CAN总线双冗余技术在石油钻井监控系统中的应用.doc

CAN总线双冗余技术在石油钻井监控系统中的应用工程技术CAN总线双冗余技术在石油钻井监控系统中的应用张宇佳徐科丽哈尔滨天源石化工程设计责任有限公司黑龙江哈尔滨150000【摘要】本文详细分析了CAN总线冗余的几种常用方法,阐述了几种方法各自的优缺点,并且根据石油钻井检测系统的实际需要设计了CAN总线双冗余通信方法,并做了现场模拟验证.【关键词】CAN总线总线控制器冗余总线驱动器冗余双冗余典型的CAN电路可分为4个环节.即单片机.总线控制器.CAN总线驱动器,总线.本文就是从以上4个环节考虑的不同程度的冗余电路.1,CAN总线冗余方式概述CAN总线系统的基本冗余方式通常有两个方面,总线控制器冗余和总线驱动器冗余.1.1总线控制器冗余总线控制器冗余方式基本思路是,同时使用两条CAN总线.两个CAN总线驱动器和两个CAN总线控制器,CPU通过不同的端口和中断同时控制两个CAN控制器.这种冗余方法可以进行热冗余,即接收时CPU控制器可以同时处理两路总线上发来的数据,进行比较,选择一组数据接收;发送时可以通过两条总线发送同一组数据.也可以进行冷冗余.当节点发送时.选择一个总线控制器在一条总线上发送接收方只接收其中一个控制器的数据.在两个控制器都有数据接收时作为两组有效数据处理.这种冗余方法对整个总线系统进行了冗余备份,没有其他控制电路,整个电路简单通用.但是这种控制模式在热冗余的情况下有以下不足:1会导致系统的软件编写复杂.降低系统可靠性;2对两个控制器进行控制增加了系统的额外开销.降低了系统的有效利用率;3如果采用接收到1帧后屏蔽两外一路CAN总线中断,则会导致有用数据帧的丢失或者增加系统判断的难度和复杂度.在冷冗余情况下.为了使系统使用的CAN总线统一,需要增加总线冲裁节点.并且系统的总线切换无法做到实时高效切换.1.2总线驱动器冗余CAN总线驱动器冗余方式是针对CAN总线系统出错的主要环节一驱动芯片和通信线路而进行的冗余方式.可以使用冷冗余,发送时使用两条总线电缆,每个节点处使用两个总线驱动器一个总线控制器,在总线控制器与两个总线驱动器之间设置一个模拟开关.当节点发送数据时,总线控制器通过两个总线驱动器同时向两条总线发送相同的报文:在接收时单片机通过门控电路将一个CAN发送器的信号输入CAN控制器进行接收.在各个节点上在单片机内部设一定时器该定时器在计数到预先设定的数值后发出中断控制器在收到该中断后,切换门控电路,将另一个CAN驱动器的信号送入CAN控制器进行接收.在级别最高的节点上.用广播的方式定时发出一个复位信号,各节点在收到该复位信号后.复位定时器.如果一个节点的正在接收的总线驱动器出现了故障,则该节点就收不到这个复位信号,单片机的定时器就将发生溢出产生中断.这时CPU就通过门控电路将CAN控制器切换到另一个总线驱动器上进行接收.该种冗余方法具有控制电路简单,软件编制方便和系统利用率高等优点.但是该系统又有切换的实时行不强定时器的时间难以确定的缺点.该系统同时使用两条总线发送数据.一条总线接收,因此当接收总线出错而备份总线正常工作的情况下,在接收方定时器的时间内,由于没有收到回应.发送节点将自动重发该数据帧这会影响其他节点之间的正常通信.总线驱动器的热冗余使用两条总线电缆.总线上的每个节点都使用两个总线驱动器,但只有一个总线控制器,在总线控制器与两个总线驱动器之间设置一判断电路.当节点发送报文时.总线控制器通过两个总线驱动器同时向两条总线发送相同的报文.接收时判断电路会自动选择两条总线中的一条并将其中的报文送入总线控制器.判断的原理是由于两个总线在传输延时上不会严格一致而两个报文的到达时间是有先有后的,因此,抢先到达者被选中,并将其报文送入总线控制器.正常工作时,两个总线上传送的报文是一样的,无论哪一个被选中这个报文都能被正确传送到总线控制器.如果一条总线发生故障则需关闭它与总线控制器之间的信号通道,而正常总线上的报文仍能顺利送往收方总线控制器.另外.当发生总线故障时.CPU将自动发出总线的故障中断.并通过非故障总线通知整个系统.2,双冗余CAN总线通信系统的设计本文根据石油钻井的工作环境以及监控各个节点时的实时性与可靠性以及容错性的要求,对CAN总线通信采用了基于冷热双冗余设计.下面主要对主控制器的设计来说明冷热双冗余系统的设计.主控制器主要由互为备份的完全相同的两块主控单板A,B(含CPUCAN总线控制器CAN总线驱动器以及存储单元等)以及仲裁电路及电源系统组成.该CAN总线系统由主控单板间的CAN控制器的冷冗余和单板上CAN驱动器的热冗余构成.CAN总线节点设计如图1所示.两个冗余的主控单板之间通过仲裁电路进行仲裁.确定哪个主控单板具有CAN总线的控制权.成为工作主机.另一个单板则成为它的备份机.在工作时,当班的主控单板收到各节点的广播查询返回指令后清零定时器,如果该单板发生故障,则发出超时中断.系统将进行主控单板控制权的切换,完成CAN控制器的冷冗余切换.该计时器的初始值设定在系统控制周期的12倍时间段上比较合适.每个单板都与两条冗余的通信总线相连.在CAN节点的每个冗余的主控单板上使用一个总线控制器和两个总线驱动器.总线驱动器与总线控制器之间设有判断电路,可以进行CAN驱动器的事实切换.工作时.当报文发送时.单板上两个驱动器同时分别向两条总线发送同一报文.两条总线工作正常时,报文均正确且相同所以接收端无论接收哪一路的报文都可以.3,模拟验证结果说明为了验证本文设计的性能.我们对该系统进行了现场模拟验证该双冗余结构在现场的测试结果显示,系统具备1Mb/s通信速率.足以满足钻井检测系统通信的需要.在热冗余测试中,实现了冗余CAN总线的无缝切换;在冷冗余测试中.当模拟出现故障时.主控单板间因为需要进行主/备机切换.可能会引起丢帧.从整个结果来看,该设计保证了冗余CAN总线的数据通信的实时性和可靠性.同时.大大降低了系统控制软件的复杂性减轻了通信系统对处理器和内存的压力.参考文献1饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术M】.北京:北京