1,、引言

can 總線是由德國(guó) bosch 公司為現(xiàn)實(shí)汽車測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計(jì)的,、支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。can 總線通訊的波特率可高達(dá) 1mbps,，最遠(yuǎn)距離可達(dá) 10km;can 總線通訊采用短幀結(jié)構(gòu),，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間短,，受干擾的幾率低;can 總線協(xié)議有良好的檢錯(cuò)措施，可靠性較高;can 總線通訊對(duì)于傳送幀可以設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí),，通過總線仲裁機(jī)制使高優(yōu)先級(jí)的信息能夠被優(yōu)先及時(shí)傳送,，增加了 can 總線通訊的實(shí)時(shí)性;can 總線的完善可靠的通信協(xié)議主要由接口器件完成，降低了軟件開發(fā)的難度,。此外,，can 總線網(wǎng)絡(luò)中的每節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)地址,，理論上基于 can 總線的網(wǎng)絡(luò)上可以添加刪除任一節(jié)點(diǎn)，通訊方式可以為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊也可以為廣播方式,，可以為單主方式也可以是多主方式,，因此 can 總線通訊有相當(dāng)?shù)撵`活性。

can 總線開始主要應(yīng)用于自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件,、傳感器,、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，但隨著 can 的應(yīng)用普及,，其應(yīng)用范圍已不局限于汽車行業(yè),，正在向過程控制、機(jī)械,、紡織等行業(yè)發(fā)展,，應(yīng)用領(lǐng)域從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線網(wǎng)絡(luò)。而且 can 總線的實(shí)時(shí)性以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)也逐步為航天領(lǐng)域所認(rèn)可,。1995 年 sstl（surrey 大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)公司）將 can 作為星載遙測(cè) / 遙控信道,，隨之 sstl 開發(fā)了基于 can 的分布式解決方案。至今 sstl 已經(jīng)在 uosat-12,，snap-1,，aisat-1，ukdmc,，nigeriasat-1,，bilsat-1 等 6 顆 leo 衛(wèi)星中應(yīng)用了 can 總線網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)星載計(jì)算機(jī)與其他任務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的通信;esa 在 smart-1 上也將 can 作為系統(tǒng)總線和有效載荷總線,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳送,。在國(guó)內(nèi)，can 總線技術(shù)在小衛(wèi)星中也得到了實(shí)際的應(yīng)用,。

本文在分析 can 總線航天應(yīng)用的基礎(chǔ)上，從硬件原理設(shè)計(jì),、cpu 與 can 總線接口實(shí)現(xiàn)以及 can 總線通信軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了論述,。

表 1 can 總線故障及其影響分析

2、can 總線工作原理

can 總線的多主站工作方式的發(fā)送原理采用“載波偵聽多路訪問 / 沖突檢測(cè)”（csma/cd:carrier sense multiple access with collision detect）技術(shù)實(shí)現(xiàn),。利用 csma 訪問總線,，可對(duì)總線上信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí),，才允許發(fā)送,。利用這種方法，可以允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上,。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)沖突位時(shí),，所有節(jié)點(diǎn)重新回到‘監(jiān)聽’總線狀態(tài),，直到該沖突時(shí)間過后，才開始發(fā)送,。在總線超載的情況下,，這種技術(shù)可能會(huì)造成發(fā)送信號(hào)經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送延時(shí),，可利用 csma/cd 方式訪問總線,。當(dāng)總線上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，通過“無(wú)損的逐位仲裁”方法來(lái)使有最高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文優(yōu)先發(fā)送,。在 can 總線上發(fā)送的每一條報(bào)文都具有唯一的一個(gè) 11 位或 29 位數(shù) id,。can 總線狀態(tài)取決于二進(jìn)制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以 id 號(hào)越小,，該報(bào)文擁有越高的優(yōu)先權(quán),。

can 總線的多主站工作方式的接收原理是通過驗(yàn)收濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。獨(dú)立的 can 控制器 sja1000 設(shè)置了一個(gè)多功能的驗(yàn)收濾波器,，該濾波器允許自動(dòng)檢查標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)字節(jié),。使用驗(yàn)收濾波器的濾波方法可以防止對(duì)于某個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)效的報(bào)文或報(bào)文組存儲(chǔ)在接收緩沖器里，因此降低了主控制器的處理負(fù)荷,。濾波器由驗(yàn)收碼寄存器（acc）和屏蔽寄存器（amr）組成,。在 basiccan 模式里的驗(yàn)收濾波，其判據(jù)為：（acc（7:0） ⊙ id（10:3））＋amr（7:0）,。如果判據(jù)的結(jié)果為“11111111”,，則表示該幀數(shù)據(jù)是其他節(jié)點(diǎn)傳送給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本節(jié)點(diǎn) can 總線控制器將接收本幀數(shù)據(jù),，在 crc 校驗(yàn)無(wú)誤后于應(yīng)答間隙產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào),。

3、can 總線航天應(yīng)用分析

esa 開展的 can,、1553b,、spacewire 技術(shù)研究表明以差分信號(hào)傳輸?shù)母咚俅锌偩€用于星載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸能保證通信的及時(shí)性， 利于降低星載設(shè)備的功耗,，有助于獲得低噪聲,、抗電磁干擾性強(qiáng)、emi 低,、信號(hào)不受電源開關(guān)狀態(tài)變化影響等優(yōu)勢(shì),， 具有良好的航天應(yīng)用前景。

can 總線作為一種專為汽車工業(yè)設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線,，具有很多適合航天應(yīng)用的特點(diǎn)：作為多主站方式的串行通訊總線,，can 總線具有低成本，高抗電磁干擾性，高總線利用率,，很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（長(zhǎng)達(dá) 10km）,，高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá) 1mbps），可根據(jù)報(bào)文的 id 決定接收或屏蔽該報(bào)文,，可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制,，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā),，節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能等特點(diǎn),。

iso11898 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(shí)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(gè) ecu 具備錯(cuò)誤檢測(cè),、標(biāo)定和自檢的強(qiáng)有力措施,。檢測(cè)錯(cuò)誤包括：發(fā)送自檢、crc 校驗(yàn),、位填充和報(bào)文格式檢驗(yàn),。其錯(cuò)誤檢測(cè)具有如下特性：其一， 所有全局錯(cuò)誤都可以檢測(cè);其二,，發(fā)送器的所有局部錯(cuò)誤都可以被檢測(cè);其三,，報(bào)文中 5 個(gè)以內(nèi)的隨機(jī)分布錯(cuò)誤都可以被檢測(cè)到;其四，報(bào)文中長(zhǎng)度小于 15 的突發(fā)性錯(cuò)誤都可以被檢測(cè)得到;其五,，報(bào)文中任何奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤都可以被檢測(cè)得到;其六,，沒有檢測(cè)出的已損報(bào)文的剩余錯(cuò)誤概率為報(bào)文出錯(cuò)率的 4.7×10-11。

sstl 經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),，在 600 公里～1000 公里的空間領(lǐng)域,，空間輻射對(duì)衛(wèi)星的影響相對(duì)較小。在這個(gè)高度上,，總劑量為每年 1krad 左右（其量級(jí)相當(dāng)于增加 5mm 的鋁屏蔽層）,，seu 發(fā)生率相當(dāng)于每天每 mbyte 一次（此數(shù)據(jù)來(lái)源于試驗(yàn)觀察），并且觀測(cè)到的 sel 發(fā)生概率非常低,，在 sstl 整個(gè)記錄中只記錄到 3 到 4 次值得懷疑的情況（確定的只有 4 次）。sstl 還發(fā)現(xiàn)幾乎所有的商業(yè) cmos 器件,，在經(jīng)受 10 krad 輻照后其性能并無(wú)明顯下降,。sstl 在低軌道小衛(wèi)星采用工業(yè)級(jí) can 控制器芯片構(gòu)建衛(wèi)星 can 總線網(wǎng)絡(luò)的成功，驗(yàn)證了上述結(jié)論。表 2 為 sstl 在近年來(lái)采用的 cots can 器件,。

表 2 surrey 大學(xué)采用的 cots can 器件統(tǒng)計(jì)列表

器 件 飛行任務(wù)次數(shù)

philips can 收發(fā)器：當(dāng)前主流產(chǎn)品 4

philips pca82c250 10

philips p87c592 10

philips can 8 位外設(shè)：產(chǎn)權(quán)主流產(chǎn)品 4

philips pca82c200:can 8 位外設(shè) 6

infineon:8 位 can 微控制器（a/d,，pwm，例如 8051） 6

microchip can spi 外設(shè) 4

4 ,、 星載計(jì)算機(jī)中的雙冗余容錯(cuò) can 總線設(shè)計(jì)

圖 1 描述了基于 can 的雙冗余總線結(jié)構(gòu),。基于 can 總線的雙冗余系統(tǒng)通信總線的基本設(shè)計(jì)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 bus1 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(shí)通過另一條進(jìn)行通信并重新初始化出錯(cuò)的總線以備將來(lái)再用,。這樣即使一條通信通道故障后不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換,，大大提高了通信的可靠性。

圖 1 基于 can 的雙冗余總線結(jié)構(gòu)

圖 2 can 總線硬件設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)圖

圖 2 為星載計(jì)算機(jī)中 can 總線硬件設(shè)計(jì)原理框圖,。 can 總線協(xié)議控制芯片選用 philip 的工業(yè)級(jí)器件 sja1000,，收發(fā)器選用 philip 的 pca82c250。cpu 與 sja1000 的接口控制邏輯通過 actel 的反熔絲 fpga 實(shí)現(xiàn),。sja1000 工作在 intel 模式,，工作時(shí)鐘為 7.3728mhz。復(fù)位信號(hào)通過 max708 產(chǎn)生,。為了有更好的 emc/emi 性能和抑制比較器的噪聲,，vdd 通過 rc 濾波器退耦。

SJA1000 的 RX1 信號(hào)處理非常關(guān)鍵,。如果使用外部集成收發(fā)器電路而且沒有在時(shí)鐘分頻寄存器里使能比較器旁路功能,，RX1 輸出要被連接到 2.5V 的參考電壓（82C250 的 Vref 輸出）。圖 3 顯示了 CBP 的兩種設(shè)置所對(duì)應(yīng)的電路,。對(duì)于使用 82C250 集成的收發(fā)器電路,，SJA1000 的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)建議使用旁路功能，即 CBP 設(shè)置為 1,，在這種情況下,，SJA1000 的比較器旁路功能有效，減少了內(nèi)部傳播延遲,，即 td2

圖 3 SJA1000 的接收輸入比較器旁路設(shè)計(jì)

82C250 的 RS 信號(hào)通過電阻 Rext 接地,。RS 管腳的電流決定了傳輸介質(zhì)上傳輸信號(hào)的信號(hào)沿的陡峭程度，Rext 阻值的大小必須根據(jù) CAN 總線的工作速度及其工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇,，具體可參見 SJA1000 的數(shù)據(jù)手冊(cè)或者應(yīng)用文檔,。

5、 CPU 與 SJA1000 的接口邏輯設(shè)計(jì)

星載計(jì)算機(jī)的 CPU 不同于 8086,，采用的是獨(dú)立地址和數(shù)據(jù)總線,。CAN 總線控制器 SJA1000 采用地址 / 數(shù)據(jù)總線復(fù)用方式，需要將 CPU 的總線信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)邏輯處理后才能夠滿足 CAN 總線控制器的時(shí)序要求。圖 4 和圖 5 是 SJA1000 在 Intel 模式下的讀寫時(shí)序,。

圖 4 SJA1000 讀時(shí)序（Intel 模式）

圖 5 SJA1000 寫時(shí)序（Intel 模式）

按照 SJA1000 的數(shù)據(jù)手冊(cè),，確保 SJA1000 的讀寫正確，如下的時(shí)序參數(shù)必須滿足：

l tW（AL）：必須保證 ALE 的時(shí)間,，最小不能小于 8ns,；

l tLLRL/tLLWL：讀寫時(shí) ALE 無(wú)效到讀寫信號(hào)有效的時(shí)間，最小不能小于 10ns,；

l tLCRL/tLCWL：片選信號(hào)有效后讀寫信號(hào)有效的時(shí)間,，最小不能小于 0，即片選有效必須出現(xiàn)在讀寫信號(hào)有效前,；

l tW（R）：讀信號(hào)有效寬度,，最小不能小于 40ns；

l tW（R）：寫信號(hào)有效寬度,，最小不能小于 20ns,；

l tWHLH：寫信號(hào)無(wú)效到下一次 ALE 有效的時(shí)間，最小不能小于 15ns,；

l th（AL-A）：在 ALE 為低電平后地址應(yīng)該保持時(shí)間,，最小不能小于 2ns。

CPU 和 CAN 總線接口采用地址直接映射,。接口時(shí)序設(shè)計(jì)重點(diǎn)是接口控制邏輯必須產(chǎn)生符合上述關(guān)鍵參數(shù)的讀寫時(shí)序,。如果簡(jiǎn)單的按照 ALE《=not nADS 方法處理，不滿足要求時(shí)序關(guān)系,，這在調(diào)試過程中已經(jīng)得到驗(yàn)證,。為此，在設(shè)計(jì)中采用了 FPGA 技術(shù),，以求很好地解決 CAN 總線與 CPU 的接口問題,。圖 6 描述了通過 VHDL 編寫實(shí)現(xiàn)接口電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和 FPGA 設(shè)計(jì)產(chǎn)生的讀寫 CAN 總線時(shí)序，其中時(shí)鐘周期不低于 67ns,，該時(shí)序滿足 SJA1000 要求,。

圖 6 CAN 總線接口時(shí)序設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和時(shí)序

6、 CAN 總線通訊軟件的設(shè)計(jì)

雙冗余總線結(jié)構(gòu)的通訊軟件主要由初始化,、接收和發(fā)送三個(gè)模塊組成,，控制流圖見圖 7。在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了 SJA1000 的 Basic 模式,，初始化中需要對(duì) BUS0 和 BUS1 分別進(jìn)行初始化,，包括 SJA1000 的控制寄存器、接收代碼寄存器,、接收屏蔽寄存器,、總線時(shí)序寄存器等,。

圖 7 CAN 總線通訊軟件的控制流圖

發(fā)送模塊采用主動(dòng)發(fā)送方式，BUS0 為優(yōu)先通訊通道,，若 BUS0 通道狀態(tài)不正常，則啟動(dòng) BUS1 通道進(jìn)行通訊,，并對(duì) BUS0 通道進(jìn)行初始化以備下次通訊時(shí)使用,。

接收模塊采用中斷接收方式，為了保證接收到的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)處理,，CAN 總線的接收中斷被設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)中斷,。在接收中斷中首先判斷接收通道是 BUS0 還是 BUS1，然后從接收通道按數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,。

7 ,、結(jié)束語(yǔ)

CAN 總線技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)如實(shí)時(shí)性好，通信速率高,，抗干擾能力強(qiáng),，低廉的價(jià)格等使它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，而且開始向航天領(lǐng)域進(jìn)軍,。其 COTS 工業(yè)級(jí)器件 SJA1000 經(jīng)過飛行也得到了驗(yàn)證,，CAN 總線適宜航天應(yīng)用的特點(diǎn)得到了充分的展示和飛行驗(yàn)證。