双冗余CAN总线模块的设计与实现.doc

摘要：为满足恶劣环境下计算机系统的高可靠性需求，将冗余技术结合到CAN总线模块的硬件与软件开发中，介绍其总体方案。硬件及软件设计方法，重点描述了在VWorks系统下的驱动软件实现，给出了部分实现细节及设计流程。测试结果表明，此设计可成功实现CAN冗余模块在总线故障情况下的冗余切换，提高了设备可靠性。引言冗余技术有两种方式：工作冗余和后备冗余。工作冗余是对关键设备以双重或三重的原则来重复配置，这些设备同时处于工作运行状态，工作过程中若某一台设备出现故障，它会自动脱离系统，但并不影响系统的正常工作。后备冗余方式是使一台设备投入运行，另一台冗余设备处于热备用状态，但不投入运行，在线运行设备一旦出现故障，后备设备立即投入运行。常用的冗余系统按其结构可分为并联系统。备用系统和表决系统3种。最简单的冗余设计是并联装置，其它方法还有串并联或并串联混合装置和多数表决装置等。本文通过以上冗余技术的分析选择，将其结合到CAN总线模块的设计中，并在VWorks系统下设计了双冗余驱动，通过测试，验证了本设计的有效性。1 总体设计双冗余CAN总线模块设计主要包括硬件与软件设计两部分。为实现冗余功能，硬件上需要有几个相同可独立工作的设备支持；软件上要具备错误检测和动态切换功能，且切换时间要尽可能短。在本设计中，双冗余CAN总线模块硬件配置两个独立的CAN控制器，并有FPGA对其进行控制，软件通过读取CAN总线状态寄存器判断是否进行冗余切换动作。下面将详细描述双冗余CAN总线模块的硬件与软件设计，以及冗余功能的实现细节。2硬件设计我们选择PCI9052作为接口芯片，利用功能芯片实现硬件的逻辑和物理实现。CAN控制器采用PHILIPS的SJAl000,可工作于BasicCAN模式或PeI.CAN模式下，其中PeIiCAN模式支持CAN 2.0B协议，采用8位地址/数据复用总线接口。如图1所示，PC J总线双CAN接口卡由两片SJAl000提供两路独立的CAN接口，每片芯片的8位地址/数据总线和读写控制信号。锁存信号直接与PCI9052相连。SJAl000输出信号经过光耦到CAN收发器PCA82C250,82C250供电电源为隔离电源，由隔离电源转换模块提供。CAN总线的复位信号由FPGA提供，CAN控制器SJAl000的中断信号输出到FPGA.在硬件上CAN总线冗余模块要求使用相同两套CAN设备（CAN0.CANl），每套包含独立的总线电缆。总线驱动器和总线控制器，从而实现物理介质。物理层。数据链路层及应用层的全面冗余。两套设备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（称为主CAN）；另一个为系统的备用CAN（称为从CAN）。系统正常工作时，主CAN设备（CAN0）投入运行，当主CAN设备发生故障时，系统自动切换至从CAN设备运行，保证整个系统的正常通信，提高系统可靠性。3软件设计3.1 VXWorks驱动开发模型VXWorks操作系统是风河公司（Wind River SyStem）推出的一款运行在目标机上的高性能。可裁减的嵌入式强实时操作系统，它包括进程管理。存储管理。设备管理。文件系统管理。网络协议及系统应用等几个部分，只占用了很小的存储空间，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信。军事。航空。航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。VXWorks操作系统提供几种标准驱动模型，如串行设备驱动。块设备驱动。网络接口驱动。总线控制器驱动等。根据设备不同，可选择相应的标准驱动模型或自定cAN模块是串行设备，设计选择了标准串行设备驱动模型。CAN总线驱动VXWorks系统中的结构框图如图2所示。3.2.1 CAN模块驱动设计CAN模块驱动设计主要包括实现设备初始化。与上层IO通信。数据收发。参数设置。验收滤波器设置等。其中设备初始化要针对CAN设备冗余的特点，对两个CAN控制器进行相同的初始化操作；与上层IO通信。数据收发。参数设置。验收滤波器设置操作只控制当前处于工作状态的CAN控制器。3.2.2驱动冗余设计在双CAN冗余系统的设计中，较之硬件结构而言，软件设计相对复杂，其关键之处在于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。（1）接收冗余设计CAN设备接收时无法主动检测连接线路的通断状态，这时就要求系统中的两个CAN控制器都同时工作于接收状态。这时系统中出现以下几种情况：正常工作。这个时候两个CAN控制器都在接收数据，此时我们只要取其中主CAN设备中的数据即可，从CAN设备中的数据丢弃；主CAN设备没有接收到数据而从CAN设备能正常接收到数据，主CAN设备控制器的状态寄存器中并没有错误标志，这种情况是因为主CAN设备的连接线路断开而引起的，此时进行通道切换，将主CAN设备设置为备用通道，把从CAN设备设置为工作通道并从中取出数据送给10系统；主CAN设备能接收到数据，但其状态寄存器中有错误标志，这是因为线路上的数据出错引起的，此时主CAN设备中的数据为错误数据，不能被使用，因此要进行通道切换，把从CAN设备设定为工作通道，从中取出数据送IO系统，而主CAN设备进行复位处理后再让其工作于接收状态，作为备用通道。数据接收流程如图3所示。（2）发送冗余设计当CAN设备处于发送状态时，如果发生主CAN设备连接线路断开的情况，会在主CAN设备控制器的状态寄存器中置位错误标志，这样相对于接收程序来说要简单一些。发送过程中系统只会出现两种情况：正常工作时，只有主CAN设备在发送数据，从CAN设备处于复位状态或者侦听状态，随时准备工作；主CAN设备控制器的状态