CAN總線在航空系統中的應用

李丹　涂剛

【摘要】進入21世紀以來，飛行器在軍事、民用和科學研究等方面得到了越來越多的應用，其功能越來越復雜，綜合化程度越來越高。本文在分析CAN總線航天應用的基礎上，從硬件原理設計、CPU與CAN總線接口實現以及CAN總線通信軟件設計等方面進行了論述。

【關鍵詞】CAN總線：航空系統：應用

【中圖分類號】V243.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0213-02

1、引言

CAN（Controller Area Network）一控制器局域網。它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線最早是由德國Bosch公司在80年代初為解決航空系統中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜、光導纖維，通信速率可達1M/s。CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層，數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充，數據塊編碼，循環冗余校驗，優先級判別等項工作。

2、CAN總線工作原理及其特點

2.1 CAN總線工作原理

當CAN總線上的一個節點發送數據時，它以報文形式廣播給網絡中所有節點。對每個節點來說，無論數據是否是發給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優先級，這種報文格式稱為面向內容的編址方案。在同一系統中標識符是唯一的，不存在有兩個站發送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

當一個站要向其它站發送數據時，該站的CPU將要發送的數據和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態；當它收到總線分配時，轉為發送報文狀態。CAN芯片將數據根據協議組織成一定的報文格式發出，這時網上的其它站處于接收狀態。每個處于接收狀態的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發給自己的，以確定是否接收它。

由于CAN總線是一種面向內容的編址方案，所以很容易建立高水準的控制系統并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而不必在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數據接收設備時，數據傳輸協議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數據時，可由網上獲得，而不必每個控制器都有自己獨立的傳感器。

2.2 CAN總線的特點

（1）具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點；（2）可靠的錯誤處理和檢錯機制；（3）具有優先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機局部網絡；（4）發送的信息遭到破壞后，可自動重發；（5）可根據報文的11）決定接收或屏蔽該報文；（6）節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；（7）采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中工作；（8）報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優先級信息。

3、CAN總線航天系統中應用分析

esa開展的CAN、1553b、spacewire技術研究表明以差分信號傳輸的高速串行總線用于星載設備之間的數據傳輸能保證通信的瞬時性，有助于降低星載設備的功耗，有利于獲得低噪聲、emi低、抗電磁干擾性強、信號不受電源開關狀態變化影響等優勢，具有良好的航天系統應用前景。

isoll898建議的CAN總線的物理電氣性能，能夠保證在總線發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。從協議分析，CAN總線的每個eeu具備錯誤檢測、標定和自檢的強有力措施。檢測錯誤包括“發送自檢、eye校驗、位填充和報文格式檢驗”。其錯誤檢測具有如下特性：（1）所有全局錯誤都可以檢測；（2）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。（3）報文中5個以內的隨機分布錯誤都可以被檢測到；（4）發送器的所有局部錯誤都可以被檢測；（5）報文中任何奇數個錯誤都可以被檢測得到；（6）報文中長度小于15的突發性錯誤都可以被檢測得到；

4、航空系統中的雙冗余容錯CAN總線設計

圖1描述了基于CAN的雙冗余總線結構。基于CAN總線的雙冗余系統通信總線的基本設計思想是在衛星各功能模塊之間布下兩條基于CAN的系統通信總線，即用兩套CAN總線控制模塊分別連接到總線bus0和busl上。正常情況下優先在一條總線上通信，這條總線出現故障時通過另一條進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的數據交換，大大提高了通信的可靠性。