1硬件平臺組成
STM32F105是STMicroelectronics公司推出的一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，其內(nèi)核是專門設計于滿足高性能、低功耗、實時應用的嵌入式領域的要求。由于采用Thumb-2指令集，與ARM7微控制器相比STM32運行速度最多可快35%且代碼最多節(jié)省45%。較高的主頻和代碼執(zhí)行效率使系統(tǒng)在進行CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)的同時仍可運行總線冗余算法。STM32F105微控制器內(nèi)部集成2路獨立的CAN控制器，控制器集成在芯片內(nèi)部，避免了總線外擴引入的干擾，同時簡化了電路設計、降低成本。
系統(tǒng)使用兩條完全獨立的CAN總線，兩個CAN總線收發(fā)器和總線控制器，實現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的全面冗余。在初始化時兩個控制器被同時激活，一個作為主CAN,另一個作為從CAN,為主控制器的備份。正常運作時，數(shù)據(jù)通過主CAN優(yōu)先發(fā)送；當主CAN總線繁忙時，從CAN總線分擔部分通信流量；而當主CAN總線發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)轉移至從CAN控制器傳輸，反之亦然。在任一總線發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)都能經(jīng)由另一條總線傳輸，而當兩條總線都正常時，使用兩總線同時傳輸，增加約1倍的通信帶寬，這樣在保證了通信可靠性的同時提高了實時性。
CAN總線接口電路設計如圖1所示，使用TJA1050作為總線收發(fā)器，它完成CAN控制器與物理總線之間的電平轉換和差動收發(fā)。盡管TJA1050本身具備一定的保護能力，但其與總線接口部分還是采用一定的安全和抗干擾措施；TJA1050的CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩只10pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾；另外，為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，總線輸入端與地之間分別接入一只瞬態(tài)抑制二極管，當兩輸入與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，收發(fā)器輸入端電壓被鉗位在安全范圍。
為防止總線過壓造成節(jié)點損壞，STM32F105內(nèi)置CAN控制器的數(shù)據(jù)收發(fā)引腳并不與TJA1050直接相連，通過ADuM1201磁隔離器實現(xiàn)信號隔離傳輸。與傳統(tǒng)光耦隔離相比，磁隔離簡化了隔離電路設計，并且磁隔離芯片的功耗很低，大約相當于光耦隔離的1/10。除了將CAN數(shù)據(jù)信號隔離外，TJA1050T使用的電源和地也必須與系統(tǒng)完全隔離，使用5V隔離輸出的開關電源模塊IB0505LS提供隔離電源。由于CAN總線數(shù)據(jù)傳輸率較高，為了提高信號質(zhì)量，網(wǎng)絡拓撲結構應盡量設計成單線結構以避免信號反射，同時終端連接120歐姆左右的匹配電阻。
圖1CAN接口電路設計
2軟件設計
CAN協(xié)議規(guī)范定義的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層并不完整，雙CAN冗余應用需要實現(xiàn)總線狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡故障的診斷和標識，這就要通過添加軟件冗余模塊來實現(xiàn)。冗余模塊在程序主循環(huán)中調(diào)用，根據(jù)不同總線錯誤狀態(tài)執(zhí)行收發(fā)通道切換。CAN總線錯誤狀態(tài)分為3類：錯誤激活、錯誤認可、總線關閉。總線正常工作時處于錯誤激活狀態(tài)，控制器檢測到錯誤后將發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器的值遞增，當值大于127時進入錯誤認可，大于255時總線關閉狀態(tài)，CAN總線錯誤檢測模塊通過讀取錯誤狀態(tài)寄存器作為總線故障的測試條件，在錯誤狀態(tài)發(fā)生改變時調(diào)用冗余算法，執(zhí)行總線切換操作。
通過實際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，總線連接斷開且只有1個節(jié)點不斷發(fā)送報文時產(chǎn)生發(fā)送錯誤，控制器進入錯誤認可狀態(tài)，但不進入總線關閉狀態(tài)；其它錯誤均使錯誤計數(shù)器增加，依次進入錯誤認可狀態(tài)、總線關閉狀態(tài)，后兩種狀態(tài)表明總線被嚴重干擾，需要采取相應措施。為簡化控制邏輯設計將錯誤認可和總線關閉合并為總線故障。
冗余算法使用狀態(tài)機實現(xiàn)發(fā)送模式的切換，根據(jù)不同總線故障選擇發(fā)送使用的總線。狀態(tài)切換流程圖如圖2所示，程序首先讀取錯誤狀態(tài)寄存器獲得總線錯誤狀態(tài)，判斷當前總線是否處于錯誤激活模式，若檢測到總線故障程序置相應標志位向其他程序模塊指示錯誤。為提高報文發(fā)送效率，發(fā)送程序一次將多個報文寫入發(fā)送郵箱由硬件控制自動發(fā)送，在切換總線時，需先把故障總線發(fā)送郵箱中的報文中回讀，通過備份總線優(yōu)先發(fā)送，這一機制保證報文不會因總線切換而丟失?？刂破飨蚬收峡偩€發(fā)送數(shù)據(jù)域為空的測試報文，每成功發(fā)送1報文，總線發(fā)送錯誤計數(shù)器的值遞減，直至其值小于128總線恢復到錯誤被動狀態(tài)；每隔一定時間冗余程序讀取錯誤狀態(tài)寄存器，檢測故障總線是否恢復正常。
在2總線同時傳輸模式，發(fā)送程序優(yōu)先寫入總線1郵箱，當總線1郵箱滿時寫入總線2的郵箱，由于報文按優(yōu)先級仲裁發(fā)送，若某一路發(fā)送郵箱經(jīng)常為空，說明該路總線通信流量較小，發(fā)送程序將較多報文轉由空閑總線發(fā)送，實現(xiàn)報文的負載均衡。
圖2總線狀態(tài)切換流程圖。
3雙總線冗余的可靠性分析與測試
對雙CAN冗余系統(tǒng)的可靠性進行定量分析，引入平均無故障運行時間（MeanTimeToFailure,MTTF）的概念。MTTF描述一個系統(tǒng)從開始工作到發(fā)生故障的時間間隔，也即平均壽命。為簡化分析作如下假設：每路CAN總線的故障率相同；CAN總線的損壞屬于物理損壞，即不可修復的損壞。指數(shù)分布可以很好地用來描述電子元器件的壽命，假設CAN總線的壽命分布服從指數(shù)分布，CAN總線的可靠性模型如圖3所示。
圖3CAN總線可靠性模型圖
模型1為單總線的可靠性模型，因為總線壽命服從指數(shù)分布，根據(jù)單一CAN總線無故障運行時間MTTF1=1/λ。模型2為雙CAN總線冗余可靠性模型，系統(tǒng)由兩條獨立的總線并聯(lián)而成，即只有當這2條總線都失效時系統(tǒng)通信才會失敗，于是系統(tǒng)的平均壽命MTTF2=3/2。采用雙線冗余設計使CAN通信的平均無故障時間增加了50%。
雙線CAN冗余系統(tǒng)的另一關鍵指標是總線切換時間，它等于檢測錯誤所需時間與處理故障總線未發(fā)送報文所需時間之和，切換時間越短，總線故障對報文傳輸造成的延遲就越小。檢測錯誤所需時間，即從總線錯誤出現(xiàn)到被冗余程序檢測到所需的時間。以總線斷開故障為例，發(fā)送器每發(fā)送一個報文產(chǎn)生一次應答錯誤，錯誤計數(shù)器每次加8,需連續(xù)進行16次發(fā)送，使錯誤計數(shù)器值達到128引起總線切換。在位速率125kbps情況下，發(fā)送最長為128位的報文，若忽略控制器重發(fā)間隔時間，從故障發(fā)生到被檢測到的響應時間為：
為避免在總線切換時丟失報文，冗余算法需回讀故障控制器中未發(fā)送報文，由此產(chǎn)生額外的故障處理時間，因為每個發(fā)送郵箱最多存儲3個報文，假定位速率125kbps不變，備份總線發(fā)送時即取得仲裁，最長故障處理時間為：
因此總線切換時間為16.38+3.07=19.45ms。
通過實驗測得在125kbps位速率下連續(xù)發(fā)送不同報文長度的總線切換時間如表1所示：
表1總線切換時間
在125kbps位速率下切換時間為22.80ms,比理論計算值稍長，這是由總線切換時運行冗余算法及讀取控制器錯誤寄存器（ESR）所額外消耗的，但在實際應用中，發(fā)送報文獲取仲裁所需的等待時間遠大于切換時間，總線故障并不頻繁發(fā)生，冗余切換算法對系統(tǒng)的運行并無顯著影響。
4結束語
與傳統(tǒng)單片機總線外擴兩片CAN控制器的冗余方案相比，本設計充分利用STM32F105微控制器內(nèi)置的兩路CAN控制器，簡化電路設計，相對降低了成本，同時雙CAN冗余通信系統(tǒng)的采用提高了系統(tǒng)整體可靠性。所使用雙總線負載均衡技術，可以提高總線帶寬，平衡通信負荷。系統(tǒng)船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)的圖像和數(shù)據(jù)信號的傳輸中取得很好的效果。