水下機器人通信系統的CAN總線冗余設計

邱小軍 劉 瀏 吳 超 李建勛 葛 彤

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院1，上海 200240;上海交通大學水下工程研究所2，上海 200240)

0 引言

水下機器人(remotely operated vehicle，ROV)不僅廣泛應用于海底資源探測等科學研究領域，而且在工業和軍用領域也有廣闊的應用前景。由于海洋環境復雜多變，且水下機器人的六自由度運動方程具有很強的耦合性和非線性特征，所以ROV對通信系統的可靠性和穩定性有很高的要求。通信系統故障有可能會導致ROV丟失，所以通信系統的可靠性設計是一個非常關鍵的問題[1]。

CAN總線因具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力好、成本低、檢錯能力強等優點，在現場總線中應用廣泛。目前，基于CAN總線的ROV控制系統設計方面已經有一些研究[2－4]，但這些研究主要采用單CAN總線進行通信。這種通信方法的缺點是當CAN總線出現故障時，整個控制系統將無法運行。因此，針對單CAN總線在冗余性方面的不足，設計了ROV通信系統的通信擴展板，并采用了雙CAN總線冗余技術。該設計的優點在于當通信系統出現CAN總線故障時，可以實現總線的自動切換，從而提高系統的可靠性。

1 系統總體設計

典型的ROV控制系統框圖如圖1所示[5]。

圖1 ROV控制系統框圖Fig.1 Block diagram of ROV control system

為保證ROV控制系統各單元之間通信的穩定性和可靠性，通信擴展板在硬件設計上采用了類似主板的設計方法，即使用了微處理器。這種設計有利于ROV數據的傳輸，能夠簡化主板數據傳輸任務的負擔;同時，采用PC/104總線與主板進行通信。PC/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線。本設計將該總線應用于ROV通信系統，可以增強系統的可擴展性。

按功能劃分，通信系統由PC/104接口轉化部分、復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)時序轉化部分、ARM實時控制部分和雙CAN等外設組成。主板作為總控制和調配單元，PC/104總線接口用于主板和通信擴展板之間進行數據傳輸;CPLD作為中間邏輯接口，用于連接PC/104接口和ARM;ARM處理器作為主控制器，實時控制通信擴展板上的外設;ARM結合CPLD，實現雙CAN總線冗余功能。

為了實現通信擴展板與主板之間的通信，首先需要在它們之間建立一個通信協議，用于通信擴展板解析主板命令。然后主板和通信擴展板各自對板上的外設進行初始化，彼此相互獨立，完成各自任務的調度和控制。最后主板通過訪問通信擴展板外設返回的狀態和數據，執行系統總任務調度。這種設計可以降低主板CPU任務調度的復雜性。主板發送命令后，通信擴展板根據通信協議解析主板命令，控制相應的外設，從而完成指定的功能。

當主板訪問通信擴展板時，可將通信擴展板看作主板的外設，主板通過訪問通信擴展板所占用的地址空間來實現對外設的訪問。主板發送的控制指令，經PC/104總線傳送到通信擴展板;CPLD接收到命令后對其進行判斷，并根據主板操作類型觸發ARM處理器外部中斷;ARM獲取到主板指令后，根據通信協議解析主板命令。如果主板需要讀取外設數據，則CPLD觸發ARM處理器外部寫中斷。ARM進入寫中斷處理函數，把相應外設的數據通過數據線發送出去，再經過CPLD轉化成主板讀信號，同時把數據返回主板。如果主板進行寫命令操作，CPLD收到命令后讀取PC/104總線數據，觸發ARM讀中斷，并把PC/104總線數據送到ARM數據總線。

2 PC/104總線接口設計

由于ARM處理器外部總線和PC/104總線之間的時序邏輯不一致，因此，采用CPLD對其進行邏輯轉化。為了解決兩種總線在電平模式、制造工藝上的差異，在ARM處理器和PC/104總線間接入緩沖器，以調整電氣特性，保證總線轉化的可靠性。

2.1 PC/104接口控制器原理

在PC/104總線接口的設計中，如何實現總線控制器的設計是PC/104接口的設計重點。本設計采用CLPD來實現總線控制器接口。通信擴展板PC/104總線控制器的工作流程如圖2所示。

圖2 PC/104總線轉化器流程圖Fig.2 Flowchart of PC/104 bus converter

2.2 接口硬件設計

主板PC/104總線寬度為8位，而連接PC/104的數據總線可以為8位或者16位操作，設置成8位總線寬度將有利于PC/104和ARM總線的同步，并且可以降低CPLD邏輯設計的復雜度。ARM和PC/104接口的轉化電路[6]設計框圖如圖3所示。

圖3 ARM和PC/104總線接口電路Fig.3 Circuit of the interface between ARM and PC/104 bus

在硬件方面，ARM微處理器采用Atmel公司的工業級芯片AT91RM9200。該芯片具有豐富的應用外設及標準的接口，最高工作頻率可以達到200 MHz，具有低功耗、低成本和高性能的特點。CPLD采用了XILINX公司的XC95288XL芯片。該芯片擁有大量的I/O接口，可以滿足本設計需要。ARM芯片具有數據線、地址線等控制線信號和若干個外部中斷信號。中斷信號線的主要作用是當CPLD接收到主板總線命令時，根據總線操作類型觸發ARM相應的中斷信號，可用于通知ARM進行數據的讀寫。NCS4信號引腳為ARM靜態存儲器片選信號，CPLD根據該引腳信號判斷是否為ARM與PC/104總線之間的操作。若干個PIO口連接到CPLD的I/O口上，可用于查詢CPLD工作狀態。

在電氣特性方面，ARM、CPLD和PC/104存在一些差異。CPLD的標準輸入電平可以兼容TTL和LVTTL電平，輸出電平為LVTTL電平;PC/104總線為TTL電平，雖然CPLD可以直接與TTL電平的PC/104總線相連，但可能因電氣特性、信號完整性方面的原因，導致系統的可靠性下降，故在此采用緩沖器進行兩種電平間的轉換，以確保信號轉化的可靠性。

3 雙CAN總線冗余設計

CAN總線雖然具有抗干擾能力強、檢錯能力好等優點，但在實際使用中，CAN總線會出現總線故障，從而降低系統的可靠性。通過分析控制系統的冗余策略和實現方法[7]，對ROV控制系統通信進行了雙CAN總線冗余設計。目前，CAN總線冗余方法主要有以下幾種[8－9]。

①CAN總線驅動器的冗余。該冗余的基本思路是使用兩條總線，并在每個節點使用兩個CAN收發器和一個CAN控制器;在兩個收發器和控制器之間設計一個切換電路。正常情況下，只有一個收發器處于工作狀態。當收發器工作不正常時，可經過切換電路自動切換到另一個CAN收發器。

②CAN總線控制器的冗余。該冗余的基本思路是使用兩套完全不同的總線、收發器和總線控制器，處理器通過不同的端口中斷和連接總線控制器。

③全系統的冗余。該冗余的基本思路是對整個CAN總線系統進行冗余，即使用兩套完全相同的CAN總線、收發器、總線控制器和處理器。

第一種冗余方法存在一個硬件判斷電路，當繼電器進行雙CAN切換時，不能保證切換成功;第二種方法硬件實現簡單，而且可靠性高;第三種方法系統成本高，而且復雜。

3.1 雙CAN總線系統

本文設計的雙CAN總線冗余策略采用兩套總線，由兩個CAN收發器和兩個CAN控制器實現。控制器采用SJA1000，它是PHILIPS半導體PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代產品，而且增加了一種新的工作模式PeliCAN，能夠支持具有很多新特性的CAN2.0B協議。

為了提高板卡負載能力和抗干擾能力，適應復雜環境分布式控制要求，本設計方案選用PCA82C250作為板卡總線收發器，在PCA82C250和SJA1000之間使用HCPL0603高速光耦進行電流隔離。該高速光耦的延時時間短，可以滿足速度要求。在PCA82C250收發器和HCPL0603光耦之間采用B0505S-1W的DC/DC隔離電源芯片作為供電電源。在CAN總線上連接終端電阻，并在總線上設計限流電阻和濾波電容，以提高系統的抗干擾能力。雙CAN總線系統框圖如圖4所示[10－11]。

圖4 雙CAN總線系統框圖Fig.4 System diagram of dual CAN bus

SJA1000控制器的總線接口采用數據/地址復用方式，AT91RM9200外部總線不能直接連接SJA1000，而是需要對這兩種總線進行轉化，在此采用CPLD實現總線間的時序轉化。ARM芯片的數據線、地址線、讀/寫控制信號、NCS5片選信號和兩個外部中斷信號線連接CPLD的I/O接口。其中，NCS5為ARM靜態存儲器片選信號，用于兩路CAN資源地址空間的分配;兩個中斷信號引腳用于兩路CAN資源中斷。ARM總線信號經CPLD時序轉化，產生SJA1000所需要的地址、數據、讀/寫、片選、模式選擇和ALE信號等。

3.2 CAN總線冗余切換設計

雙CAN總線冗余的實現主要需要解決故障的檢測認定、CAN總線的重啟和總線的自動切換等問題。

在正常工作情況下，系統初始化兩路CAN總線：其中一路CAN總線正常運行，另一路CAN總線處于備用狀態。ROV通信系統的CAN總線任務主節點以60 ms為周期給分節點發送查詢命令。主節點和分節點之間采用應答形式，即分節點只有在接收到主節點發送的查詢命令后，才開始通過CAN總線往主節點發送數據包。分節點CAN總線采用雙屏蔽方式，主節點不屏蔽接收所有CAN總線數據包。系統運行后，主節點向分節點發送同步信號，直到建立同步。CAN總線故障檢測方法是采用主節點和分節點分別檢測CAN總線的接收任務狀態。

主節點CAN總線冗余流程圖如圖5所示。

圖5 主節點CAN總線冗余流程圖Fig.5 Flowchart of main node CAN bus redundant

分節點流程圖與主節點類似，只是沒有查詢總線切換請求，在總線出現故障時，增加了給主節點發送總線切換請求。

下面分兩種情況對CAN總線自動切換進行具體設計。

①主節點CAN總線接收任務超時

主節點發送完查詢命令后，監視CAN數據接收，并將超時時間設定為600 ms。如果分節點沒有在設定的時間內返回CAN數據包，就認定CAN總線出現故障，關閉CAN總線，重啟并置重啟標志。重啟后如果故障仍沒有消除，標記錯誤總線，并向分節點發送CAN總線切換命令，關閉出現故障的CAN總線，所有節點同時開啟備用CAN總線接收中斷，備用總線等待建立同步。當CAN接收沒有超時，則在CAN接收中斷中查詢是否有總線切換申請。如果沒有，表示運行正常;如果有，則說明某個分節點總線出現故障，標記錯誤總線，并發送總線切換命令，同時關閉出現故障的CAN總線，所有節點開啟備用CAN總線接收中斷，備用總線等待建立同步。

②分節點CAN總線接收任務超時

超時時間設定為600 ms，即在這段時間內沒有收到主節點CAN總線的查詢命令即關閉并重啟CAN總線。重啟后如果故障沒有解決，標記錯誤總線，并向主節點發送切換請求，同時，切換備用CAN總線，開啟中斷接收，關閉故障總線，等待建立新的同步。

本設計方案已在實際的ROV通信系統中進行了相關的測試。通信板卡使用VxWorks實時操作系統，通信系統主控單元每隔20 ms輪流給分節點發送CAN總線訪問指令，通信周期為60 ms。調試結果顯示，板卡CAN總線通信效果良好，CAN總線發送任務和中斷處理任務運行正常，具有一定的規律性。

4 結束語

針對ROV通信系統，本文設計了以ARM處理器為核心、基于雙CAN總線冗余的PC/104通信擴展板。這種設計可以減輕ROV通信系統主板控制器的負擔，簡化主板對通信擴展板驅動開發的復雜性;同時在外部設備多且傳輸數據量大的應用場合，保證了系統的性能。雙CAN總線的冗余設計使得當系統單路CAN總線出現故障時，能夠在不需要干預的情況下實現總線的自動切換，提高了系統的穩定性和可靠性。

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