水下機器人通信系統(tǒng)的CAN總線冗余設計

邱小軍 劉 瀏 吳 超 李建勛 葛 彤

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院1，上海 200240;上海交通大學水下工程研究所2，上海 200240)

0 引言

水下機器人(remotely operated vehicle，ROV)不僅廣泛應用于海底資源探測等科學研究領域，而且在工業(yè)和軍用領域也有廣闊的應用前景。由于海洋環(huán)境復雜多變，且水下機器人的六自由度運動方程具有很強的耦合性和非線性特征，所以ROV對通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有很高的要求。通信系統(tǒng)故障有可能會導致ROV丟失，所以通信系統(tǒng)的可靠性設計是一個非常關鍵的問題[1]。

CAN總線因具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力好、成本低、檢錯能力強等優(yōu)點，在現(xiàn)場總線中應用廣泛。目前，基于CAN總線的ROV控制系統(tǒng)設計方面已經(jīng)有一些研究[2－4]，但這些研究主要采用單CAN總線進行通信。這種通信方法的缺點是當CAN總線出現(xiàn)故障時，整個控制系統(tǒng)將無法運行。因此，針對單CAN總線在冗余性方面的不足，設計了ROV通信系統(tǒng)的通信擴展板，并采用了雙CAN總線冗余技術。該設計的優(yōu)點在于當通信系統(tǒng)出現(xiàn)CAN總線故障時，可以實現(xiàn)總線的自動切換，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)總體設計

典型的ROV控制系統(tǒng)框圖如圖1所示[5]。

圖1 ROV控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of ROV control system

為保證ROV控制系統(tǒng)各單元之間通信的穩(wěn)定性和可靠性，通信擴展板在硬件設計上采用了類似主板的設計方法，即使用了微處理器。這種設計有利于ROV數(shù)據(jù)的傳輸，能夠簡化主板數(shù)據(jù)傳輸任務的負擔;同時，采用PC/104總線與主板進行通信。PC/104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。本設計將該總線應用于ROV通信系統(tǒng)，可以增強系統(tǒng)的可擴展性。

按功能劃分，通信系統(tǒng)由PC/104接口轉(zhuǎn)化部分、復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)時序轉(zhuǎn)化部分、ARM實時控制部分和雙CAN等外設組成。主板作為總控制和調(diào)配單元，PC/104總線接口用于主板和通信擴展板之間進行數(shù)據(jù)傳輸;CPLD作為中間邏輯接口，用于連接PC/104接口和ARM;ARM處理器作為主控制器，實時控制通信擴展板上的外設;ARM結合CPLD，實現(xiàn)雙CAN總線冗余功能。

為了實現(xiàn)通信擴展板與主板之間的通信，首先需要在它們之間建立一個通信協(xié)議，用于通信擴展板解析主板命令。然后主板和通信擴展板各自對板上的外設進行初始化，彼此相互獨立，完成各自任務的調(diào)度和控制。最后主板通過訪問通信擴展板外設返回的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，執(zhí)行系統(tǒng)總?cè)蝿照{(diào)度。這種設計可以降低主板CPU任務調(diào)度的復雜性。主板發(fā)送命令后，通信擴展板根據(jù)通信協(xié)議解析主板命令，控制相應的外設，從而完成指定的功能。

當主板訪問通信擴展板時，可將通信擴展板看作主板的外設，主板通過訪問通信擴展板所占用的地址空間來實現(xiàn)對外設的訪問。主板發(fā)送的控制指令，經(jīng)PC/104總線傳送到通信擴展板;CPLD接收到命令后對其進行判斷，并根據(jù)主板操作類型觸發(fā)ARM處理器外部中斷;ARM獲取到主板指令后，根據(jù)通信協(xié)議解析主板命令。如果主板需要讀取外設數(shù)據(jù)，則CPLD觸發(fā)ARM處理器外部寫中斷。ARM進入寫中斷處理函數(shù)，把相應外設的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，再經(jīng)過CPLD轉(zhuǎn)化成主板讀信號，同時把數(shù)據(jù)返回主板。如果主板進行寫命令操作，CPLD收到命令后讀取PC/104總線數(shù)據(jù)，觸發(fā)ARM讀中斷，并把PC/104總線數(shù)據(jù)送到ARM數(shù)據(jù)總線。

2 PC/104總線接口設計

由于ARM處理器外部總線和PC/104總線之間的時序邏輯不一致，因此，采用CPLD對其進行邏輯轉(zhuǎn)化。為了解決兩種總線在電平模式、制造工藝上的差異，在ARM處理器和PC/104總線間接入緩沖器，以調(diào)整電氣特性，保證總線轉(zhuǎn)化的可靠性。

2.1 PC/104接口控制器原理

在PC/104總線接口的設計中，如何實現(xiàn)總線控制器的設計是PC/104接口的設計重點。本設計采用CLPD來實現(xiàn)總線控制器接口。通信擴展板PC/104總線控制器的工作流程如圖2所示。

圖2 PC/104總線轉(zhuǎn)化器流程圖Fig.2 Flowchart of PC/104 bus converter

2.2 接口硬件設計

主板PC/104總線寬度為8位，而連接PC/104的數(shù)據(jù)總線可以為8位或者16位操作，設置成8位總線寬度將有利于PC/104和ARM總線的同步，并且可以降低CPLD邏輯設計的復雜度。ARM和PC/104接口的轉(zhuǎn)化電路[6]設計框圖如圖3所示。

圖3 ARM和PC/104總線接口電路Fig.3 Circuit of the interface between ARM and PC/104 bus

在硬件方面，ARM微處理器采用Atmel公司的工業(yè)級芯片AT91RM9200。該芯片具有豐富的應用外設及標準的接口，最高工作頻率可以達到200 MHz，具有低功耗、低成本和高性能的特點。CPLD采用了XILINX公司的XC95288XL芯片。該芯片擁有大量的I/O接口，可以滿足本設計需要。ARM芯片具有數(shù)據(jù)線、地址線等控制線信號和若干個外部中斷信號。中斷信號線的主要作用是當CPLD接收到主板總線命令時，根據(jù)總線操作類型觸發(fā)ARM相應的中斷信號，可用于通知ARM進行數(shù)據(jù)的讀寫。NCS4信號引腳為ARM靜態(tài)存儲器片選信號，CPLD根據(jù)該引腳信號判斷是否為ARM與PC/104總線之間的操作。若干個PIO口連接到CPLD的I/O口上，可用于查詢CPLD工作狀態(tài)。

在電氣特性方面，ARM、CPLD和PC/104存在一些差異。CPLD的標準輸入電平可以兼容TTL和LVTTL電平，輸出電平為LVTTL電平;PC/104總線為TTL電平，雖然CPLD可以直接與TTL電平的PC/104總線相連，但可能因電氣特性、信號完整性方面的原因，導致系統(tǒng)的可靠性下降，故在此采用緩沖器進行兩種電平間的轉(zhuǎn)換，以確保信號轉(zhuǎn)化的可靠性。

3 雙CAN總線冗余設計

CAN總線雖然具有抗干擾能力強、檢錯能力好等優(yōu)點，但在實際使用中，CAN總線會出現(xiàn)總線故障，從而降低系統(tǒng)的可靠性。通過分析控制系統(tǒng)的冗余策略和實現(xiàn)方法[7]，對ROV控制系統(tǒng)通信進行了雙CAN總線冗余設計。目前，CAN總線冗余方法主要有以下幾種[8－9]。

①CAN總線驅(qū)動器的冗余。該冗余的基本思路是使用兩條總線，并在每個節(jié)點使用兩個CAN收發(fā)器和一個CAN控制器;在兩個收發(fā)器和控制器之間設計一個切換電路。正常情況下，只有一個收發(fā)器處于工作狀態(tài)。當收發(fā)器工作不正常時，可經(jīng)過切換電路自動切換到另一個CAN收發(fā)器。

②CAN總線控制器的冗余。該冗余的基本思路是使用兩套完全不同的總線、收發(fā)器和總線控制器，處理器通過不同的端口中斷和連接總線控制器。

③全系統(tǒng)的冗余。該冗余的基本思路是對整個CAN總線系統(tǒng)進行冗余，即使用兩套完全相同的CAN總線、收發(fā)器、總線控制器和處理器。

第一種冗余方法存在一個硬件判斷電路，當繼電器進行雙CAN切換時，不能保證切換成功;第二種方法硬件實現(xiàn)簡單，而且可靠性高;第三種方法系統(tǒng)成本高，而且復雜。

3.1 雙CAN總線系統(tǒng)

本文設計的雙CAN總線冗余策略采用兩套總線，由兩個CAN收發(fā)器和兩個CAN控制器實現(xiàn)。控制器采用SJA1000，它是PHILIPS半導體PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代產(chǎn)品，而且增加了一種新的工作模式PeliCAN，能夠支持具有很多新特性的CAN2.0B協(xié)議。

為了提高板卡負載能力和抗干擾能力，適應復雜環(huán)境分布式控制要求，本設計方案選用PCA82C250作為板卡總線收發(fā)器，在PCA82C250和SJA1000之間使用HCPL0603高速光耦進行電流隔離。該高速光耦的延時時間短，可以滿足速度要求。在PCA82C250收發(fā)器和HCPL0603光耦之間采用B0505S-1W的DC/DC隔離電源芯片作為供電電源。在CAN總線上連接終端電阻，并在總線上設計限流電阻和濾波電容，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。雙CAN總線系統(tǒng)框圖如圖4所示[10－11]。

圖4 雙CAN總線系統(tǒng)框圖Fig.4 System diagram of dual CAN bus

SJA1000控制器的總線接口采用數(shù)據(jù)/地址復用方式，AT91RM9200外部總線不能直接連接SJA1000，而是需要對這兩種總線進行轉(zhuǎn)化，在此采用CPLD實現(xiàn)總線間的時序轉(zhuǎn)化。ARM芯片的數(shù)據(jù)線、地址線、讀/寫控制信號、NCS5片選信號和兩個外部中斷信號線連接CPLD的I/O接口。其中，NCS5為ARM靜態(tài)存儲器片選信號，用于兩路CAN資源地址空間的分配;兩個中斷信號引腳用于兩路CAN資源中斷。ARM總線信號經(jīng)CPLD時序轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生SJA1000所需要的地址、數(shù)據(jù)、讀/寫、片選、模式選擇和ALE信號等。

3.2 CAN總線冗余切換設計

雙CAN總線冗余的實現(xiàn)主要需要解決故障的檢測認定、CAN總線的重啟和總線的自動切換等問題。

在正常工作情況下，系統(tǒng)初始化兩路CAN總線：其中一路CAN總線正常運行，另一路CAN總線處于備用狀態(tài)。ROV通信系統(tǒng)的CAN總線任務主節(jié)點以60 ms為周期給分節(jié)點發(fā)送查詢命令。主節(jié)點和分節(jié)點之間采用應答形式，即分節(jié)點只有在接收到主節(jié)點發(fā)送的查詢命令后，才開始通過CAN總線往主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。分節(jié)點CAN總線采用雙屏蔽方式，主節(jié)點不屏蔽接收所有CAN總線數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)運行后，主節(jié)點向分節(jié)點發(fā)送同步信號，直到建立同步。CAN總線故障檢測方法是采用主節(jié)點和分節(jié)點分別檢測CAN總線的接收任務狀態(tài)。

主節(jié)點CAN總線冗余流程圖如圖5所示。

圖5 主節(jié)點CAN總線冗余流程圖Fig.5 Flowchart of main node CAN bus redundant

分節(jié)點流程圖與主節(jié)點類似，只是沒有查詢總線切換請求，在總線出現(xiàn)故障時，增加了給主節(jié)點發(fā)送總線切換請求。

下面分兩種情況對CAN總線自動切換進行具體設計。

①主節(jié)點CAN總線接收任務超時

主節(jié)點發(fā)送完查詢命令后，監(jiān)視CAN數(shù)據(jù)接收，并將超時時間設定為600 ms。如果分節(jié)點沒有在設定的時間內(nèi)返回CAN數(shù)據(jù)包，就認定CAN總線出現(xiàn)故障，關閉CAN總線，重啟并置重啟標志。重啟后如果故障仍沒有消除，標記錯誤總線，并向分節(jié)點發(fā)送CAN總線切換命令，關閉出現(xiàn)故障的CAN總線，所有節(jié)點同時開啟備用CAN總線接收中斷，備用總線等待建立同步。當CAN接收沒有超時，則在CAN接收中斷中查詢是否有總線切換申請。如果沒有，表示運行正常;如果有，則說明某個分節(jié)點總線出現(xiàn)故障，標記錯誤總線，并發(fā)送總線切換命令，同時關閉出現(xiàn)故障的CAN總線，所有節(jié)點開啟備用CAN總線接收中斷，備用總線等待建立同步。

②分節(jié)點CAN總線接收任務超時

超時時間設定為600 ms，即在這段時間內(nèi)沒有收到主節(jié)點CAN總線的查詢命令即關閉并重啟CAN總線。重啟后如果故障沒有解決，標記錯誤總線，并向主節(jié)點發(fā)送切換請求，同時，切換備用CAN總線，開啟中斷接收，關閉故障總線，等待建立新的同步。

本設計方案已在實際的ROV通信系統(tǒng)中進行了相關的測試。通信板卡使用VxWorks實時操作系統(tǒng)，通信系統(tǒng)主控單元每隔20 ms輪流給分節(jié)點發(fā)送CAN總線訪問指令，通信周期為60 ms。調(diào)試結果顯示，板卡CAN總線通信效果良好，CAN總線發(fā)送任務和中斷處理任務運行正常，具有一定的規(guī)律性。

4 結束語

針對ROV通信系統(tǒng)，本文設計了以ARM處理器為核心、基于雙CAN總線冗余的PC/104通信擴展板。這種設計可以減輕ROV通信系統(tǒng)主板控制器的負擔，簡化主板對通信擴展板驅(qū)動開發(fā)的復雜性;同時在外部設備多且傳輸數(shù)據(jù)量大的應用場合，保證了系統(tǒng)的性能。雙CAN總線的冗余設計使得當系統(tǒng)單路CAN總線出現(xiàn)故障時，能夠在不需要干預的情況下實現(xiàn)總線的自動切換，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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