1 、引言

CAN總線是由德國BOSCH公司為現(xiàn)實(shí)汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計的、支持分布式控制及實(shí)時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線通訊的波特率可高達(dá)1Mbps，最遠(yuǎn)距離可達(dá)10km;CAN總線通訊采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間短，受干擾的幾率低;CAN總線協(xié)議有良好的檢錯措施，可靠性較高;CAN總線通訊對于傳送幀可以設(shè)定不同的優(yōu)先級，通過總線仲裁機(jī)制使高優(yōu)先級的信息能夠被優(yōu)先及時傳送，增加了CAN總線通訊的實(shí)時性;CAN總線的完善可靠的通信協(xié)議主要由接口器件完成，降低了軟件開發(fā)的難度。此外，CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的每節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個地址，理論上基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)上可以添加刪除任一節(jié)點(diǎn)，通訊方式可以為點(diǎn)對點(diǎn)的通訊也可以為廣播方式，可以為單主方式也可以是多主方式，因此CAN總線通訊有相當(dāng)?shù)撵`活性。

CAN總線開始主要應(yīng)用于自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機(jī)部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，但隨著CAN的應(yīng)用普及，其應(yīng)用范圍已不局限于汽車行業(yè)，正在向過程控制、機(jī)械、紡織等行業(yè)發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線網(wǎng)絡(luò)。而且CAN總線的實(shí)時性以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)也逐步為航天領(lǐng)域所認(rèn)可。1995年SSTL（Surrey大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)公司）將CAN作為星載遙測/遙控信道，隨之SSTL開發(fā)了基于CAN的分布式解決方案。至今SSTL已經(jīng)在UoSAT-12，SNAP-1，AISAT-1，UKDMC，NigeriaSAT-1，BilSAT-1 等6顆LEO衛(wèi)星中應(yīng)用了CAN總線網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)星載計算機(jī)與其他任務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的通信;ESA在SMART-1上也將CAN作為系統(tǒng)總線和有效載荷總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳送。在國內(nèi)，CAN總線技術(shù)在小衛(wèi)星中也得到了實(shí)際的應(yīng)用。

本文在分析CAN總線航天應(yīng)用的基礎(chǔ)上，從硬件原理設(shè)計、CPU與CAN總線接口實(shí)現(xiàn)以及CAN總線通信軟件設(shè)計等方面進(jìn)行了論述。

表1 CAN總線故障及其影響分析

2 、CAN總線工作原理

CAN總線的多主站工作方式的發(fā)送原理采用“載波偵聽多路訪問/沖突檢測”（CSMA/CD:Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。利用CSMA訪問總線，可對總線上信號進(jìn)行檢測，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個節(jié)點(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點(diǎn)重新回到‘監(jiān)聽’總線狀態(tài)，直到該沖突時間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送延時，可利用CSMA/CD方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行發(fā)送時，通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個11位或29位數(shù)ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進(jìn)制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以ID號越小，該報文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。

CAN總線的多主站工作方式的接收原理是通過驗(yàn)收濾波器來實(shí)現(xiàn)的。獨(dú)立的CAN 控制器SJA1000設(shè)置了一個多功能的驗(yàn)收濾波器，該濾波器允許自動檢查標(biāo)識符和數(shù)據(jù)字節(jié)。使用驗(yàn)收濾波器的濾波方法可以防止對于某個節(jié)點(diǎn)無效的報文或報文組存儲在接收緩沖器里，因此降低了主控制器的處理負(fù)荷。濾波器由驗(yàn)收碼寄存器（ACC）和屏蔽寄存器（AMR）組成。在BasicCAN 模式里的驗(yàn)收濾波，其判據(jù)為：（ACC（7:0） ⊙ ID（10:3））＋AMR（7:0）。如果判據(jù)的結(jié)果為“11111111”，則表示該幀數(shù)據(jù)是其他節(jié)點(diǎn)傳送給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本節(jié)點(diǎn)CAN總線控制器將接收本幀數(shù)據(jù)，在CRC校驗(yàn)無誤后于應(yīng)答間隙產(chǎn)生應(yīng)答信號。

3 、CAN總線航天應(yīng)用分析

ESA開展的CAN、1553B、SpaceWire技術(shù)研究表明以差分信號傳輸?shù)母咚俅锌偩€用于星載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸能保證通信的及時性， 利于降低星載設(shè)備的功耗，有助于獲得低噪聲、抗電磁干擾性強(qiáng)、EMI低、信號不受電源開關(guān)狀態(tài)變化影響等優(yōu)勢， 具有良好的航天應(yīng)用前景。

CAN總線作為一種專為汽車工業(yè)設(shè)計的現(xiàn)場總線，具有很多適合航天應(yīng)用的特點(diǎn)：作為多主站方式的串行通訊總線，CAN總線具有低成本，高抗電磁干擾性，高總線利用率，很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達(dá)10km），高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1Mbps），可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文，可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)，節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能等特點(diǎn)。

ISO11898建議的CAN總線的物理電氣性能，能夠保證在總線發(fā)生某些故障時不至于中斷通信，而且可以為故障的定位提供可能。表1列出了CAN總線可能發(fā)生的各種開路和短路故障，以及在該故障模式下CAN總線受影響的情況。

CAN總線具有安全可信性。從協(xié)議分析，CAN總線的每個ECU具備錯誤檢測、標(biāo)定和自檢的強(qiáng)有力措施。檢測錯誤包括：發(fā)送自檢、CRC校驗(yàn)、位填充和報文格式檢驗(yàn)。其錯誤檢測具有如下特性：其一， 所有全局錯誤都可以檢測;其二，發(fā)送器的所有局部錯誤都可以被檢測;其三，報文中5個以內(nèi)的隨機(jī)分布錯誤都可以被檢測到;其四，報文中長度小于15的突發(fā)性錯誤都可以被檢測得到;其五，報文中任何奇數(shù)個錯誤都可以被檢測得到;其六，沒有檢測出的已損報文的剩余錯誤概率為報文出錯率的4.7×10-11。

SSTL經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在600公里～1000公里的空間領(lǐng)域，空間輻射對衛(wèi)星的影響相對較小。在這個高度上，總劑量為每年1Krad左右（其量級相當(dāng)于增加5mm的鋁屏蔽層），SEU發(fā)生率相當(dāng)于每天每Mbyte一次（此數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)觀察），并且觀測到的SEL發(fā)生概率非常低，在SSTL整個記錄中只記錄到3到4次值得懷疑的情況（確定的只有4次）。SSTL還發(fā)現(xiàn)幾乎所有的商業(yè)CMOS器件，在經(jīng)受10 Krad輻照后其性能并無明顯下降。SSTL在低軌道小衛(wèi)星采用工業(yè)級CAN控制器芯片構(gòu)建衛(wèi)星CAN總線網(wǎng)絡(luò)的成功，驗(yàn)證了上述結(jié)論。表2為SSTL在近年來采用的COTS CAN器件。

表2 Surrey大學(xué)采用的COTS CAN器件統(tǒng)計列表

器件飛行任務(wù)次數(shù)

Philips CAN收發(fā)器：當(dāng)前主流產(chǎn)品 4

Philips PCA82C250 10

Philips P87C592 10

Philips CAN 8位外設(shè)：產(chǎn)權(quán)主流產(chǎn)品 4

Philips PCA82C200:CAN 8位外設(shè) 6

Infineon:8位CAN微控制器（A/D，PWM，例如8051） 6

Microchip CAN SPI外設(shè) 4

4 、星載計算機(jī)中的雙冗余容錯CAN總線設(shè)計

圖1描述了基于CAN的雙冗余總線結(jié)構(gòu)?；贑AN總線的雙冗余系統(tǒng)通信總線的基本設(shè)計思想是在衛(wèi)星各功能模塊之間布下兩條基于CAN的系統(tǒng)通信總線，即用兩套CAN總線控制模塊分別連接到總線BUS0和BUS1上。正常情況下優(yōu)先在一條總線上通信，這條總線出現(xiàn)故障時通過另一條進(jìn)行通信并重新初始化出錯的總線以備將來再用。這樣即使一條通信通道故障后不會影響整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，大大提高了通信的可靠性。

圖1 基于CAN的雙冗余總線結(jié)構(gòu)

圖2 CAN總線硬件設(shè)計原理簡圖

圖2為星載計算機(jī)中CAN總線硬件設(shè)計原理框圖。 CAN總線協(xié)議控制芯片選用Philip的工業(yè)級器件SJA1000，收發(fā)器選用Philip的PCA82C250。CPU與SJA1000的接口控制邏輯通過Actel的反熔絲FPGA實(shí)現(xiàn)。SJA1000工作在Intel模式，工作時鐘為7.3728MHz。復(fù)位信號通過MAX708產(chǎn)生。為了有更好的EMC/EMI性能和抑制比較器的噪聲，VDD通過RC濾波器退耦。

SJA1000的RX1信號處理非常關(guān)鍵。如果使用外部集成收發(fā)器電路而且沒有在時鐘分頻寄存器里使能比較器旁路功能，RX1輸出要被連接到2.5V的參考電壓（82C250的Vref輸出）。圖3顯示了CBP的兩種設(shè)置所對應(yīng)的電路。對于使用82C250集成的收發(fā)器電路，SJA1000的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊建議使用旁路功能，即CBP設(shè)置為1，在這種情況下，SJA1000的比較器旁路功能有效，減少了內(nèi)部傳播延遲，即td2《td1，提高了CAN總線的最大長度，休眠模式的電流將顯著降低。在CBP為1時，硬件設(shè)計必須保證RX1接地。

圖3 SJA1000的接收輸入比較器旁路設(shè)計

82C250的RS信號通過電阻Rext接地。RS管腳的電流決定了傳輸介質(zhì)上傳輸信號的信號沿的陡峭程度，Rext阻值的大小必須根據(jù)CAN總線的工作速度及其工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計和選擇，具體可參見SJA1000的數(shù)據(jù)手冊或者應(yīng)用文檔。

5 CPU與SJA1000的接口邏輯設(shè)計

星載計算機(jī)的CPU不同于8086，采用的是獨(dú)立地址和數(shù)據(jù)總線。CAN總線控制器SJA1000采用地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用方式，需要將CPU的總線信號經(jīng)過適當(dāng)邏輯處理后才能夠滿足CAN總線控制器的時序要求。圖4和圖5是SJA1000在Intel模式下的讀寫時序。

按照SJA1000的數(shù)據(jù)手冊，確保SJA1000的讀寫正確，如下的時序參數(shù)必須滿足：

l tW（AL）：必須保證ALE的時間，最小不能小于8ns；

l tLLRL/tLLWL：讀寫時ALE無效到讀寫信號有效的時間，最小不能小于10ns；

l tLCRL/tLCWL：片選信號有效后讀寫信號有效的時間，最小不能小于0，即片選有效必須出現(xiàn)在讀寫信號有效前；

l tW（R）：讀信號有效寬度，最小不能小于40ns；

l tW（R）：寫信號有效寬度，最小不能小于20ns；

l tWHLH：寫信號無效到下一次ALE有效的時間，最小不能小于15ns；

l th（AL-A）：在ALE為低電平后地址應(yīng)該保持時間，最小不能小于2ns。

CPU和CAN總線接口采用地址直接映射。接口時序設(shè)計重點(diǎn)是接口控制邏輯必須產(chǎn)生符合上述關(guān)鍵參數(shù)的讀寫時序。如果簡單的按照ALE《=not nADS方法處理，不滿足要求時序關(guān)系，這在調(diào)試過程中已經(jīng)得到驗(yàn)證。為此，在設(shè)計中采用了FPGA技術(shù)，以求很好地解決CAN總線與CPU的接口問題。圖6描述了通過VHDL編寫實(shí)現(xiàn)接口電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和FPGA設(shè)計產(chǎn)生的讀寫CAN總線時序，其中時鐘周期不低于67ns，該時序滿足SJA1000要求。

6 、CAN總線通訊軟件的設(shè)計

雙冗余總線結(jié)構(gòu)的通訊軟件主要由初始化、接收和發(fā)送三個模塊組成，控制流圖見圖7。在程序設(shè)計時采用了SJA1000的Basic模式，初始化中需要對BUS0和BUS1分別進(jìn)行初始化，包括SJA1000的控制寄存器、接收代碼寄存器、接收屏蔽寄存器、總線時序寄存器等。