目前，CAN總線系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用在慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)中,，具有很好的實(shí)時(shí)性和抗干擾能力[1],。雖然CAN協(xié)議本身具有較強(qiáng)的檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力，但在一些特殊應(yīng)用場合,，比如高空長航的工作狀態(tài),，或受惡劣天氣等環(huán)境的干擾，以及傳輸介質(zhì)損壞等都會嚴(yán)重影響CAN的可靠通信,。在要求高可靠性的應(yīng)用系統(tǒng)中,，解決這一問題的有效途徑是進(jìn)行CAN總線冗余設(shè)計(jì)[2-3]。本文針對浮空器慣性姿態(tài)測量系統(tǒng),，基于兩片LPC11C24微控制器,，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CAN總線冗余系統(tǒng),。

1 冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    典型的CAN總線通信電路主要由微控制器、CAN總線控制器和CAN總線驅(qū)動器以及總線4部分組成[4],?；贑AN總線的冗余方法主要從3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行不同程度的冗余：有總線驅(qū)動器冗余、總線控制器冗余和全系統(tǒng)冗余3種,。3種冗余方法各有優(yōu)缺點(diǎn),，其中全系統(tǒng)冗余方法可靠度最高[5]。全系統(tǒng)冗余方法由雙路CAN通信電路組成,，需要的主要器件數(shù)為無冗余系統(tǒng)的2倍,。傳統(tǒng)的慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)作為微控制器,，CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要CAN總線控制器,、CAN總線驅(qū)動器以及相關(guān)電平轉(zhuǎn)換芯片。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)屬于嵌入式產(chǎn)品,，固定在載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)上,，幾何形狀和質(zhì)量都一般力求小型化。冗余設(shè)計(jì)器件數(shù)的增多不但會增加系統(tǒng)的成本和容量的開銷,，而且使系統(tǒng)的構(gòu)成較復(fù)雜,，也可能會引來新的錯(cuò)誤。
    本文選用LPC11C24微控制器來設(shè)計(jì)CAN總線冗余系統(tǒng),，其基本架構(gòu)如圖1所示,。LPC11C24是恩智浦(NXP)公司近年推出的一款Cortex-M0微控制器，內(nèi)嵌易用型片上CAN驅(qū)動,，集成了高速CAN物理層收發(fā)器TJF1051,，在低成本LQFP48封裝中實(shí)現(xiàn)了完整的CAN功能。LPC11C24的成本低,、集成度高,，是兼容CAN 2.0B的LPC11C00系列控制器的新成員之一，可為惡劣環(huán)境下的應(yīng)用帶來最佳性能[6],?；贚PC11C24的CAN總線冗余設(shè)計(jì)能充分利用該款芯片的優(yōu)勢，減少導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的電氣互連,，節(jié)省50%以上的電路,，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本文慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采用DSP+FPGA架構(gòu),，DSP主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算和系統(tǒng)控制,，F(xiàn)PGA集成系統(tǒng)所有的接口功能，包括CAN通信接口,。CAN總線冗余系統(tǒng)是基于兩路LPC11C24最小系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,，兩片LPC微控制器以主-從模式工作。其在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中的基本設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

    DSP輸出的主要是導(dǎo)航姿態(tài)信息,，接收的信息主要是IMU數(shù)據(jù),、外部傳感器（GPS、磁強(qiáng)計(jì)等）數(shù)據(jù)以及相關(guān)指令信息,。CAN通信模塊搭建在FPGA上,，通過FPGA與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)信息在FPGA內(nèi)部寄存器中緩沖,。這樣的設(shè)計(jì)減少了DSP對外開銷,，保證了導(dǎo)航姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算以及與人機(jī)交互低速數(shù)據(jù)的匹配。FPGA與LPC微控制器的主要連接如下：
    （1）數(shù)據(jù)線D0～D7：8根數(shù)據(jù)線,，用于完成FPGA與LPC的數(shù)據(jù)交互,。
    （2）地址線A0～A4：5根地址線，最大數(shù)據(jù)交互的字節(jié)數(shù)不應(yīng)超過32,，若超過,，則需增加地址線。
    （3）信號控制線：讀控制信號CAN_RE,、寫控制信號CAN_RE,、數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)備完成信號CAN_RDY以及復(fù)位信號CAN_RST。
    兩LPC微控制器共用數(shù)據(jù)線D0～D7和數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)備完成信號線CAN_RDY,，數(shù)據(jù)線和地址線通過GPIO口實(shí)現(xiàn),。數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)備完成后，同時(shí)觸發(fā)兩LPC微控制器INT,，INT通過定時(shí)器捕獲外部事件中斷來實(shí)現(xiàn),。復(fù)位信號由FPGA產(chǎn)生一個(gè)低電平實(shí)現(xiàn)，讀寫控制信號在FPGA與CAN通信數(shù)據(jù)交互過程中分別有效,。
    實(shí)現(xiàn)CAN通信功能還需搭建LPC微控制器最小系統(tǒng),。LPC最小系統(tǒng)主要包括供電電源、外部時(shí)鐘和調(diào)試接口,。LPC微控制器所需電壓3.3 V由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)電源模塊提供,。本文采用12 MHz外部時(shí)鐘給系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘。由于LPC1100系列Cortex-M0不再支持JTAG調(diào)試模式,，所以調(diào)試接口采用SWD串行調(diào)試模式,。兩總線輸出之間連接EMI濾波器，濾除總線上的高頻干擾,。此外,，兩LPC之間有兩交互信號，分別為EN0和EN1,，EN0是發(fā)出故障切換信號,，EN1是接受處理信號,，或稱之使能CAN通信信號。工作過程中,，使能一個(gè)CAN的同時(shí)禁用一個(gè)CAN,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
      CAN總線冗余系統(tǒng)采用兩條完全獨(dú)立的CAN總線，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層全面冗余,。
      系統(tǒng)上電復(fù)位后,，初始化兩路 CAN 總線；一路CAN總線中斷開啟,，處于正常運(yùn)行狀態(tài),，另一路CAN總線中斷關(guān)閉，處于備用狀態(tài),；系統(tǒng)采用兼容兩種觸發(fā)方式的報(bào)文分配方式,，將傳輸報(bào)文分為周期傳送報(bào)文（時(shí)間觸發(fā)）與非周期傳送報(bào)文（事件觸發(fā)），其中導(dǎo)航姿態(tài)信息為20 ms周期報(bào)文,，控制報(bào)文為非周期報(bào)文,。慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)平時(shí)不輸出任何報(bào)文，當(dāng)控制報(bào)文控制其啟動后才按照總線調(diào)度策略進(jìn)行輸出,，完成導(dǎo)航測姿功能。CAN總線冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：一為單路通信程序設(shè)計(jì),，二為雙路總線切換設(shè)計(jì),。冗余系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

3.1 單路CAN通信程序設(shè)計(jì)
    CAN節(jié)點(diǎn)通信過程主要包括系統(tǒng)初始化,、CAN報(bào)文接收,、CAN報(bào)文發(fā)送和CAN中斷處理等。其中系統(tǒng)初始化主要包括系統(tǒng)配置初始化,、管腳初始化,、定時(shí)器初始化以及CAN模塊初始化等。LPC11C24微控制器中包含了C_CAN片上驅(qū)動,，片上驅(qū)動程序存放在引導(dǎo)ROM中,，并通過定義好的API向用戶應(yīng)用程序提供CAN初始化和通信特性[7]。下列幾個(gè)常用的函數(shù)包含在API中,，其調(diào)用實(shí)現(xiàn)如下：
    （1）CAN控制器的初始化是在基于寄存器的陣列值上實(shí)現(xiàn)的,，這些值通過指針來進(jìn)行傳遞。CAN初始化調(diào)用范例如下：
    void CAN_init()
    {
        ROM **rom =(ROM **)0x1fff1ff8;
        uint32_t CanApiClkInitTable[2] = {
        0x00000000UL, //晶振時(shí)鐘分頻數(shù)
        0x00007EC3UL };//位定時(shí)寄存器配置7EC3：24,；
//CAN通信速率為500 kb/s
        (*rom)->pCANAPI->init_can(&CanApiCanInitTable
           [0]);
    }
    （2）CAN發(fā)送函數(shù)允許設(shè)置報(bào)文對象,，并可在總線上觸發(fā)CAN報(bào)文的傳送；報(bào)文編號隨著每一次通信而增加,，而且可用于監(jiān)控引入的信息,。當(dāng)超過255時(shí),，信息代碼會歸零。這使得網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)可以通過報(bào)文編號來測定報(bào)文的進(jìn)程和正確的順序,，以進(jìn)行檢查,。發(fā)送函數(shù)如下：
    void CAN_send(  )
    {
        msg_obj.msgobj = 2;//報(bào)文對象
        msg_obj.mode_id= 0x001UL;//報(bào)文對象編號
        msg_obj.mask = 0x0UL;//不屏蔽任何ID
        msg_obj.dlc = 1;//數(shù)據(jù)長度
        msg_obj.data[0] = 0x00;
        (*rom)->pCAND->can_transmit(&msg_obj);
    }
    （3）CAN接收函數(shù)在調(diào)用之前，必須在結(jié)構(gòu)體中設(shè)置要被讀取的報(bào)文對象的編號,，這樣指向報(bào)文對象結(jié)構(gòu)的指針會被傳遞到接收函數(shù)中,。其實(shí)現(xiàn)如下：
    void CAN_receive( )
    {
        msg_obj.msgobj = 1;
        (*rom)->pCAND->can_receive(&msg_obj);
    }
    （4）用戶應(yīng)用程序必須為CAN中斷提供中斷處理程序才能處理CAN事件，調(diào)用回調(diào)函數(shù),，并根據(jù)CAN總線上接收到的數(shù)據(jù)和檢查到的狀態(tài)采取相關(guān)的操作,。CAN中斷處理程序調(diào)用如下：
    （*rom）->pCAND->isr();
    （5）CAN API支持各種事件的回調(diào)函數(shù)，包括報(bào)文發(fā)送,、報(bào)文接收和錯(cuò)誤處理等,。回調(diào)函數(shù)通過API函數(shù)來發(fā)布,，CAN中斷處理程序會按照中斷級別來調(diào)用CAN回調(diào)函數(shù),。注冊回調(diào)表如下：
    const CAN_CALLBACKS callbacks =
    {
        CAN_rx,
        CAN_tx,
        CAN_error，
    };
3.2 雙路CAN總線切換設(shè)計(jì)

    雙CAN總線冗余采用熱備方式運(yùn)行,。一個(gè)CAN控制器作為系統(tǒng)上電后默認(rèn)的CAN,，另一個(gè)為系統(tǒng)的備用CAN。系統(tǒng)正常工作時(shí),，投入運(yùn)行的CAN稱為主CAN,，另一路稱為從CAN。當(dāng)主CAN發(fā)生故障時(shí),，從CAN總線投入運(yùn)行,。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，要求兩路CAN控制器處于熱備狀態(tài),，經(jīng)初始化后都隨時(shí)準(zhǔn)備接收信息,，但是在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，系統(tǒng)中有且僅有一路CAN通道在工作,，另一路處于監(jiān)聽狀態(tài)(正常工作時(shí))或故障狀態(tài)(發(fā)生故障時(shí)),。實(shí)現(xiàn)CAN總線系統(tǒng)的全面冗余，主要解決總線故障的自動檢測和總線的切換問題,。
    CAN2.0協(xié)議中規(guī)定節(jié)點(diǎn)處于錯(cuò)誤激活態(tài),、忽略錯(cuò)誤態(tài)、脫離總線態(tài)3種狀態(tài)之一[8],?？偩€正常工作時(shí)處于錯(cuò)誤激活狀態(tài)，利用CAN總線控制器的故障界定機(jī)制可以判斷總線錯(cuò)誤,。硬件初始化后錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器為0,，控制器檢測到錯(cuò)誤后將發(fā)送/接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值遞增,。當(dāng)發(fā)送或者接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值大于127時(shí)，總線狀態(tài)為忽略錯(cuò)誤態(tài),，可能的原因是CANH,、CANL斷開；當(dāng)總線發(fā)送或者接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值大于255時(shí),，總線狀態(tài)為脫離總線態(tài),，可能的原因是CANH與CANL短路，或者CANH與地短路,，或者CANL與電源短路,。在錯(cuò)誤狀態(tài)發(fā)生時(shí)，需立即執(zhí)行總線切換操作,。
    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),，如兩路CAN（CAN0和CAN1）都運(yùn)行良好，則選取CAN0作為默認(rèn)主CAN,，CAN1處于關(guān)閉狀態(tài),，等待CAN0發(fā)出的使能信號，從CAN則隨時(shí)備用,。當(dāng)主CAN發(fā)生錯(cuò)誤狀態(tài)時(shí),，讀取錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器，同時(shí)觸發(fā)CAN1使能引腳,，CAN1給出響應(yīng)并禁用CAN0,，響應(yīng)完畢后，開啟CAN1,，兩CAN主從模式切換。CAN0處于故障狀態(tài),，等待修復(fù),，若修復(fù)完畢，即可作為從CAN備用,，在下一次出現(xiàn)故障時(shí)由CAN1給出使能信號啟動,；若沒有及時(shí)修復(fù)，則系統(tǒng)處于無冗余狀態(tài),，若再次出現(xiàn)故障,，則禁止系統(tǒng)運(yùn)行。
4 測試與驗(yàn)證
    要驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的CAN總線冗余系統(tǒng)的有效性,，需搭建測試平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境包括TKScope嵌入式智能仿真開發(fā)平臺、ZLGCANTset監(jiān)測軟件以及串口調(diào)試助手等,。硬件環(huán)境包括AK100仿真器,、USBCAN模塊以及基于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的雙LPC組成的CAN冗余電路等,。實(shí)驗(yàn)過程主要是對單路CAN通信功能和雙路冗余功能進(jìn)行測試。
    （1）單路CAN通信功能測試,。單路CAN通信的功能測試主要包括CAN的收發(fā),，以及I/O口的中斷、數(shù)據(jù)交互等,。為了便于調(diào)試,，隔離開導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中DSP模塊，采用上位機(jī)串口進(jìn)行模擬,。首先由上位機(jī)串口模擬發(fā)送導(dǎo)航姿態(tài)信息,，周期為20 ms，F(xiàn)PGA收取數(shù)據(jù)至內(nèi)部緩存器,，然后由LPC讀取并發(fā)送至CAN總線上,。同樣，CAN模塊可以接收總線上的報(bào)文信息,，產(chǎn)生中斷讀取并轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)串口顯示,。測試過程中， CANTest監(jiān)測軟件收發(fā)和串口調(diào)試助手發(fā)收數(shù)據(jù)一致,，表明CAN通信正常,。
    （2）雙CAN冗余功能測試。冗余功能測試是在完成了單路通信測試而且雙路CAN通信都能獨(dú)立正常工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,。實(shí)驗(yàn)過程中,，需增加一個(gè)USBCAN模塊。首先,，系統(tǒng)上電正常工作時(shí),，只有CAN0處于運(yùn)行狀態(tài)，而且其基本通信功能正常,，CAN1總線處于關(guān)閉狀態(tài),；手動斷開CAN0總線，CAN1總線啟動,，CAN0總線關(guān)閉,；接好CAN0總線，手動斷開CAN1總線,，CAN1總線關(guān)閉,，CAN0總線恢復(fù)。圖4給出了在CAN模塊發(fā)送數(shù)據(jù)過程中,，CAN0總線發(fā)生故障時(shí),，數(shù)據(jù)切換到CAN1總線上的情況。實(shí)驗(yàn)測試過程中,，主CAN出現(xiàn)故障,，能及時(shí)切換到從CAN運(yùn)行,，有較強(qiáng)的容錯(cuò)性。

    采用雙LPC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的CAN總線冗余系統(tǒng)節(jié)約了導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的成本和空間的開銷,，而且開發(fā)過程中充分利用了LPC控制器片上CAN驅(qū)動模塊中的API函數(shù),，縮短了開發(fā)周期。CAN總線冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)對環(huán)境的應(yīng)對能力,，有效提高了浮空器慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)可靠性,。
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