基于DSP 和CAN 總線的多電機控制系統冗余設計

孫玉勝，薛賀杰

(鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，鄭州 450002)

0 引言

隨著工業的飛速發展，運動控制在工業生產中的作用舉足輕重。運動控制系統中，經常涉及多電機聯動控制，為了實現對多臺電機之間的分布式控制，必須建立一套可靠的數據通信系統。傳統的多電機間通信基于RS485 網絡或CAN 網絡，RS485 網絡的缺陷無須贅言，CAN 網絡也存在當網絡信息負載較大時容易出錯、排除永久性故障的能力較差的缺點，不能滿足對實時性和可靠性要求較高網絡的需求。另外CAN 總線的底層協議也未對通信系統的冗余性提出直接支持［1］，而且當所有電機節點同時向上位機發送報文時，由于CAN 總線位仲裁機制，數據會產生不確定延時甚至丟失。

因此，研究并實現具有總線分時調度機制的CAN總線冗余網絡，在多電機協調控制系統中具有極其重要的意義。本文就是針對如何提高基于CAN 總線的多電機協調控制系統的工作可靠性和實時性而提出的一種解決方案。

1 CAN 總線的冗余設計

為了提高整個系統的可靠性，人們總結出兩種有效的方案:一種是避錯，通過完美規劃和設計，避免產生錯誤和故障;另一種是容錯，當出現故障時，系統也能正常工作，且執行結果也不會因系統故障而產生差錯［2-3］。

冗余技術是在容錯思想的指導下發展起來的，在基于CAN 總線的底層網絡系統中，為了提高系統的可靠性，需對總線的各個部分進行冗余設計。冗余的基本形式有三總線冗余和二總線冗余，采用雙總線冗余的設計可使平均無故障時間的相對增加量比采用三總線冗余高，且經濟可行，所以采用雙總線冗余設計效率最高。

1.1 傳統的CAN 總線冗余方式

傳統的CAN 總線冗余為了降低成本一般采用驅動器冗余方式，如圖1 所示，即在控制節點上采取CPU+CAN 控制器+判斷電路+雙CAN 驅動器+雙總線的架構［4］。在發送報文時，通過兩個CAN 驅動器同時向兩條總線發送相同報文，兩總線均正常工作時，傳送的報文相同。在接收報文時，通過判斷電路選擇接收哪條總線上的數據，判斷電路對總線的選擇依據時間優先的原則。因為任何兩條相同總線的電氣特性總會存在一定差異，所以通過它們傳輸的報文之間存在一定的傳輸延遲，導致報文到達的時間有先有后。因此，根據“先到先得”的原則，先到達的報文經過判斷電路被CAN 控制器接收。如果兩條CAN 總線均無故障，那么總線上傳輸的報文都是相同的，因此選擇哪路總線收到的都是正確的報文。

圖1 傳統CAN 總線驅動器冗余方式邏輯圖

基于雙CAN 驅動器的冗余有一個很大的缺點就是過于依賴CAN 控制器，一旦控制器出現故障，則此控制節點將陷于癱瘓，而在嚴苛的工業現場中這種情況很容易出現。

1.2 新型CAN 總線冗余方式

為了克服基于雙CAN 驅動器冗余的固有缺陷，本文提出了基于雙CAN 控制器的冗余結構。每個控制節點采取F28335 控制單元+雙CAN 控制器+雙CAN驅動器+雙總線的基本架構，不僅能實現系統的冷、熱冗余切換，還能達到使CAN 總線網絡的各個環節相互備份的目的，這樣不僅能提高整個網絡傳輸數據的效率，同時也在很大程度上緩解了總線的信息負荷，有利于延長總線的壽命。

在多電機協調控制中，為了保證整個系統的可靠性和實時性，控制節點一般采用DSP 作為主控芯片，本文電機控制節點的設計正是基于TMS320F28335 的冗余架構。TMS320F28335 是TI 公司C2000 系列的最新產品，主頻高達150MHz，CPU 為浮點處理器，相比C2000 系列的其他芯片整體性能提升了兩倍以上。它除了擁有強大的數據處理能力，還含有EPWM 模塊、16 通道12 位ADC 模塊、ECAP 模塊、兩個ECAN 模塊等，每個增強型CAN 模塊內部含有32 個郵箱，且均支持CAN2.0A 和CAN2.0B 協議，為實現CAN 控制器冗余提供了堅實的基礎［5］。

利用F28335 內部含有的兩個增強型CAN 模塊，可組成基于雙余度CAN 通信接口的控制節點，如圖2所示。整個系統采用總線型拓撲結構，多個電機節點掛載到冗余總線A 和B 上，由一個上位機節點進行統一調度。上位機也采用雙冗余設計，一個上位機出現故障，控制權立即由另外一個上位機接管。

圖2 基于TMS320F28335 的雙余度CAN 總線拓撲結構

1.3 CAN 總線監控程序設計

1.3.1 主節點監控程序設計

如圖3 所示，CAN 總線網絡正常工作時，每隔1ms主節點發出查詢報文［6］，如果在限定的時間內未收到其他節點的應答報文或者應答報文不正確，則返回重新發送查詢報文，如果連續三次未收到其他節點的應答報文或者應答報文錯誤，那么主節點認為總線故障，發出故障報文通知網絡上能正常通信的節點切換至備用總線。切換到備用總線后，重新發送查詢報文，如果備用總線正常，CAN 網絡進行正常通信，如果不正常，發出報警信號。

圖3 主節點監控程序流程圖

1.3.2 從節點監控程序設計

圖4 從節點監控程序流程圖

如圖4 所示，從機每隔2ms 通過CAN 總線接收主機發出的查詢報文，需要應答時發出應答信號給主機。如果在限定時間內未收到查詢報文，或者收到故障報文，重新確認，如果連續三次未收到查詢報文或收到故障報文，則認為網絡故障，切換至備用總線。總線切換完成后，繼續接收查詢報文，如果正常，網絡進入正常工作狀態，否則發出報警信號。

2 CAN 總線的分時調度機制

2.1 時間觸發策略的基本原理

在分布式網絡中存在兩種不同的信息傳輸機制:時間觸發機制和事件觸發機制［7-8］。事件觸發機制指的是信息交換由外部事件的觸發而引起的，多個事件同時發生時會造成總線沖突，可能會丟失數據，這在強調實時性和可靠性的系統中是不能允許的。時間觸發機制中，系統負載獨立于外部事件發生的數目，負載高峰期和正常時間段內的信息傳輸延遲是相同的，因而可提高信息傳輸的確定性。時間觸發機制的關鍵是保證系統中所有節點的時鐘完全同步，因為隨著時間的推移每個從節點的時鐘會不可避免的產生一定的漂移，必須把時間漂移控制在一個基本周期內才能達到要求。為了解決這個問題，本文在傳統分時調度的基礎上引入了基準信息的概念。

基準信息包含時鐘同步信息，以用來校正每個節點的本地時鐘;同時包含系統所必須的控制信息，用來確定由此信息所觸發的某個基本周期允許發送的節點和時間片。基準信息由上位機發出，各從節點在接收到此信息之后，首先校正自己的本地時鐘，使之與主機同步，同時查詢該信息中是否包含本節點的時間片，這樣就能保證所有節點在規定的時間片內按時發送自己的信息。

該調度方式可通過合理的調度算法將一個基本周期分成各個時間窗，各節點根據分配好的總線時間，在特定時間段內完成特定的任務。這樣可以避免同一瞬間多個報文參與總線仲裁的情況，減少了周期性報文間的沖突，能夠有效的改善系統性能。

2.2 調度方法

在多電機協調控制中，主機中的調度器通過調度算法來配置各個節點的發送時間，主要有以下兩種調度算法。

靜態調度方法:各節點的發送順序都是事先離線設計的，在系統初始化時，離線生成調度表，在系統運行時，按照此表規定的順序發送信息。靜態調度的優點是簡單、容易實現、占用系統資源少，缺點是系統靈活性小，一旦產生調度表，系統運行時就無法改變，如果要改變，必須讓系統停止運行。

動態調度方法:按照系統動態需求，在系統運行時動態生成調度表，這樣如果系統需求發生改變，可以立即生成新的調度表，無需重新運行系統。此法占用系統資源大，加大了系統開銷，優點是靈活性較大。

所以在本文設計中采用基于動態調度方法的總線分時調度機制。在該調度機制中，最多只有兩個節點的突發報文通過仲裁進行傳輸，有效減少了總線上同一時刻競爭的報文數，降低了丟失報文的風險。上位機以10ms 為周期發送基準信息報文，所有節點以此報文作為其基本周期的開始。各節點的反饋報文和控制報文在基本周期中均被分配有相應的時間片，報文在各自的時間片內傳輸，互不干擾。出現突發故障報文時，節點立即發送此報文，第一時間內向上位機傳輸［9］，見表1。

表1 報文類型及優先級

3 新型E2PROM 關鍵數據保存模塊

在惡劣的工業現場中，因為各種突發原因，控制節點會出現嚴重故障，這時就需要類似于“黑匣子”的ROM 設備來儲存關鍵數據，以備查找故障原因。

傳統的數據保存模塊采用E2PROM 或FLASH，其擦寫速度受到限制，檢測到的數據不能實時寫入其中，只能先存儲外擴SRAM 中，經過一定的時間或檢測到掉電后，再把數據寫入EEPROM 或FLASH。而在嚴苛的工業現場，由于某些原因，整個控制節點都會處于掉電狀態，使得節點中傳統的ROM 模塊來不及保存數據，極易造成數據丟失。

圖5 DSP 與鐵電存儲器連接示意圖

本系統選用新型的鐵電存儲器代替傳統的E-2PROM 或FLASH，它是Ramtran 公司新推出一種非易失性存儲器，簡稱為FRAM。與傳統的ROM 相比，它具有無需寫入時間、讀寫次數無限的優點，因此具有E2PROM 與RAM 的雙重特性，而且價格相對低廉［10］。為了跟控制節點中的DSP 電平匹配，本系統采用3.3V供電(靜態工作電流1μA)的FM25CL64，它能儲存64K位的數據，寫操作僅需幾百納秒，下一周期可以立即開始而無需進行輪詢。DSP 與FM25CL64 通過SPI 總線進行相連，電路圖如圖5 所示。

4 結束語

綜上所述，本文介紹了一種新型的基于TMS320 F28335 的CAN 總線冗余方式，提出了基于動態調度方法的總線分時調度機制，并給控制節點設計了新型的掉電數據保存模塊。經試驗，該系統實際運行狀況良好，提高了總線網絡傳送信息的效率，緩解了總線負荷，又能大幅延長總線壽命。因此對于基于CAN 總線設計的多電機協調控制的研究很有經濟和使用價值，具有較好的發展前景。

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