基于STM32F105微控制器的雙CAN冗余設計方案

　　2 軟件設計

　　CAN 協(xié)議規(guī)范定義的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層并不完整， 雙CAN 冗余應用需要實現(xiàn)總線狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡故障的診斷和標識， 這就要通過添加軟件冗余模塊來實現(xiàn)。冗余模塊在程序主循環(huán)中調(diào)用， 根據(jù)不同總線錯誤狀態(tài)執(zhí)行收發(fā)通道切換。CAN 總線錯誤狀態(tài)分為3類： 錯誤激活、錯誤認可、總線關(guān)閉。總線正常工作時處于錯誤激活狀態(tài)，控制器檢測到錯誤后將發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器的值遞增， 當值大于127時進入錯誤認可， 大于255時總線關(guān)閉狀態(tài)， CAN 總線錯誤檢測模塊通過讀取錯誤狀態(tài)寄存器作為總線故障的測試條件， 在錯誤狀態(tài)發(fā)生改變時調(diào)用冗余算法， 執(zhí)行總線切換操作。

　　通過實際調(diào)試發(fā)現(xiàn)， 總線連接斷開且只有1個節(jié)點不斷發(fā)送報文時產(chǎn)生發(fā)送錯誤， 控制器進入錯誤認可狀態(tài)， 但不進入總線關(guān)閉狀態(tài)； 其它錯誤均使錯誤計數(shù)器增加， 依次進入錯誤認可狀態(tài)、總線關(guān)閉狀態(tài)， 后兩種狀態(tài)表明總線被嚴重干擾， 需要采取相應措施。為簡化控制邏輯設計將錯誤認可和總線關(guān)閉合并為總線故障。

　　冗余算法使用狀態(tài)機實現(xiàn)發(fā)送模式的切換， 根據(jù)不同總線故障選擇發(fā)送使用的總線。狀態(tài)切換流程圖如圖2所示， 程序首先讀取錯誤狀態(tài)寄存器獲得總線錯誤狀態(tài)， 判斷當前總線是否處于錯誤激活模式， 若檢測到總線故障程序置相應標志位向其他程序模塊指示錯誤。為提高報文發(fā)送效率， 發(fā)送程序一次將多個報文寫入發(fā)送郵箱由硬件控制自動發(fā)送， 在切換總線時， 需先把故障總線發(fā)送郵箱中的報文中回讀， 通過備份總線優(yōu)先發(fā)送， 這一機制保證報文不會因總線切換而丟失。控制器向故障總線發(fā)送數(shù)據(jù)域為空的測試報文， 每成功發(fā)送1報文， 總線發(fā)送錯誤計數(shù)器的值遞減， 直至其值小于128總線恢復到錯誤被動狀態(tài)； 每隔一定時間冗余程序讀取錯誤狀態(tài)寄存器， 檢測故障總線是否恢復正常。

　　在2總線同時傳輸模式， 發(fā)送程序優(yōu)先寫入總線1郵箱， 當總線1郵箱滿時寫入總線2的郵箱， 由于報文按優(yōu)先級仲裁發(fā)送， 若某一路發(fā)送郵箱經(jīng)常為空， 說明該路總線通信流量較小， 發(fā)送程序?qū)⑤^多報文轉(zhuǎn)由空閑總線發(fā)送， 實現(xiàn)報文的負載均衡。

圖2 總線狀態(tài)切換流程圖。

　　3 雙總線冗余的可靠性分析與測試

　　對雙CAN 冗余系統(tǒng)的可靠性進行定量分析， 引入平均無故障運行時間（M ean T ime To Fa ilure, MTTF）的概念。MTTF描述一個系統(tǒng)從開始工作到發(fā)生故障的時間間隔， 也即平均壽命。為簡化分析作如下假設： 每路CAN總線的故障率相同； CAN 總線的損壞屬于物理損壞， 即不可修復的損壞。指數(shù)分布可以很好地用來描述電子元器件的壽命， 假設CAN總線的壽命分布服從指數(shù)分布， CAN 總線的可靠性模型如圖3所示。

圖3 CAN 總線可靠性模型圖

　　模型1為單總線的可靠性模型， 因為總線壽命服從指數(shù)分布， 根據(jù)單一CAN總線無故障運行時間MTTF1 = 1 /λ。模型2為雙CAN總線冗余可靠性模型， 系統(tǒng)由兩條獨立的總線并聯(lián)而成， 即只有當這2條總線都失效時系統(tǒng)通信才會失敗， 于是系統(tǒng)的平均壽命MTTF2 = 3 /2。采用雙線冗余設計使CAN 通信的平均無故障時間增加了50%。