基于FPGA的CAN總線網絡故障檢測修復系統研究

韓 建 田博文 王春龍

(1.東北石油大學電子科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責任公司采油二廠電力維修大隊，黑龍江 大慶 163453)

CAN總線通信協議廣泛應用于汽車工業、航空工業及工廠自動化等領域，其優勢為實現簡單、布線方便和成本低[1]。但CAN總線的可靠性仍存在弊端，在通信中如果某個節點產生錯誤，那么整條總線的通信就會失敗。此外，CAN總線在錯誤產生時，不能為發送方及時找出產生故障的節點。因此，一個單一的CAN總線不能滿足嵌入式通信系統的安全需要。筆者提出了一種新型的基于現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的改進式CAN總線通信方法，它支持傳統的CAN接口，對CAN總線出現的各種故障做出正確檢測、分析和隔離，可以實現CAN總線網絡的安全和可靠。

1 CAN總線通信系統①

1.1 CAN總線通信弊端分析

CAN總線起初并非用于安全領域設備中，其通信弊端可以概括為以下幾個方面：

a. CAN總線通信系統具有一個較長且可變的傳輸延時，每個消息的傳輸延時取決于此時的網絡負載，不考慮全局時間時，這種延時會導致數據時域錯誤，而且引入了測量誤差；

b. CAN總線的仲裁方式限制了其吞吐量，信息的傳播延時要小于單位字節長度，因此在40m的傳輸線上其最大帶寬僅為1Mbit/s；

c. CAN總線非智能，在一個節點連續發送最高級別的信息時，會影響其他節點之間的通信；

d. CAN總線協議中不包含同步時鐘，如需要全局時鐘，則必須在主設備中調用；

e. 在通信出現錯誤時，系統會將消息重發，從而增加了時間延時；

f. CAN總線的故障恢復機制確保前、后狀態完全一致，如果消息的最后一幀的最后一位發生了錯誤，就會導致內容或排序的不一致。

1.2 基于FPGA的智能電子控制單元

為了解決CAN總線通信弊端，筆者設計了一種能在高標準、高需求的環境中應用的CAN總線控制單元?？刂茊卧訤PGA為核心，綜合了一套多處理系統芯片(Multi Processor System on a Chip，MPSoC)(圖1)[2]。

每個CAN接口系統都包含一個CPU處理器、一個本地存儲器和一個CAN控制器，所有節點都服從對應的CAN接口系統。CPU處理器采用定時器觸發的方式控制消息的單點或多點傳輸。此外控制單元還包含一個管理區，它負責診斷故障和分配任務。控制單元具體功能如下：

a. 控制信息的傳輸速率[3]。CAN總線數據包括11位基本標識符和29位擴展標識符，每兩個具有相同標識符的信息之間的時間間隔是隨機的。為了增強系統的對故障隔離能力，需要限制信息的傳輸速率。在指定標識符后，時間間隔若是超出范圍，消息將被自動丟棄。

圖1 基于FPGA的智能電子控制單元結構框圖

b. 多點傳輸。傳統的消息在總線上傳輸成功后，會發送到其他所有節點，為了克服這一局限性，本系統利用帶寬支持選擇性多點發送。

c. 標識符的驗證和翻譯?？刂破鳛槊總€節點配置有效的標識符，使故障節點的消息可以被保留，沒有指定標識符的消息，將被控制器自動丟棄。

d. 診斷與管理。該控制系統含有一個專用管理區，它能夠收集故障消息的時間、內容、標識和故障時間最大值、最小值。這些信息將被后續使用做進一步分析。在系統運行時，處理器可以隨時改變系統的配置，這包括添加或刪除有效標識符、時間間隔合法性的修改及控制多點傳輸等[4]。

1.3 CAN節點電路

本設計采用TJA1040T型號芯片實現CAN節點控制器與總線之間的連接[5]，其最高傳輸速率為1Mbit/s。信號的接收和發送均采用差分方式，符合ISO11898標準。休眠模式的功耗較低，可被遠程信號喚醒。

為了提高系統的抗干擾能力，在每路CAN節點信號端加入兩片高速光電耦合器HCPL-0600實現物理隔離。它適用于高速信號傳輸系統，并且驅動能力和抗干擾能力較強，耐壓高。CAN總線節點電路如圖2所示，圖2中CAN控制器信號CAN_Tx、CAN_Rx通過HCPL-0600耦合至TJA1040T芯片中，再轉化成總線差分信號。相反的，總線信號也可以通過芯片傳入CAN控制器中，形成雙向通信。

圖2 CAN總線節點電路

2 CAN總線故障隔離方法與實驗

2.1 CAN總線常見故障

CAN總線節點易產生的故障主要有[6]：

a. 若在主要節點或是總線上出現故障，則該故障信號會占主導地位，CAN區域將不會繼續通信(如果節點產生故障，那么該節點將不會與其他設備進行通信；如果總線出現故障，則所有節點都不能進行通信)。

b. 由于計數器等錯誤引起的總線死機/遺漏故障也是CAN總線最常見的故障之一，它會引起消息傳輸錯誤或者停止傳輸。

c. 如果最后一幀的末位出現非對稱性翻轉，那么總線上的節點會有一部分可以接收，而另一部分則需要進行重發。這樣,前一部分可以接收的節點就需要重復接收，導致消息的堵塞、遺漏，最終引起死機故障。

d. 在消息傳輸過程中標識符也會出現故障，致使該節點冒充其他節點，從而產生信息錯誤。

2.2 測試實驗與故障分析

圖3為CAN接口系統結構，接口控制系統采用了星型拓撲結構，它可將顯性故障和隱性故障停滯在CAN區域內，使故障節點中斷與其他節點的資源共享，不影響其他通信設備。系統以MPSoC為開發平臺，CPU由Nios II的軟核提供。整個系統隔離性能好，擴展性高，有更為廣的開發空間。本設計采用一個具有3個接口控制器的測試框架，分別連接3條獨立CAN總線，并根據預定的結構發送報文。通過對控制器進行設置，使系統收集故障信息、檢測每條獨立總線和儲存測試結果，并進行最后的分析。

圖3 CAN接口系統結構示意圖

圖4描繪了CAN總線數據的輸入、輸出信息，圖4a中設備使用自身的總線協議，在第一階段CAN3端口發送速率太慢，違反了最大時間間隔規定；第二階段CAN1、CAN2端口以恒定的速率發送，CAN3不斷增加報文的發送速率，在不經過CAN控制器前，數據速率會無限制上升，產生故障。圖4b中數據通過CAN總線控制器以后，信號速率被控制在合法范圍內，從而實現了故障隔離。

圖4 CAN總線控制器輸入、輸出信號速率分布

CAN接口系統會智能處理節點和總線上的故障，并且保證不影響其他節點設備。控制器將所有CAN接口進行分類：若在某個CAN區域內，節點發送的消息不被接口系統接收，則該節點必須重新發送；若此接口系統并非信息目的地，該接口將數據保持不變或將信息轉發給目的地接口；若總線上出現了短暫的故障，控制器將啟動重新傳輸，試圖得到最終正確信息。

3 結束語

討論了標準CAN總線性能的局限性，提出了一種新型的基于現場可編程門陣列多處理系統芯片的智能電子控制單元，該控制單元兼容CAN總線協議，通過對CAN總線網絡出現的故障進行實時檢測和分析，實現故障隔離，提高CAN總線網絡安全性和可靠性。該設計的創新之處在于將FPGA為核心的MPSoC系統應用于通信網絡中，使系統的性能大幅度提升，從而拓展了CAN總線的應用范圍。