艦載設備CAN總線可靠性研究

孫 超，金仁波

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著我國綜合國力的不斷提升，艦載武器裝備的品種不斷增多，功能不斷加強。而設備的智能化管理，需要顯控設備與各個分設備通訊，時刻獲取其相應的工作狀態(tài)，做到一主多從或多主多從的點對點通訊方式。

CAN是Controller Area Network的縮寫(以下簡稱CAN)，是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議，已廣泛應用于工業(yè)自動化、醫(yī)療設備、船舶等領域。它是有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的一種通訊網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)多個設備的交互式管理。CAN通信具有以下優(yōu)點[1]：多主控制、消息的發(fā)送、系統(tǒng)的柔軟性、通信速度、遠程數(shù)據(jù)請求、錯誤的檢測、通知、恢復功能、故障封閉以及可連接多個單元。CAN總線任意2個的最大傳輸距離為10 km(傳輸速率5 kbps)，最大的傳輸速率為1 Mbps(總線長度少于40 m)。CAN采用的逐位總裁機制能強制處理總線上的錯誤，避免整個網(wǎng)絡崩潰。

CAN通訊的多種優(yōu)點適用于艦船上復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)。然而，艦載武器裝備的整體結(jié)構(gòu)復雜，用電設備繁多，電磁環(huán)境惡劣，通訊過程中難以避免信號的干擾、延遲、抖動等問題，對通訊方式的穩(wěn)定性、可靠性提出了新的要求。

本文對CAN通信的可靠性理論進行研究，對提高艦船CAN總線通信可靠性具有重要意義。

1 CAN的可靠性定義

產(chǎn)品的可靠性是指在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，可以通過故障概率密度函數(shù)、可靠度函數(shù)、平均壽命[2]等不同的方式進行描述。

CAN總線通信的可靠性，主要為傳輸可靠性。它的定義為在規(guī)定時間完成一次完整報文傳輸?shù)哪芰3]。

阻塞時間Tb，指的是節(jié)點欲向網(wǎng)絡上發(fā)送一個報文，直到報文完整發(fā)送到網(wǎng)絡上為止所需的等待時間；軟件抖動時間Tm，指的是受現(xiàn)場相關(guān)影響因素造成軟件的執(zhí)行延時時間；截止時間Td，是指傳送一次完整報文的時間；設報文一次性成功發(fā)送至網(wǎng)絡所需的時間為Tframe。CAN報文在傳輸過程中，受各種因素影響，會出現(xiàn)傳輸阻塞、軟件抖動等情況，若滿足Tframe+Tb+Tm-Td≤0,則表明一幀報文已成功傳輸。報文的可靠度可以定義為該報文截止期內(nèi)發(fā)送成功的概率，可以用R表示，其數(shù)學定義為：

(1)

式中：fx(X)表示隨機向量X=(X1,X2,…,Xn)的聯(lián)合概率密度函數(shù)；g(X)表示狀態(tài)函數(shù)，表征傳輸過程中的成功與失敗2種狀態(tài)，即：

(2)

(3)

(4)

(5)

取g(X)的均值與方差：

(6)

(7)

由此可靠性指標為：

(8)

由以上可得可靠度R為：

R=Φ(β)

(9)

式中：Φ(β)為一標準正態(tài)分布函數(shù)。

2 可靠性的影響因素

硬件因素、軟件因素和外部因素是影響總線通信可靠性的主要因素。硬件因素，主要包括總線中硬件電路設計、電子元器件壽命等；軟件因素，主要包括軟件復雜度、軟件設計、開發(fā)軟件等。

外部因素是影響CAN總線通信的主要因素[2]。第一，CAN總線的通訊帶寬。當數(shù)據(jù)量達到網(wǎng)絡的預定帶寬時，會發(fā)生通訊延遲、丟失，降低CAN的實時性。當進行二次傳輸時，占用總線時間將增加，丟失其控制優(yōu)勢。第二，CAN總線外部節(jié)點故障。節(jié)點的掉電及接地故障均能自動脫離總線，不影響總線通訊，但會失去該節(jié)點的控制及監(jiān)測。第三，CAN總線的短路、斷路。CAN的短路會影響CAN的差分電平，總線將無法正常工作；斷路，會使得斷路節(jié)點以外的所有節(jié)點脫離總線，影響實時通訊。第四，復雜的電磁環(huán)境。艦船內(nèi)有多個設備，每個設備均由多種分設備組成，其中不免有大功率電源、雷達天線、高壓線纜等設備之間的輻射干擾、傳導干擾，以及磁暴、雷電等自然干擾。惡劣的電磁環(huán)境，可能對CAN總線通訊產(chǎn)生位翻轉(zhuǎn)、循環(huán)冗余校驗(CRC)錯誤等影響，使整個系統(tǒng)傳輸能力下降，可靠性降低。

3 提高CAN通信可靠性的方法

在無法改變周邊電磁干擾環(huán)境的情況下，提高CAN通信的可靠性主要依靠硬件設計及軟件設計。硬件設計主要包括硬件設備的冗余設計和保護設計；軟件設計主要包括CAN通信的算法設計。

3.1 硬件設計

(1) CAN的冗余設計

CAN總線冗余設計[4-5]：CAN通信總線上共有2條通信線纜，總線上每個節(jié)點的設計均采用2個驅(qū)動器和1個控制器或者2個驅(qū)動器和2個控制器。每個節(jié)點在進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，微控制器(MCU)將數(shù)據(jù)通過2個驅(qū)動器同時發(fā)送給2條CAN線路；當進行數(shù)據(jù)接收時，總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送給2個驅(qū)動器，驅(qū)動器在進行數(shù)據(jù)處理后，送入MCU。或每個節(jié)點有2個驅(qū)動器及2個控制器，同時通過2條CAN線路收發(fā)，到中央控制器處理。當2條線路均正常，選取主條線路收發(fā)即可；當主通訊線路發(fā)生故障時，切換備用線路。其原理框圖如圖 1所示。

圖1 CAN冗余設計原理框圖

中央控制器在截止時間內(nèi)未收到主線路數(shù)據(jù)，則該通訊線路存在異常，可立即切換到備份線路查看通訊報文。該冗余設計可大大提高通信的可靠性。

(2) CAN的保護電路設計

CAN的保護電路設計，主要是針對雷擊、串擾等環(huán)境因素對通訊的影響。可以通過在CAN輸入輸出端加匹配電阻、共模電感及CAN保護器，起到通訊穩(wěn)定的作用，如圖 2所示。

圖2 CAN保護電路

3.2 軟件設計

軟件的設計優(yōu)化，在硬件設計基礎上，主要針對單個控制器、2個CAN驅(qū)動器的情況。其流程圖如圖 3所示。

圖3 軟件設計流程圖

該優(yōu)化算法能預先計算CAN總線網(wǎng)絡中的冗余路徑，當主路線發(fā)生故障時，可迅速對各個流量的備用路線進行部署，防止通信故障，提高可靠性。

該軟件的優(yōu)化算法設計如下：

首先，每個通訊節(jié)點將當前的連接狀態(tài)、鏈路負載等信息通過總線上報給中央控制器。

其次，根據(jù)流量的需求和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，中央控制器搜尋最優(yōu)路徑，對路徑長度、帶寬排序，配置各個通訊節(jié)點，達到最優(yōu)狀態(tài)。

最后，某個通訊節(jié)點故障，及時上報中央處理器，中央處理器經(jīng)過接收報文并處理，判斷確實故障時，立即切換到備份線路。

此優(yōu)化的配置算法，當節(jié)點故障時，能及時切換備用線路，避免了通訊阻塞、故障恢復時間，對艦載設備通訊的實時性和可靠性都起到了重要作用。

4 結(jié)束語

CAN總線是艦載設備應用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一，然而其可靠性易受電磁干擾、延遲等問題的影響。本文圍繞提高CAN通信可靠性進行論述，首先討論了CAN可靠性定義及可靠性影響因素，然后從硬件上提出了一種冗余設計架構(gòu)和保護電路，并從軟件上提出了一種基于硬件冗余路徑后流量配置算法，對提高艦載CAN通信網(wǎng)絡可靠性具有重要的指導和應用意義。