一種新型CAN總線冗余電路設計與研究

摘要：設計并實現一種新穎的CAN總線雙冗余節點電路，增強了冗余切換的靈活性?；趯θ哂鄶祵W模型運用概率論分析冗余提高可靠性的理論，并指出雙冗余的性價比最好，設計出了一種節點電路，給出了硬件連接原理圖，闡述了程序設計的思想，最后指出了這種電路切換應考慮的各種事項。
0 引言
CAN(Controller Area Network)總線是上世紀80年代德國Bosch公司開發的一種串行數據總線，屬于現場總線的范疇。CAN總線主要特點如下：
(1)CAN總線系統導線少(兩線電源線，兩根信號線)，維護和安裝便捷；
(2)CAN協議采用8字節的短幀結構，保證了傳輸的正確性和低誤碼率；
(3)CAN協議對通信數據進行編碼，使得網絡的節點數不受限制且無主從之分；采用廣播方式，不同的節點可以同時接收到相同的數據；
(4)采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證數據通信的可靠性。
CAN總線具有突出的靈活性、實時性和可靠性，已廣泛應用到機器人、汽車、數控機床、自動化儀表等領域的現場通信中。雖然CAN協議本身具有強大的糾錯能力，但是在實際應用中由于硬件電路接口連接不牢和傳輸介質容易受到損壞，因此在電力機車、船舶機艙和航空航天等對可靠性要求很高的領域，往往采用冗余設計來提高硬件的可靠性。

1 冗余設計可靠性分析

采用CAN總線冗余設計，主要是為了提高系統的可靠性。已實際應用的有雙總線冗余和三總線冗余等?？偩€冗余相當于系統并聯，以雙總線冗余設計為例進行分析。雙總線通信模型如圖2所示，原模型如圖1所示。文獻只分析了雙總線，這里借鑒其方法進一步分析已有實際應用的三總線的可靠性，指出雙總線的效率最好，是本文要采用的冗余方案。

不妨設每條總線的可靠度均為R，則模型l的可靠度為：
R1=R
采用雙總線冗余設計的模型2的可靠度為：
R2=1-(1-R)(1-R)
同理，采用三總線冗余設計的可靠度為：
R3=1-(1-R)(1-R)(1-R)
另外，假設每路CAN總線通信可靠度均為，則上述模型的可靠度為：

若定義平均無故障時間為，則三種模型的平均無故障時間分別為：

由，即采用冗余設計使平均無故障時間增加。由此可見，采用冗余設計確實能提高通信可靠性。
但是，由或，即采用雙總線冗余設計使平均無故障時間的相對增加量比采用三總線高。由此類推可得，采用雙總線冗余設計效率最高。因此，工程中只需采用雙總線冗余即可。

2 節點電路設計

CAN節點一般采取CAN控制器或CAN接口芯片和總線驅動器構成。具體有三種構成形式：a．獨立CAN通信控制器和驅動器構成，如SJAl000+PCA82C250；b．帶控制功能的I／0器件和CAN驅動器構成， 如P82C150+PCA82C250；C．帶在片CAN微控制器和CAN驅動器構成，如P80C592+PCA82C250。本文采用第三種形式，有利于簡化電路設計，在冗余設計時便于程序控制。