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1、工业现场CAN总线技术在航天领域的应用zhangting导语：can总线是由德国bosch公司为现实汽车测量和执行部件之间的数据通讯而设计的、支持分布式控制及实时控制的串行通讯网络。1引言can总线是由德国bosch公司为现实汽车测量和执行部件之间的数据通讯而设计的、支持分布式控制及实时控制的串行通讯网络。can总线通讯的波特率可高达1mbps，最远间隔可达10km;can总线通讯采用短帧构造，数据传输的时间短，受干扰的几率低;can总线协议有良好的检错措施，可靠性较高;can总线通讯对于传送帧可以设定不同的优先级，通过总线仲裁机制使高优先级的信息可以被优先及时传送，增加了can总线通讯的实时
2、性;can总线的完善可靠的通讯协议主要由接口器件完成，降低了软件开发的难度。此外，can总线网络中的每节点对应一个地址，理论上基于can总线的网络上可以添加删除任一节点，通讯方式可以为点对点的通讯也可以为播送方式，可以为单主方式也可以是多主方式，因此can总线通讯有相当的灵敏性。can总线开场主要应用于自动化电子领域的汽车发动机部件、传感器、抗滑系统等应用中，但随着can的应用普及，其应用范围已不局限于汽车行业，正在向经过控制、机械、纺织等行业开展，应用领域从高速网络到低本钱的多线网络。而且can总线的实时性以及抗干扰才能强等优点也逐步为航天领域所认可。1995年sstlsurrey大学卫星技
3、术公司将can作为星载遥测/遥控信道，随之sstl开发了基于can的分布式解决方案。至今sstl已经在uosat-12，snap-1，aisat-1，ukdmc，nigeriasat-1，bilsat-1等6颗leo卫星中应用了can总线网络，用于实现星载计算机与其他任务节点之间的通讯;esa在smart-1上也将can作为系统总线和有效载荷总线，实现数据交换和控制命令的传送。在国内，can总线技术在小卫星中也得到了实际的应用。本文在分析can总线航天应用的根底上，从硬件原理设计、cpu与can总线接口实现以及can总线通讯软件设计等方面进展了阐述。align=center表1can总线故障及
4、其影响分析/align2can总线工作原理can总线的多主站工作方式的发送原理采用“载波侦听多路访问/冲突检测csma/cd:carriersensemultipleaccesswithcollisiondetect技术实现。利用csma访问总线，可对总线上信号进展检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，可以允很多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到监听总线状态，直到该冲突时间过后，才开场发送。在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过很多延迟。为了防止发送延时，可利用csma/cd方式访问总线。当总线上有两个节点同时进展发送时，通过“无损的
5、逐位仲裁方法来使有最高优先权的报文优先发送。在can总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个11位或者29位数id。can总线状态取决于二进制数0而不是1，所以id号越小，该报文拥有越高的优先权。can总线的多主站工作方式的接收原理是通过验收滤波器来实现的。独立的can控制器sja1000设置了一个多功能的验收滤波器,该滤波器允许自动检查标识符和数据字节。使用验收滤波器的滤波方法可以防止对于某个节点无效的报文或者报文组存储在接收缓冲器里，因此降低了主控制器的处理负荷。滤波器由验收码存放器acc和屏蔽存放器amr组成。在basiccan形式里的验收滤波，其判据为:acc7:0id10:3amr7:
6、0。假如判据的结果为“11111111，那么表示该帧数据是其他节点传送给本节点的数据，本节点can总线控制器将接收本帧数据，在crc校验无误后于应答间隙产生应答信号。3can总线航天应用分析esa开展的can、1553b、spacewire技术研究说明以差分信号传输的高速串行总线用于星载设备之间的数据传输能保证通讯的及时性,利于降低星载设备的功耗，有助于获得低噪声、抗电磁干扰性强、emi低、信号不受电源开关状态变化影响等上风,具有良好的航天应用前景。can总线作为一种专为汽车工业设计的现场总线，具有很多合适航天应用的特点:作为多主站方式的串行通讯总线，can总线具有低本钱，高抗电磁干扰性，高总
7、线利用率，很远的数据传输间隔长达10km，高速的数据传输速率高达1mbps，可根据报文的id决定接收或者屏蔽该报文，可靠的错误处理和检错机制，发送的信息遭到破坏后，可自动重发，节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能等特点。iso11898建议的can总线的物理电气性能，可以保证在总线发生某些故障时不至于中断通讯，而且可以为故障的定位提供可能。表1列出了can总线可能发生的各种开路和短路故障，以及在该故障形式下can总线受影响的情况。can总线具有平安可信性。从协议分析，can总线的每个ecu具备错误检测、标定和自检的强有力措施。检测错误包括:发送自检、crc校验、位填充和报文格式检验。其
8、错误检测具有如下特性:其一,所有全局错误都可以检测;其二，发送器的所有部分错误都可以被检测;其三，报文中5个以内的随机分布错误都可以被检测到;其四，报文中长度小于15的突发性错误都可以被检测得到;其五，报文中任何奇数个错误都可以被检测得到;其六，没有检测出的已损报文的剩余错误概率为报文出错率的4.710-11。sstl经过研究发现，在600公里1000公里的空间领域，空间辐射对卫星的影响相对较小。在这个高度上，总剂量为每年1krad左右其量级相当于增加5mm的铝屏蔽层，seu发生率相当于天天每mbyte一次此数据;于试验观察，并且观测到的sel发生概率非常低，在sstl整个记录中只记录到3到4
9、次值得疑心的情况确定的只有4次。sstl还发现几乎所有的贸易cmos器件，在经受10krad辐照后其性能并无明显下降。sstl在低轨道小卫星采用工业级can控制器芯片构建卫星can总线网络的成功，验证了上述结论。表2为sstl在近年来采用的cotscan器件。align=center表2surrey大学采用的cotscan器件统计列表/align器件飞行任务次数philipscan收发器:当前主流产品4philipspca82c25010philipsp87c59210philipscan8位外设:产权主流产品4philipspca82c200:can8位外设6infineon:8位can微控
10、制器a/d,pwm,例如80516microchipcanspi外设44星载计算机中的双冗余容错can总线设计图1描绘了基于can的双冗余总线构造。基于can总线的双冗余系统通讯总线的根本设计思想是在卫星各功能模块之间布下两条基于can的系统通讯总线，即用两套can总线控制模块分别连接到总线bus0和bus1上。正常情况下优先在一条总线上通讯，这条总线出现故障时通过另一条进展通讯并重新初始化出错的总线以备将来再用。这样即使一条通讯通道故障后不会影响整个系统的数据交换，大大进步了通讯的可靠性。align=center图1基于can的双冗余总线构造/alignalign=center图2can总线
11、硬件设计原理简图/align图2为星载计算机中can总线硬件设计原理框图。can总线协议控制芯片选用philip的工业级器件sja1000，收发器选用philip的pca82c250。cpu与sja1000的接口控制逻辑通过actel的反熔丝fpga实现。sja1000工作在intel形式，工作时钟为7.3728mhz。复位信号通过max708产生。为了有更好的emc/emi性能和抑制比拟器的噪声，vdd通过rc滤波器退耦。sja1000的rx1信号处理非常关键。假如使用外部集成收发器电路而且没有在时钟分频存放器里使能比拟器旁路功能，rx1输出要被连接到2.5v的参考电压82c250的vref
12、输出。图3显示了cbp的两种设置所对应的电路。对于使用82c250集成的收发器电路，sja1000的相关数据手册建议使用旁路功能，即cbp设置为1，在这种情况下，sja1000的比拟器旁路功能有效，减少了内部传播延迟，即td25cpu与sja1000的接口逻辑设计星载计算机的cpu不同于8086，采用的是独立地址和数据总线。can总线控制器sja1000采用地址/数据总线复用方式，需要将cpu的总线信号经过适当逻辑处理后才可以知足can总线控制器的时序要求。图4和图5是sja1000在intel形式下的读写时序。按照sja1000的数据手册，确保sja1000的读写正确，如下的时序参数必须知足
13、:align=center图4sja1000读时序intel形式/alignalign=center图5sja1000写时序intel形式/alignltwal:必须保证ale的时间，最小不能小于8ns;ltllrl/tllwl:读写时ale无效到读写信号有效的时间，最小不能小于10ns;ltlcrl/tlcwl:片选信号有效后读写信号有效的时间，最小不能小于0，即片选有效必须出如今读写信号有效前;ltwr:读信号有效宽度，最小不能小于40ns;ltwr:写信号有效宽度，最小不能小于20ns;ltwhlh:写信号无效到下一次ale有效的时间，最小不能小于15ns;lthal-a:在ale为低电
14、平后地址应该保持时间，最小不能小于2ns。cpu和can总线接口采用地址直接映射。接口时序设计重点是接口控制逻辑必须产生符合上述关键参数的读写时序。假如简单的按照ale6can总线通讯软件的设计双冗余总线构造的通讯软件主要由初始化、接收和发送三个模块组成，控制流图见图7。在程序设计时采用了sja1000的basic形式，初始化中需要对bus0和bus1分别进展初始化，包括sja1000的控制存放器、接收代码存放器、接收屏蔽存放器、总线时序存放器等。align=center图7can总线通讯软件的控制流图/align发送模块采用主动发送方式，bus0为优先通讯通道，假设bus0通道状态不正常，那么启动bus1通道进展通讯，并对bus0通道进展初始化以备下次通讯时使用。接收模块采用中断接收方式，为了保证接收到的数据被实时处理，can总线的接收中断被设置为高优先级中断。在接收中断中首先判定接收通道是bus0还是bus1，然后从接收通道按数据长度进展数据接收。7完毕语can总线技术的众多优点如实时性好，通讯速率高，抗干扰才能强，低廉的价格等使它不仅广泛应用于工业控制领域，而且开场向航天领域进军。其cots工业级器件sja1000经过飞行也得到了验证，can总线适宜航天应用的特点得到了充分的展示和飞行验证。0