虽然各个节点的硬件结构相同，但由于电路板布线和元器件分散性存在着差异，常会致使并非所有从节点能都收到主节点发送的信息，或者主节点并非都能收到所有从节点发送的信息，即存在帧丢失问题。通过软件延时和优化接收中断程序，这一问题已得到很好的解决。
3 开发环境及应用中应注意的几个问题
Softune V3软件工作平台是针对富士通FFMC-8L、FFMC-16L/LX和FR系列微控制器程序开发的集成软件开发环境，包括开发管理、仿真器调试、软仿真和一个集成开发环境。其开发工具包包括Softune Workbench、C compiler、Assembler、Linker、C Checker、C Analyzer。Softune V3同时支持C语言和汇编语言。
MB90F543实际使用过程中，应注意下面几个问题。
① 验收标识选择寄存器（AMSR）的设置。每个信息缓冲器可以选择一种验收标识方式：满位比较、满位屏蔽或位屏蔽验收。满位比较是指节点接收到信息的ID需与该信息缓冲器设定的ID完全一致，信息才能通过验收标识器;满位屏蔽不用对信息的ID进行比较，可以理解为无条件通过验收标识器;位屏蔽验收方式可以指定需比较的ID位和需屏蔽的ID位，即部分比较验收。实际应用中，这种验收标识方式应用得最多，所以在MB90F543芯片的CAN控制器中，设定了两种这一方式。AMSR的设置为开发人员处理缓冲器信息提供了极大的灵活性。
② 验收标识寄存器（AMR）的设置。在AMSR设置为位屏蔽验收方式后，必须设置AMR，来设定ID哪些位要比较，哪些位要屏蔽。AMR共有四个字节，支持29位ID符。但值得注意的是，对29位ID符，使用的是AM28~AM0;而对11位ID符，使用的是AM28~AM18。因此使用者在设置AMR时必须谨慎，否则会造成接收错误。笔者曾在这里吃过苦头。
③ Fujitsu公司CAN控制器的一个特点是支持使用多级信息缓冲器。在接收频繁发生，或者收到几个不同ID信息帧的情况下，可能CPU没有足够的时间来处理收到的信息，因此可将多个信息缓冲器构成一个多级信息缓冲器，保证信息能够得到及时、有效的处理。通过这种方式，可以1帧发送大于8个字节的信息。这种安排的另一好处是，CPU可以不需立即去读某个信息缓冲器的信息，而不必担心缓冲器信息被重写和丢失。
4 结论
在CAN应用层协议的开发过程中，借鉴了DeviceNet规范的一些机理，如支持多种形式的数据传送（选通、轮询、状态变化等）;但受开发周期等诸多因素的限制，设备的诊断功能以及与同类产品之间的互操作性都有待完善和扩展。双CAN冗余通信系统在实验阶段工作稳定，数据传输可靠，冗余切换切实可行，总线管理可靠性良好;可以应用于要求高可靠性的机车控制系统或其它工业控制现场中。
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