CAN總線在航空系統(tǒng)中的應用

李丹　涂剛

【摘要】進入21世紀以來，飛行器在軍事、民用和科學研究等方面得到了越來越多的應用，其功能越來越復雜，綜合化程度越來越高。本文在分析CAN總線航天應用的基礎上，從硬件原理設計、CPU與CAN總線接口實現(xiàn)以及CAN總線通信軟件設計等方面進行了論述。

【關鍵詞】CAN總線：航空系統(tǒng)：應用

【中圖分類號】V243.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0213-02

1、引言

CAN（Controller Area Network）一控制器局域網(wǎng)。它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN總線最早是由德國Bosch公司在80年代初為解決航空系統(tǒng)中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜、光導纖維，通信速率可達1M/s。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充，數(shù)據(jù)塊編碼，循環(huán)冗余校驗，優(yōu)先級判別等項工作。

2、CAN總線工作原理及其特點

2.1 CAN總線工作原理

當CAN總線上的一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標識符是唯一的，不存在有兩個站發(fā)送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

當一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態(tài)；當它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。

由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，所以很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而不必在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而不必每個控制器都有自己獨立的傳感器。

2.2 CAN總線的特點

（1）具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；（2）可靠的錯誤處理和檢錯機制；（3）具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機局部網(wǎng)絡；（4）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；（5）可根據(jù)報文的11）決定接收或屏蔽該報文；（6）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；（7）采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；（8）報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

3、CAN總線航天系統(tǒng)中應用分析

esa開展的CAN、1553b、spacewire技術研究表明以差分信號傳輸?shù)母咚俅锌偩€用于星載設備之間的數(shù)據(jù)傳輸能保證通信的瞬時性，有助于降低星載設備的功耗，有利于獲得低噪聲、emi低、抗電磁干擾性強、信號不受電源開關狀態(tài)變化影響等優(yōu)勢，具有良好的航天系統(tǒng)應用前景。

isoll898建議的CAN總線的物理電氣性能，能夠保證在總線發(fā)生某些故障時不至于中斷通信，而且可以為故障的定位提供可能。表1列出了CAN總線可能發(fā)生的各種開路和短路故障，以及在該故障模式下CAN總線受影響的情況。

CAN總線具有安全可信性。從協(xié)議分析，CAN總線的每個eeu具備錯誤檢測、標定和自檢的強有力措施。檢測錯誤包括“發(fā)送自檢、eye校驗、位填充和報文格式檢驗”。其錯誤檢測具有如下特性：（1）所有全局錯誤都可以檢測；（2）沒有檢測出的已損報文的剩余錯誤概率為報文出錯率的4.7×10-11。（3）報文中5個以內(nèi)的隨機分布錯誤都可以被檢測到；（4）發(fā)送器的所有局部錯誤都可以被檢測；（5）報文中任何奇數(shù)個錯誤都可以被檢測得到；（6）報文中長度小于15的突發(fā)性錯誤都可以被檢測得到；

4、航空系統(tǒng)中的雙冗余容錯CAN總線設計

圖1描述了基于CAN的雙冗余總線結構。基于CAN總線的雙冗余系統(tǒng)通信總線的基本設計思想是在衛(wèi)星各功能模塊之間布下兩條基于CAN的系統(tǒng)通信總線，即用兩套CAN總線控制模塊分別連接到總線bus0和busl上。正常情況下優(yōu)先在一條總線上通信，這條總線出現(xiàn)故障時通過另一條進行通信并重新初始化出錯的總線以備將來再用。這樣即使一條通信通道故障后不會影響整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，大大提高了通信的可靠性。