基于COTS的航天器CAN總線測試方案

李宏亮 譚征

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

控制器局域網(CAN)總線簡稱CAN總線,是一種串行通信協議總線,因其高可靠性、較低成本、高靈活性等特點被廣泛應用于包括工業控制、機械制造、航空航天等工業領域[1-3]。近年來,隨著微小航天器應用需求的不斷攀升,為兼顧航天器數據通信需求和總體成本,越來越多的航天器選擇使用CAN總線作為星載總線通信方案。

航天器CAN總線測試實現方法種類繁多,在硬件架構層面,基于現場可編程門陣列(FPGA)的總線通信方法被用于進行衛星CAN總線數據傳輸及星上運動機構、電源控制器等單機或部件的調試測試[4-6];基于單片機芯片模擬CAN總線通信節點功能,并用于小衛星CAN總線通信測試驗證[7];利用嵌入式虛擬軟件測試平臺模擬CAN總線接口功能,也被用于航天器CAN總線性能測試[8]。某衛星微振動測量系統CAN總線測試中,通過數字信號處理(DSP)驅動CAN總線控制器芯片進行星地總線接口測試[9]。然而,上述測試方案的實現或依賴于高度定制化的工業機箱,或僅利用接口電路板進行接口調試,均無法勝任航天器密集綜合電性能測試對測試設備集成度、可靠性、低成本的復合要求。由于國際標準化組織在ISO 11898-1標準[10]中僅規定了CAN總線物理層和數據鏈路層協議格式,對應用層數據格式并未作詳細規定,各行業CAN總線測試軟件對總線應用層數據格式的設計通常僅適用于自身特定工作任務,復用性較差;此外,航天器星務管理系統對節點間總線數據的輪詢-應答實時性也有明確限制,須軟硬件具備完善的適配性優化設計。

為解決上述問題,本文提出一種基于商用貨架產品(COTS)CAN總線硬件模塊和配合支持應用層數據格式動態配置的CAN總線測試軟件,完成航天器CAN總線系統級測試的方案,該方案具有成本低、通用性好、設備規模小、測試接口易于與航天器綜合測試系統集成等特點,可有效支持航天器CAN總線系統級測試實施。

1 航天器CAN總線架構及測試需求

航天器CAN總線網絡通常采用雙冗余總線網絡結構,如圖1所示,包括A、B兩條總線,二者互為備份。每條總線均為雙絞線,兩條導線分別標識為CAN-H和CAN-L,數據信號在總線上傳輸時為差分信號,使CAN總線具有較強的抗干擾能力。為消除信號在總線末端反射帶來的電壓變化,每條總線兩端均配置一個終端匹配電阻。各網絡通信節點同時連接在A、B兩條總線上,在任一時刻,主節點選擇使用兩條總線中的一條與從節點通信,從節點應答主節點使用的總線與主節點發送數據使用的總線保持一致。

圖1 航天器CAN總線網絡結構

航天器CAN總線是器上星務數據管理分系統進行星內、星間總線數據通信的物理基礎,承擔著總線數據傳輸的重要任務。航天器CAN總線功能、性能測試是整器綜合電性能測試的重要內容之一。綜合當前主流航天器平臺任務類型,航天器CAN總線測試需求主要包括以下幾方面。

(1)通信節點模擬。為驗證航天器CAN總線設計,需要總線測試設備具備總線通信節點模擬能力。CAN總線通信節點的物理層和數據鏈路層功能由硬件模塊實現,該部分功能雖有不同實現方式,但具有高度通用性,因此通常通過應用層數據協議的差異性作為CAN總線通信節點的區分方式。CAN總線測試設備需要具備對不同CAN總線應用層協議設計的適應性,通過靈活可調節的協議字段自定義配置能力,滿足不同航天器的總線通信協議需求。

(2)總線數據處理。航天器總線測試設備是整器綜合測試設備的一部分,除了面向航天器CAN總線實現必要的節點模擬功能外,另一重要作用是作為數據處理前端,對測試中獲取的總線數據進行分析、處理,使之滿足測試過程中的數據收發、數據查詢、遙測解析、源碼存儲等測試需求。以遙測解析需求為例,由于CAN總線數據幀的數據域長度為8byte,當航天器遙測數據通過器地CAN總線接口下傳時,整幀遙測數據(幀長通常遠大于8byte)會分解到數個至數十個CAN總線數據幀中;為了滿足綜合測試總控數據服務的相關要求,需要總線測試設備具備與綜合測試總控設備通信及總線數據解析、遙測拼幀、遙測數據轉發、源碼存儲等諸多功能。為了滿足在不具備整器加電的條件下可以實施相關測試設備調試的需求,CAN總線測試設備還需具備總線數據回放、數據格式自定義等功能。當總線測試設備作為主節點時,需按照規定的時間間隔向總線發出廣播數據、輪詢數據等,并可設置數據接收超時閾值,當發出需要從節點應答的數據后,在設定時間內準確接收從節點應答數據,如在設定的超時閾值內未正常收到應答數據,可自主進行通信過程處置;當作為從節點時,需按照規定的應答時間以規定數據格式正確應答主節點數據。

(3)總線數據監視及過濾。在航天器測試中實時獲取當前工作總線上各節點通信數據,具備數據源碼查詢、存儲等基本能力。為了區分星務總線數據中不同應用數據類型,通常將CAN總線數據幀中仲裁域部分進行自定義,常見的定義類型包括數據優先級、通信地址、幀類型、信息標識、幀序列標識等。為了在系統級測試中達到理想的數據監視效果,需要測試方案具備根據總線數據仲裁域自定義類型、星務時間進行實時和非實時數據過濾功能,以便于快速定位分析所需的特定數據類型。需要注意的是仲裁域數據的類型定義方式是根據不同航天器的特定工程任務專門制定的,不同航天器的仲裁域數據子域定義方式可能完全不同,要求測試方案具備適應航天器總線數據應用層協議格式、自定義數據子域的能力。

2 CAN總線測試方案設計

2.1 CAN總線測試設備系統架構

CAN總線測試設備硬件采用COTS CAN總線模塊產品,已被封裝為集成化、小型化工業設備盒,便于通過耳片、支架等配件上架集成。采用標準220V供電接口,無需專用直流電源供電。對外信息接口包括RJ45標準以太網接口和DB9串口,其中以太網接口用于硬件與上位機軟件通信,串口用于硬件通過總線測試電纜與航天器上CAN總線節點通信。硬件模塊集成了終端匹配電阻,可根據航天器上總線節點匹配電阻配置情況選擇是否啟用。

CAN總線測試軟件采用功能模塊方式設計,將軟件的核心功能分解為數個功能模塊,各模塊功能相對獨立。模塊間通過特定接口函數傳遞數據,保證各模塊功能封裝的完整性和安全性。軟件采用C++語言開發。

基于COTS的CAN總線測試設備架構如圖2所示。測試軟件共劃分為6個功能模塊,具體如下。

注:圖中TCP/IP為傳輸控制協議/網際協議。

(1)設備管理模塊,負責軟件與硬件模塊的通信,通過以太網接口控制硬件模塊中的總線接口開關、初始化、復位、數據接收、數據發送等,并向軟件傳遞硬件模塊的運行狀態信息。

(2)配置管理模塊,通過配置文件方式管理軟件的全部配置項,包括總控MTP通信相關配置、狀態參數匯報相關配置、總線應用層協議字段相關配置、數據存儲轉發相關配置等。配置項動態管理是實現CAN總線測試設備適配不同航天器、不同應用層總線協議格式的核心。

(3)網絡通信模塊,負責軟件的對外網絡接口實現,建立與總控MTP、測試前端管理軟件的網絡連接,接收測試前端管理軟件發出的控制命令并向其匯報自身狀態參數;接收總控MTP發出的控制命令并向其轉發處理后的總線數據,用于數據實時解析、顯示、源碼入庫等測試服務。

(4)數據存儲模塊,負責對軟件接收、產生的全部數據源碼進行分類實時存儲,按照工作總線、接收/發送、轉發MTP等類別進行分類。

(5)顯示/操作模塊,實現總線測試軟件的人機輸入/輸出交互界面,顯示軟件自身運行狀態、數據收發情況、硬件模塊狀態等信息,對測試人員的操作進行響應。

(6)數據處理模塊,是總線測試軟件的核心功能模塊。根據配置管理模塊輸入的配置信息,接收總線數據幀,完成數據識別、解析、數據重組;發送總線數據幀,根據總線應用層協議及配置信息,對接收到的特定總線數據按照協議規定格式進行應答。

CAN總線測試軟件的對外信息交互接口為兩個標準以太網接口,分別是與硬件模塊的通信接口(圖2中的網絡接口A)和與總控主測試處理機(MTP)通信接口(圖2中的網絡接口B)。兩個接口均采用TCP/IP協議,均為服務器/客戶端模式。其中,網絡接口A中,硬件模塊為服務器端,CAN總線測試軟件為客戶端;網絡接口B中,CAN總線測試軟件為服務器端,MTP為客戶端。

2.2 CAN總線COTS產品選用

航天器CAN總線測試的實現基于CAN總線硬件終端及適配硬件,遵循航天器CAN總線通信應用層協議的測試軟件。總線硬件終端的核心單元是CAN總線控制器、總線控制芯片、總線驅動芯片,其性能直接決定了總線數據通信能力的高低。

CAN總線控制器的常見實現方式包括:CPU芯片控制器、基于FPGA的控制器、基于進階精簡指令集機器(ARM)架構微處理器的控制器等。工業界已形成較為成熟和全面的商用CAN總線測試產品線,為便于工業環境接口轉換,商用CAN總線測試產品常見的總線轉換接口包括:USB接口總線模塊,外設部件互連標準(PCI)接口總線模塊、高速外設部件互連標準(PCIe)接口總線模塊、串口接口轉總線模塊、以太網接口轉總線模塊、Wi-Fi接口轉總線模塊等。

綜合當前各類航天器產品的總體技術特點、整器研制周期和成本管控因素,航天器系統級測試對CAN總線測試設備的要求如下。

(1)支持各類型CAN總線協議,如標準CAN總線2.0A協議(標準幀格式)、CAN總線2.0B協議(支持擴展幀協議)、可變速率控制器局域網(CAN FD)協議(支持可變傳輸速率、支持更高數據負載)。

(2)支持總線數據格式自定義配置,以適應不同航天器總線應用層協議設計。

(3)支持總線數據快速處理,如某航天器CAN總線標準規定總線數據應答轉換時間(主節點發送數據結束到從節點開始發送數據的時間間隔)不大于3ms,這對于測試設備數據實時性響應提出了很高的要求。

(4)設備魯棒性高,需要測試設備對總線過載、阻塞等非常規情況具有較強的適應性和容錯性,在總線通信異常后可通過復位、初始化等手段快速恢復正常工作狀態。

(5)設備成本低,硬件接口豐富,軟件可擴展性好。

結合以上設備需求,本文所述方案選擇CAN總線COTS,主要有幾項關鍵因素:一是轉發延時盡可能小;二是具備便捷完備的二次開發接口;三是價格盡量低廉。第一方面主要從完成工程任務的技術角度考慮,第二、三方面主要從控制研制成本考慮(自研軟件+采購費用低)。

從市面上可調研到的CAN總線模塊產品來看,大部分產品均為USB轉CAN產品,該類產品經過前期測試,已證明受限于USB總線傳輸速率,產品自身時延約為16～20ms,無法滿足工程需求;從工程實踐出發,選用以太網接口產品是接入綜合測試系統的最佳接口。

GCAN-202[11]是可調研到的一款以太網轉CAN總線產品,該產品可查詢到的轉發時延小于5ms,僅支持12V或24V直流供電,同時未提供明確的二次開發接口,難以滿足工程需求;GY8505、GY8506系列以太網轉CAN總線適配器[12]狀態與GCAN-202類似,同樣不支持工程需求。

在充分調研市場主流商用CAN總線模塊產品后,本文提出的總線測試方案選擇CANFDNET系列[13]以太網轉CAN總線硬件模塊(簡稱硬件模塊)作為測試硬件設備,該產品具有較高性能的工業級數據轉換能力,總線控制器采用FPGA架構,數據轉發延時可低于2ms;同時將總線接口轉換為標準以太網接口,便于設備以網絡方式與航天器綜合測試系統集成;該產品還提供豐富的接口函數庫,便于使用人員進行二次開發。因此,綜合技術、成本、接口等各方面因素,本文所選致遠電子CAN轉以太網產品是最優選擇。

2.3 CAN總線測試軟件設計

硬件模塊作為總線通信物理終端,主要負責CAN總線網絡中物理層和數據鏈路層通信。CAN總線測試軟件則承擔著CAN總線應用層功能的實現,是總線數據處理、協議格式轉換、數據輪詢應答、工作模式切換等應用任務的實現載體。

下文對總線測試軟件中涉及通信節點模擬、總線數據處理、總線數據監視及過濾的3個關鍵功能實現方法進行介紹。

2.3.1 協議字段配置

應用層協議字段配置功能是實現CAN總線測試軟件型號復用、協議格式動態配置的關鍵功能。協議字段配置本質上是對鏈路層數據幀格式中的仲裁域(由11位或29位標識符位和1位運程位組成)和控制域(由1位標識符擴展位、1位保留位、4位數據長度位組成)數據位按需進行配置管理。

CAN總線數據幀根據CAN總線協議有2種幀格式,即標準幀和擴展幀,分別具有11位仲裁域標識符和29位仲裁域標識符。本文所述測試軟件按照支持擴展幀格式設計,可兼容標準幀數據格式。

不同航天器由于總體設計方面的原因,對總線數據幀仲裁域標識符位的用途劃分具有很大的差異性,且各個型號的總線業務數據的種類和數量各不相同,CAN總線測試軟件設計時無法預設固定格式滿足不同型號需求。為解決這一問題,本文所述軟件通過動態二維數組進行數據位管理。

假設某航天器須進行標識符配置的總線數據類型數量為M。在軟件初始化過程中,將動態創建一個如圖3所示的大小為M×29的二維字符串指針數組,數組的第二維大小為仲裁域擴展幀標識符位數。數組的第一維實際上是一組數量為M的指針,分別指向一塊大小為29bit的內存塊,用于存儲當前編號對應總線數據幀的仲裁域標識符。軟件配置文件中的數據標識符配置格式為IDX1_X2,其中X1、X2可分別取值自0～28的整數,用于標記標識符位置。擴展幀使用完整內存塊,高位在前,低位在后存儲;標準幀使用分配內存塊的低11位,即18～28位存儲標識符,第0～17字符置0。

圖3 CAN總線幀仲裁域標識符位動態內存分配

2.3.2 快速輪詢應答

輪詢和應答是CAN總線通信中的兩個重要過程。當總線上的主節點向指定從節點發出輪詢數據后,從節點需在規定時間內向主節點發出符合衛星總線通信協議要求的應答數據。應答過程主要由兩部分組成:應用層涉及輪詢數據接收、輪詢數據判別、應答數據組幀、應答數據發送等環節,主要由CAN總線測試軟件完成;數據鏈路層和物理層要將處理完成的總線數據幀組成符合CAN總線協議的數據鏈路幀,并通過物理信道進行收發,這部分工作主要由硬件模塊完成。二者共同配合實現一次數據輪詢-應答過程。假設硬件模塊完成一次數據接收和發送的時間(簡稱硬處理時間)為t1,CAN總線測試軟件完成一次輪詢-應答過程對應數據處理的時間(簡稱軟處理時間)為t2,則完成一次輪詢-應答過程的總時間為t1+t2。

由于航天器星務管理計算機需要處理大量數據,為了保證數據處理實時性,航天器CAN總線通信協議通常約定在主節點發出輪詢數據后,從節點應在2～3ms內向主節點回復應答數據,否則將該次通信視為超時。這一實時性要求,對于運行在以消息響應為底層調度機制的非實時性操作系統上的應用軟件來說,并不容易實現。

本文所述CAN總線測試方案選擇的硬件模塊,標稱單次數據收發時延小于2ms;將硬件模塊兩路總線通道進行自環回,并通過廠商配套上位機軟件數據時標比對,實測該時延約為1.928ms,即硬件時間t1為1.928ms。該時間已接近航天器CAN總線協議規定的輪詢-應答時間窗口,需要測試軟件對軟處理時間t2進行充分優化,以保證單次輪詢-應答過程的實時性滿足要求。

以某航天器對外總線接口測試任務為例,器上星務計算機作為總線主節點,向作為從節點的CAN總線測試軟件發出遙控數據輪詢幀,以檢查航天器對外總線接口工作狀態。當從節點有待發送的遙控數據時,在從節點收到輪詢幀后,發出生成的遙控數據;當從節點無待發送的遙控數據時,在從節點收到輪詢幀后,發出固定格式的無遙控應答數據。CAN總線測試軟件對上述數據輪詢-應答過程的處理流程如圖4所示。

圖4 CAN總線測試軟件輪詢-應答處理流程

假設該航天器發出遙控輪詢數據幀的周期是500ms。在該周期內,主節點有且僅有一次發出輪詢數據,測試軟件為保證不遺漏接收數據,將輪詢-應答過程的處理放置于一個獨立運行的線程中,循環調用數據接收函數進行數據接收操作。在單次循環中,如收到數據,以盡可能快的速度完成數據處理,發出數據,進入下次循環;如未收到數據,直接退出當前循環,進入下次循環,再次調用數據接收函數。為避免出現線程反復進出循環,導致軟件大量占用計算機硬件資源的情況,在每次退出當前循環后,調用Sleep函數強制計算機CPU對該進程進行短時休眠,休眠時間參數設置為1ms。

一次數據輪詢周期中的大量無效循環大大降低了測試軟件的應答實時性,這是由于未對數據接收過程進行針對性判別導致。另外,操作系統的消息響應機制也難以保證將進程的單次休眠時間控制在毫秒量級。為此,通過分析軟件-輪詢應答過程的執行機制,進行以下3個方面優化。

(1)退出當前循環時,對本次循環中的接收數據計數、接收數據類型進行判別,當且僅當該次循環接收到有效數據且該數據是需要進行應答響應的遙控輪詢數據幀時,才進行進程休眠操作,以減少大量無效循環的休眠耗時。

(2)設置遙控輪詢應答幀接收次數統計,累計接收達到一定次數后,再進行進程休眠,進一步減少進程休眠耗時。

(3)啟動數據接收線程時,將數據接收線程的執行優先級設置為最高級別(THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL)。

針對流程優化前后的100次輪詢-應答時間進行統計對比,統計結果分別如圖5和圖6所示。可以發現,流程優化前,由于頻繁進程休眠且未對接收數據進行針對性判別,單次輪詢-應答時間表現出明顯的波動性,單次應答時間均值約為2.475ms,數據方差0.06161;流程優化后,單次輪詢-應答時間穩定性明顯增加,單次應答時間均值縮短為約2.006ms,數據方差0.01411,優化幅度明顯。

圖5 流程優化前輪詢-應答時間統計(樣本數100)

圖6 流程優化后輪詢-應答時間統計(樣本數100)

2.3.3 總線數據過濾

CAN總線測試軟件的另一重要功能是總線數據過濾。數據過濾條件通常根據當前衛星制定的總線數據格式指定。過濾條件設置字段除仲裁域的標識符位之外,還可以根據數據域內特定數據進行配置。過濾條件設置實現方法與軟件配置功能相同,采用動態分配的二維數組保存。

相比于數據處理過程,數據過濾過程中需要考慮的因素除數據格式外,為便于精細化檢查總線工作狀態或進行故障診斷,需要精確知曉某個具體時間范圍內的數據情況。

硬件模塊收到總線數據后,會在每幀總線數據后添加8byte時標信息,該時標由硬件模塊FPGA程序產生,精度可達到微秒級。然而,硬件模塊產生的數據時間是相對時,其時間零點是硬件模塊當次加電時刻,難以滿足測試中通過UTC時間進行數據過濾的要求,因此必須進行時間轉換。進行時間轉換的難點在于,硬件模塊總是先于測試軟件啟動的,總線測試軟件無法獲得模塊啟動的準確時刻。

為此,設計了如下時間轉換方案。

(1)軟件接收總線數據后會進行實時存儲,記錄收到第一幀數據的系統時間,并將該時間作為數據存儲文件的名稱。

(2)進行數據過濾時,讀取需要進行數據過濾的源碼文件,通過文件名稱獲取該文件生成時的系統時間Tfile_start,同時讀取該文件的第一幀數據對應的時間標識碼,獲取該幀數據的硬件模塊時標Tdelta;

(3)將硬件模塊時標Tdelta換算為協調世界時間(UTC)時刻;

(4)通過文件生成系統時刻Tfile_start與硬件模塊時標Tdelta的差值,計算得到硬件模塊啟動UTC時刻Tdevice_start;

(5)通過軟件過濾條件中的起始時刻Tstart、終止時刻Tstop,分別得到上述兩時刻相對硬件模塊啟動UTC時刻Tdevice_start的時間差值,比較數據幀時標與Tstart、Tstop、Tdevice_start的關系,得到期望時間段內的總線數據過濾結果。

3 應用效果

基于COTS的航天器CAN總線測試方案已成功應用于某型號航天器綜合測試。圖7展示了CAN總線測試軟件的運行界面。COTS硬件模塊通過總線電纜與被測航天器CAN總線測試接口連接,同時通過千兆以太網線與運行CAN總線測試軟件的計算機連接。該計算機接入綜合測試系統,總控主測試處理機(MTP)可通過設計的遠程控制命令控制硬件模塊開關、初始化、接口復位,也可控制總線測試軟件進行總線通道切換、數據類型選擇、測試接口選擇等。圖8展示的軟件中的總線監視窗口可以根據選擇的數據過濾條件和起止時間,進行實時數據過濾和歷史數據過濾。型號測試應用表明:該方案軟硬件協同運行實時性良好,數據通信無響應超時現象。

圖7 CAN總線測試軟件界面

圖8 CAN總線測試軟件數據幀過濾功能

硬件模塊和CAN總線測試軟件整體還作為被管理測試前端,接入航天器前端測試設備自動化管理系統[14],通過設計的程控命令和狀態參數,可以實現設備遠程自動化監控,支持航天器星地一體化自動化測試。

4 結束語

本文面向航天器CAN總線系統級測試,提出了一種基于COTS的通用化、低成本航天器CAN總線測試解決方案。該方案以COTS產品為硬件基礎,自主開發CAN總線測試軟件,并針對不同航天器CAN總線應用層數據格式差異、總線數據通信實時性優化、數據過濾時標轉換等方面問題,實現了總線數據應用層格式動態配置、數據快速輪詢應答、數據過濾時標精確轉換等關鍵功能,具有硬件設備規模小、軟件功能集成度高、適配自動化測試等特點,可為后續航天器CAN總線系統級測試的設計、實施提供參考。后續將開發CAN總線測試軟件對CAN FD協議靈活數據長度的兼容功能,以進一步提升本測試方案對航天器CAN總線測試的支持能力。