小衛(wèi)星新一代CAN FD總線應(yīng)用技術(shù)研究

崔子涵 李志剛

(1 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610065)(2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

目前，小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅猛，廣泛應(yīng)用在航天多個(gè)領(lǐng)域。軟件在軌重構(gòu)能力、軟件定義衛(wèi)星技術(shù)是下一代長(zhǎng)壽命、高性能小衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

小衛(wèi)星星上總線網(wǎng)絡(luò)一般由星務(wù)、姿軌控、電源、測(cè)控、載荷等多臺(tái)電子設(shè)備通過(guò)CAN總線連接構(gòu)成。在軟件重構(gòu)時(shí)，新版軟件代碼由地面通過(guò)測(cè)控信道上注到星務(wù)系統(tǒng)[2]，并通過(guò)CAN總線分發(fā)至最終設(shè)備實(shí)現(xiàn)軟件重構(gòu)。隨著小衛(wèi)星功能復(fù)雜度急劇增加，重構(gòu)軟件代碼量大幅加大，如部分設(shè)備FPGA軟件代碼已超過(guò)幾百兆字節(jié)(byte)，而目前CAN總線較低碼速率能力(一般為500 kbit/s)無(wú)法滿足小衛(wèi)星軟件在軌重構(gòu)需求。

近年來(lái)，為了滿足高通信數(shù)據(jù)率的需求，汽車(chē)領(lǐng)域逐步開(kāi)展了從CAN總線向靈活可變數(shù)據(jù)率控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN with Flexible Data Rate，CAN FD)總線的升級(jí)，汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用驗(yàn)證了新一代CAN FD總線可靠性。為此，本文基于小衛(wèi)星在軌軟件重構(gòu)需求，對(duì)高碼速率CAN FD總線的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，提出了適用于小衛(wèi)星軟件在軌重構(gòu)的新一代CAN FD總線技術(shù)應(yīng)用方法，開(kāi)展了總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了初步測(cè)試驗(yàn)證，為后續(xù)小衛(wèi)星星載應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 小衛(wèi)星在軌軟件重構(gòu)需求

隨著國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)和國(guó)內(nèi)用戶對(duì)低軌小衛(wèi)星壽命的需求逐漸從5年提升到8年，甚至10年(如哈薩克斯坦遙感衛(wèi)星競(jìng)標(biāo)需求)；同時(shí)，小衛(wèi)星故障或“舉一反三”導(dǎo)致的軟件在軌升級(jí)、用戶功能在軌升級(jí)、在軌自主管理能力、更高的測(cè)控通信能力(國(guó)外上下行測(cè)控能力高達(dá)10 Mbit/s)等軟件重構(gòu)需求也日益增加，而未來(lái)軟件定義衛(wèi)星也將成為小衛(wèi)星發(fā)展的新趨勢(shì)。

1.1 小衛(wèi)星在軌故障處理、“舉一反三”等軟件重構(gòu)需求

隨著小衛(wèi)星業(yè)務(wù)能力提升、在軌大量應(yīng)用，暴露出的在軌問(wèn)題有所增加。有研究人員對(duì)近年來(lái)成功發(fā)射的28顆遙感衛(wèi)星在軌發(fā)生的156個(gè)故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[3]，按故障類(lèi)型分析空間環(huán)境類(lèi)故障59個(gè)，占比為38%，軟件類(lèi)故障為6個(gè)，占比約4%。大部分由空間環(huán)境引起的故障和軟件故障均可通過(guò)地面上注實(shí)現(xiàn)軟件重構(gòu)來(lái)解決問(wèn)題。同時(shí)，其他型號(hào)研制過(guò)程、在軌發(fā)生的此兩類(lèi)問(wèn)題，也需要“舉一反三”并通過(guò)軟件上注重構(gòu)消除風(fēng)險(xiǎn)；而目前由于測(cè)控通信能力(上行2000 bit/s)、星上CAN總線通信能力(500 kbit/s)，只能以小上注量的補(bǔ)丁方式上行處理，會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題無(wú)法根本解決或影響用戶好用、易用能力。

1.2 軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的在軌軟件重構(gòu)需求

近年來(lái)，軟件定義衛(wèi)星也成為小衛(wèi)星發(fā)展新方向，其以計(jì)算為中心，以軟件為手段，通過(guò)軟件定義無(wú)線電、載荷、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等手段，將傳統(tǒng)上由分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的通信、載荷等功能以軟件方式實(shí)現(xiàn)，總體上將各類(lèi)敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)軟件構(gòu)成一個(gè)整體，最終實(shí)現(xiàn)大部分衛(wèi)星功能的軟件化。軟件定義衛(wèi)星的核心就是應(yīng)用任務(wù)與衛(wèi)星硬件解耦，通過(guò)地面上注軟件實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能在軌重構(gòu)或升級(jí)，適應(yīng)不斷變化的應(yīng)用需求。因此，提升現(xiàn)有星載CAN總線的能力，發(fā)展高碼速率CAN FD總線變?yōu)楸匦琛?/p>

2 CAN FD總線技術(shù)特點(diǎn)分析

2011年，德國(guó)Bosch公司公開(kāi)了廣泛適用于工業(yè)應(yīng)用的CAN FD總線白皮書(shū)(1.1版)[4]，2012年公布了CAN FD總線應(yīng)用規(guī)范[5]。該總線顯著特點(diǎn)是提高了數(shù)據(jù)傳輸碼速率，增加了數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，很好地解決了CAN總線的帶寬問(wèn)題并改善了錯(cuò)幀漏檢的問(wèn)題[6]，數(shù)據(jù)傳輸效率也得到了顯著的提升。在無(wú)位填充的情況下，傳輸效率從CAN總線的59.26%(64 bit/108 bit)提高到了91.59%(512 bit/559 bit)。CAN FD總線與目前的CAN總線保持了很好的兼容性[7]。目前，CAN FD總線已在汽車(chē)工業(yè)中得到了應(yīng)用，后續(xù)可通過(guò)適于天基應(yīng)用環(huán)境的小衛(wèi)星總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可靠性安全性措施設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有CAN總線的更新?lián)Q代，以適應(yīng)小衛(wèi)星大規(guī)模星載軟件在軌重構(gòu)需求。

2.1 CAN FD總線性能提升分析

CAN FD是CAN總線的升級(jí)換代設(shè)計(jì)，繼承了CAN總線的主要特性，提高了網(wǎng)絡(luò)通信帶寬，增加了幀攜帶數(shù)據(jù)包的大小。在2015年，德國(guó)汽車(chē)CAN總線協(xié)會(huì)(CiA)發(fā)布了CiA601系列設(shè)計(jì)與指導(dǎo)建議，之后2016年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)還發(fā)布了ISO11898-2高速介質(zhì)訪問(wèn)單元規(guī)范[8]。CAN FD相對(duì)于現(xiàn)有的CAN總線主要能力提升表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)CAN FD支持可變速率

CAN FD采用了兩種位速率：仲裁域之后到應(yīng)答轉(zhuǎn)換場(chǎng)(ACK)之前的數(shù)據(jù)區(qū)為一種較高的速率，最高可支持到10 Mbit/s，其余部分為原CAN總線用的速率，仍然保持最高支持到1 Mbit/s。兩種速率各有一套位時(shí)間定義的寄存器，除采用不同的位時(shí)間單位外，位時(shí)間各段的分配比例也可不同。

2)CAN FD提升了數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度

CAN FD對(duì)數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度進(jìn)行了擴(kuò)充，即在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于8 byte時(shí)與原CAN總線的定義一樣；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于8 byte時(shí)則有一個(gè)非線性的增長(zhǎng)，最大的數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度可達(dá)64 byte。對(duì)于多字節(jié)數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)不需要按照8 byte的短幀傳輸，極大提高了總線傳輸效率。CAN FD幀格式和可變速率如圖1所示。

注：IDLE為空閑，SOF為幀起始，r1為保留位，IDE為識(shí)別符擴(kuò)展位，EDL為擴(kuò)展數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，r0為保留位，ESI為錯(cuò)誤狀態(tài)指示器，IFS為幀間空間，BRS為數(shù)據(jù)率切換開(kāi)關(guān)，CRC為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。圖1 CAN FD 幀格式和可變速率圖Fig.1 Illurstration of CAN FD frame and flexible data rate

2.2 CAN FD總線容錯(cuò)特性分析

CAN FD繼續(xù)保持了CAN總線的錯(cuò)誤處理機(jī)制，包括錯(cuò)誤幀、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、主動(dòng)錯(cuò)誤、被動(dòng)錯(cuò)誤、總線離線等。由于CAN FD總線數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度超過(guò)了傳統(tǒng)的CAN總線，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)幀的漢明碼距離與CAN總線相同且仍為6，CAN FD協(xié)議中引入了新的CRC算法。CAN FD協(xié)議規(guī)定在數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于8 byte時(shí)采用CRC-15算法，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于16 byte時(shí)采用CRC-17算法，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)16 byte時(shí)采用CRC-21算法[9]。

在傳統(tǒng)的CAN總線規(guī)范中，為了保證數(shù)據(jù)流中有足夠的跳變沿用于各節(jié)點(diǎn)的重同步，規(guī)定了位填充的規(guī)則，即在每連續(xù)5 bit相同的位后自動(dòng)填充一位補(bǔ)碼位，但CAN總線規(guī)范中CRC計(jì)算校驗(yàn)是不包含填充位的，這就導(dǎo)致在很小的概率情況下會(huì)出現(xiàn)2 bit的錯(cuò)誤會(huì)漏檢。為了克服這個(gè)問(wèn)題，CAN FD規(guī)范中規(guī)定了新的位填充規(guī)則。其一，CAN FD協(xié)議的CRC計(jì)算將填充位也納入其中；其二，CAN FD采用了固定填充位的方式，即每4 bit后填充一位前1 bit補(bǔ)碼的位，這樣既保證了數(shù)據(jù)流中有足夠的跳變沿用于重同步，又提高了幀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的檢測(cè)率。

2.3 CAN FD總線與CAN總線兼容性分析

從CAN FD總線的新特點(diǎn)可知，CAN FD幀結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)CAN幀有差別，比如控制位定義、錯(cuò)誤狀態(tài)指示、CRC算法等，這就導(dǎo)致CAN FD與CAN不完全兼容。CAN FD節(jié)點(diǎn)可以正常收發(fā)傳統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)報(bào)文，能夠向下兼容，但是傳統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)不能正常收發(fā) CAN FD 節(jié)點(diǎn)的報(bào)文，所以在CAN FD的網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法直接接入傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)CAN設(shè)備，因?yàn)榻尤氲脑O(shè)備會(huì)由于無(wú)法識(shí)別CAN FD幀格式而報(bào)錯(cuò)，導(dǎo)致總線癱瘓。在解決兼容問(wèn)題方面，可以在傳統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)上采用具有CAN FD Shield模式的驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器收到CAN FD幀時(shí)直接過(guò)濾，避免傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出錯(cuò)誤幀，達(dá)到與原有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥f(xié)議兼容的目的。為了實(shí)現(xiàn)總線性能的大幅提升，建議在實(shí)際應(yīng)用中將全部節(jié)點(diǎn)均升級(jí)到CAN FD總線，避免CAN總線和CAN FD總線節(jié)點(diǎn)混用。

3 CAN FD總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CAN FD總線可以滿足高傳輸碼速率，但目前的應(yīng)用層總線協(xié)議存在如下問(wèn)題：①無(wú)法適用于小衛(wèi)星即插即用技術(shù)；②固定輪詢應(yīng)答時(shí)序協(xié)議導(dǎo)致高傳輸速率下總線通信時(shí)間占用率大幅增加，無(wú)法滿足總線應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計(jì)規(guī)范；更高的總線數(shù)據(jù)率，將導(dǎo)致主機(jī)無(wú)法工作。鑒于此，開(kāi)展CAN FD總線架構(gòu)設(shè)計(jì)、新型總線協(xié)議設(shè)計(jì)，解決即插即用適用性問(wèn)題、總線通信占用率問(wèn)題。

3.1 CAN FD總線拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)

CAN FD總線架構(gòu)支持多種總線拓?fù)湫问?，包括總線型拓?fù)?、星型拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)。考慮到小衛(wèi)星設(shè)備布局、電纜連接關(guān)系、技術(shù)狀態(tài)繼承性，小衛(wèi)星CAN FD拓?fù)浼軜?gòu)可選擇總線型架構(gòu)，即由一臺(tái)設(shè)備作為起點(diǎn)，一臺(tái)設(shè)備作為終點(diǎn)，通過(guò)一條雙冗余的總線串接起來(lái)組成整星總線網(wǎng)絡(luò)，在總線的起始設(shè)備和終端設(shè)備上安裝匹配電阻。CAN FD總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CAN FD總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 CAN FD bus topology

總線上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括星務(wù)計(jì)算機(jī)、姿軌控計(jì)算機(jī)等平臺(tái)設(shè)備以及數(shù)傳、相機(jī)等載荷設(shè)備。為了方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和軟件重構(gòu)，傳統(tǒng)的姿軌控部件以及固存等通過(guò)RS422接口掛接在各分系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備，也可以增加CAN FD總線接口直接連接在CAN FD總線上。

3.2 CAN FD總線協(xié)議設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的小衛(wèi)星CAN總線協(xié)議為簡(jiǎn)單的輪詢應(yīng)答、選擇應(yīng)答模式的協(xié)議，即一般由主機(jī)按照事先設(shè)計(jì)好的時(shí)序逐個(gè)輪詢各下位機(jī)或發(fā)送指令數(shù)據(jù)并等待下位機(jī)的應(yīng)答；此類(lèi)總線協(xié)議對(duì)于大量的數(shù)據(jù)發(fā)送以及軟件重構(gòu)方面的支持存在明顯的不足，高碼速率傳輸將導(dǎo)致主機(jī)無(wú)法工作。首先，傳統(tǒng)的CAN協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需提前分配各節(jié)點(diǎn)的站地址和數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)致新的設(shè)備節(jié)點(diǎn)需動(dòng)態(tài)加入時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)即插即用，靈活性不足；其次，固定輪詢應(yīng)答時(shí)序的協(xié)議需要耗費(fèi)主機(jī)大量的通信等待時(shí)間，主機(jī)每發(fā)送一次輪詢數(shù)據(jù)，需要等待幾十毫秒來(lái)完整接收下位機(jī)的應(yīng)答數(shù)據(jù)；當(dāng)下位機(jī)數(shù)量達(dá)到十幾個(gè)且交換數(shù)據(jù)種類(lèi)較多、總線傳輸數(shù)據(jù)率提高時(shí)，以1.5 Mbit/s為例，傳統(tǒng)CAN總線通信時(shí)間占用率將由30%變?yōu)?0%左右，嚴(yán)重影響了主機(jī)工作效率，不滿足總線應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計(jì)規(guī)范；更高的總線數(shù)據(jù)率，將導(dǎo)致主機(jī)無(wú)法工作。

本文結(jié)合汽車(chē)工業(yè)等應(yīng)用廣泛的CAN總線公開(kāi)(CANopen)協(xié)議、時(shí)間觸發(fā)CAN總線(TTCAN)協(xié)議，充分利用CAN FD總線高碼速率數(shù)據(jù)段傳輸、一次最多64 byte的長(zhǎng)幀傳輸特點(diǎn)，改進(jìn)傳統(tǒng)的CAN總線通信協(xié)議，提出一種適用于小衛(wèi)星的新一代CAN FD總線協(xié)議。

1)支持即插即用的總線設(shè)計(jì)

即插即用技術(shù)是一個(gè)未來(lái)小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展方向。在小衛(wèi)星星務(wù)主機(jī)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)專用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型(Satellite Data Model，SDM)，用于解析所有接入CAN FD總線的即插即用從節(jié)點(diǎn)電子表單xTEDS信息(xTEDS用于描述子節(jié)點(diǎn)設(shè)備類(lèi)型、站地址、注冊(cè)成功標(biāo)志、發(fā)送數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)刻，數(shù)據(jù)發(fā)送周期，遙測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息)，為總線的即插即用設(shè)備配置服務(wù)[10]。適用于即插即用的總線注冊(cè)流程設(shè)計(jì)如下。

(1)在系統(tǒng)初始加電時(shí)，主機(jī)首先發(fā)送一個(gè)節(jié)點(diǎn)注冊(cè)廣播幀；

(2)所有從節(jié)點(diǎn)接收到該廣播幀后將自身的電子表單xTEDS信息組包后發(fā)送給主機(jī)；

(3)主機(jī)收到所有節(jié)點(diǎn)的電子表單信息后，構(gòu)建和維護(hù)SDM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

(4)SDM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建完畢后，主機(jī)給各從節(jié)點(diǎn)返回注冊(cè)成功數(shù)據(jù)幀及每個(gè)周期發(fā)送數(shù)據(jù)的相對(duì)時(shí)刻；

(5)從節(jié)點(diǎn)收到注冊(cè)成功數(shù)據(jù)幀后將電子表單xTEDS中的注冊(cè)成功標(biāo)志置為成功，并更新發(fā)送數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)刻信息；

(6)此后開(kāi)始進(jìn)行總線的正常通信；

(7)總線正常通信期間新加入節(jié)點(diǎn)注冊(cè)流程設(shè)計(jì)：主機(jī)會(huì)每隔固定周期(如1 s)發(fā)送節(jié)點(diǎn)注冊(cè)廣播幀；已正常通信的從節(jié)點(diǎn)收到注冊(cè)廣播幀后不需要響應(yīng)，新加入的從節(jié)點(diǎn)收到注冊(cè)廣播幀后按照與其他從節(jié)點(diǎn)初始加電時(shí)的邏輯給主機(jī)發(fā)送電子表單xTEDS完成注冊(cè)。

從節(jié)點(diǎn)即插即用注冊(cè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)即插即用注冊(cè)流程Fig.3 Node plug and play registration process

2)支持總線上靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息融合的時(shí)序設(shè)計(jì)

星上CAN FD網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息傳遞以周期性信息交互為主，主要包括遙測(cè)信息采集、時(shí)間廣播、姿態(tài)廣播等，同時(shí)也有突發(fā)性的信息傳遞，包括遙控?cái)?shù)據(jù)、故障處理指令等。為高效、高質(zhì)量完成總線通信，軟件協(xié)議設(shè)計(jì)中將一個(gè)總線通信周期劃分為靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、注冊(cè)段和空閑段。將常規(guī)的遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送、廣播數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)置在靜態(tài)段，將遙控指令等數(shù)據(jù)設(shè)置在動(dòng)態(tài)段，將注冊(cè)信息發(fā)送設(shè)置在注冊(cè)段。

基于CAN FD總線下設(shè)計(jì)的即插即用支持技術(shù)，總線設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法預(yù)先確定各從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量信息，主機(jī)需要在首次上電時(shí)各從節(jié)點(diǎn)完成注冊(cè)后，通過(guò)構(gòu)建SDM來(lái)計(jì)算并分配靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、注冊(cè)段的時(shí)間窗；一旦正常通信過(guò)程中有新的節(jié)點(diǎn)加入，主機(jī)還需重新計(jì)算并調(diào)整已分配的時(shí)間窗。靜態(tài)段信息的時(shí)間窗長(zhǎng)度主要由各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量決定的，動(dòng)態(tài)段根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)遙控?cái)?shù)據(jù)量來(lái)設(shè)計(jì)，各節(jié)點(diǎn)時(shí)間窗分配設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)時(shí)間窗分配設(shè)計(jì)Fig.4 Node time window assignment

靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息相結(jié)合的時(shí)序設(shè)計(jì)如下：①在總線通信過(guò)程中，每個(gè)周期的起始T0時(shí)刻，主機(jī)向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)時(shí)間同步廣播幀，所有從節(jié)點(diǎn)收到時(shí)間同步幀后定時(shí)器清零并重新開(kāi)始計(jì)時(shí)，靜態(tài)段開(kāi)始；②各從節(jié)點(diǎn)計(jì)時(shí)開(kāi)始后，按照電子表單中分配的發(fā)送數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)刻向總線發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)，主機(jī)中斷服務(wù)程序接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到指定的內(nèi)存位置，待空閑時(shí)刻對(duì)所有收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；③靜態(tài)段結(jié)束、注冊(cè)段開(kāi)始后，主機(jī)向總線發(fā)送注冊(cè)廣播幀，檢測(cè)總線上是否有新的節(jié)點(diǎn)加入，如果有新的節(jié)點(diǎn)加入，則重新構(gòu)建主機(jī)SDM完成該節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)，并給該節(jié)點(diǎn)分配靜態(tài)段時(shí)間窗；④注冊(cè)段結(jié)束動(dòng)態(tài)段開(kāi)始后，主機(jī)依次向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令或遙控?cái)?shù)據(jù)一直到動(dòng)態(tài)段時(shí)間窗結(jié)束，進(jìn)入空閑段，等待下一個(gè)周期開(kāi)始。基于靜態(tài)與動(dòng)態(tài)融合的時(shí)序設(shè)計(jì)，主機(jī)無(wú)需對(duì)每個(gè)下位機(jī)發(fā)送輪詢并等待應(yīng)答數(shù)據(jù)，大幅度地提高了主機(jī)的工作效率。

4 初步驗(yàn)證與后續(xù)建議

本文通過(guò)采用Atmel SAMC21系列微控制器加Atmel ATA6561驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了CAN FD總線通信的原理樣機(jī)的研制，總線系統(tǒng)共包含3個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)主機(jī)的功能，另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的功能，主機(jī)與下位機(jī)節(jié)點(diǎn)均使能CAN FD功能，仲裁場(chǎng)碼速率設(shè)置為500 kbit/s，數(shù)據(jù)場(chǎng)碼速率設(shè)置為5 Mbit/s；主機(jī)軟件中設(shè)計(jì)專用SDM模型，下位機(jī)軟件中配置電子表單xTEDS并按CAN FD應(yīng)用層協(xié)議開(kāi)展設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：CAN FD總線設(shè)計(jì)的專用SDM模型有效，即插即用節(jié)點(diǎn)注冊(cè)流程正常，突發(fā)信息下靜動(dòng)態(tài)信息融合的時(shí)序設(shè)計(jì)合理，遙測(cè)及指令執(zhí)行正常，高碼速率下CAN FD總線能夠很好的滿足小衛(wèi)星在軌軟件重構(gòu)需求。CAN FD總線變碼速率下測(cè)試波形如圖5所示。

圖5 CAN FD總線波形圖Fig.5 CAN FD Bus Wave

以5 Mbit/s為例(最高碼速率可達(dá)10 Mbit/s)，系統(tǒng)測(cè)試期間，通過(guò)示波器實(shí)測(cè)傳送一幀64 byte 的數(shù)據(jù)占用時(shí)間為196 μs，軟件中設(shè)置每?jī)蓭瑪?shù)據(jù)之間的幀間隔為100 μs，傳送一幀64 byte數(shù)據(jù)占用196+100=296 μs，每秒通信周期分配給上注軟件的時(shí)間窗為200 ms。對(duì)于地面上注200 Mbit的大型FPGA軟件重構(gòu)代碼，主機(jī)與下位機(jī)傳送200 Mbit數(shù)據(jù)傳送時(shí)間578 s，約等于10 min，一般低軌小衛(wèi)星一次可測(cè)控弧段時(shí)間為10～15 min，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)測(cè)控弧段內(nèi)完成小衛(wèi)星大型軟件上注重構(gòu)。由此可見(jiàn)，采用CAN FD協(xié)議總線傳輸效率相對(duì)于CAN總線提高了10倍(以5 Mbit/s為例)，總線傳輸效率得到了極大的提升，能夠滿足小衛(wèi)星應(yīng)用軟件和FPGA軟件的重構(gòu)傳輸需求。

本文的驗(yàn)證只是基于CAN FD協(xié)議開(kāi)展的初步驗(yàn)證，對(duì)于可靠性方面沒(méi)做太多的考慮，后續(xù)在型號(hào)中應(yīng)用CAN FD通信協(xié)議時(shí)還應(yīng)重點(diǎn)注意如下幾點(diǎn)。

(1)在CAN FD初始化程序中，需要根據(jù)CAN FD的新特點(diǎn)，配置可變碼速率等新的寄存器值；

(2)在發(fā)送程序中需要對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行適應(yīng)性更改；

(3)各節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)要注重時(shí)間同步性設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照分配的時(shí)間窗來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；

(4)CAN FD出錯(cuò)處理程序中需采用一定時(shí)間收不到正確數(shù)據(jù)或者總線處于離線狀態(tài)時(shí)對(duì)兩條總線進(jìn)行復(fù)位的處理措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)小衛(wèi)星在軌軟件重構(gòu)能力的需求進(jìn)行了分析，結(jié)合現(xiàn)有星內(nèi)CAN總線碼速率無(wú)法滿足軟件重構(gòu)對(duì)總線傳輸?shù)默F(xiàn)狀，提出了利用下一代高速CAN FD總線來(lái)實(shí)現(xiàn)星載總線的思路，剖析了CAN FD總線的特點(diǎn)，開(kāi)展了小衛(wèi)星CAN FD總線架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及基于小衛(wèi)星即插即用技術(shù)、靜動(dòng)態(tài)信息結(jié)合的CAN FD總線時(shí)序設(shè)計(jì)。對(duì)CAN FD總線的通信進(jìn)行了初步測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明：CAN FD總線能夠滿足軟件重構(gòu)對(duì)總線傳輸速率的要求。后續(xù)在實(shí)際工程應(yīng)用中，還須進(jìn)一步開(kāi)展CAN FD應(yīng)用層協(xié)議的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及CAN FD總線通信的可靠性措施的分析與設(shè)計(jì)。