1、摘要：為滿足惡劣環(huán)境下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高可靠性需求，將冗余技術(shù)結(jié)合到CAN總線模塊的硬件與軟件開發(fā)中，介紹其總體方案。硬件及軟件設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)描述了在VX Works系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)，給出了部分實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)及設(shè)計(jì)流程。 測試結(jié)果表明，此設(shè)計(jì)可成功實(shí)現(xiàn) CAN冗余模塊在總線故障情況下的冗余切換，提高了設(shè)備可靠性。引言冗余技術(shù)有兩種方式：工作冗余和后備冗余。工作冗余是對關(guān)鍵設(shè)備以雙重或三重 的原則來重復(fù)配置，這些設(shè)備同時(shí)處于工作運(yùn)行狀態(tài)，工作過程中若某一臺設(shè)備出現(xiàn)故障， 它會自動(dòng)脫離系統(tǒng)，但并不影響系統(tǒng)的正常工作。后備冗余方式是使一臺設(shè)備投入運(yùn)行，另一臺冗余設(shè)備處于熱備用狀態(tài)，但不投入運(yùn)行，在線運(yùn)行設(shè)

2、備一旦出現(xiàn)故障，后備設(shè)備立即投入運(yùn)行。常用的冗余系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)系統(tǒng)。備用系統(tǒng)和表決系統(tǒng)3種。最簡單的冗余設(shè)計(jì)是并聯(lián)裝置，其它方法還有串并聯(lián)或并串聯(lián)混合裝置和多數(shù)表決裝置等。本文通過以上冗余技術(shù)的分析選擇，將其結(jié)合到CAN總線模塊的設(shè)計(jì)中，并在VX Works系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了雙冗余驅(qū)動(dòng)，通過測試，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的有效性。1總體設(shè)計(jì)雙冗余CAN總線模塊設(shè)計(jì)主要包括硬件與軟件設(shè)計(jì)兩部分。為實(shí)現(xiàn)冗余功能，硬件上需要有幾個(gè)相同可獨(dú)立工作的設(shè)備支持；軟件上要具備錯(cuò)誤檢測和動(dòng)態(tài)切換功能，且切換時(shí)間要盡可能短。在本設(shè)計(jì)中，雙冗余CAN總線模塊硬件配置兩個(gè)獨(dú)立的CAN控制器，并有FPGA對其進(jìn)行控制，軟件通過

3、讀取CAN總線狀態(tài)寄存器判斷是否進(jìn)行冗余切換動(dòng)作。下面將詳細(xì)描述雙冗余 CAN總線模塊的硬件與軟件設(shè)計(jì)，以及冗余功能的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。2硬件設(shè)計(jì)我們選擇 PCI9052作為接口芯片，利用功能芯片實(shí)現(xiàn)硬件的邏輯和物理實(shí)現(xiàn)。CAN控制器采用PHILIPS的SJAI000,可工作于BasicCAN模式或Pel.CAN模式下, 其中PeIiCAN模式支持CAN 2.0B協(xié)議，采用8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線接口。 如圖1所示,PC J總線雙CAN接口卡由兩片 SJAI000提供兩路獨(dú)立的 CAN接口，每片芯片的 8位地 址/數(shù)據(jù)總線和讀寫控制信號。鎖存信號直接與PCI9052相連。SJAI000輸出信號經(jīng)過光耦到

4、CAN收發(fā)器PCA82C250,82C250 供電電源為隔離電源， 由隔離電源轉(zhuǎn)換模塊提供。CAN總線的復(fù)位信號由 FPGA提供，CAN控制器SJAI000的中斷信號輸出到 FPGA.撈制蓿昏r*控制信號F地址、' 數(shù)挖復(fù)用地址、 數(shù)據(jù)塩用pci總找FPGACMJ控制誥SJAIOOOCANO總線幡出CAN控制器SJAIOOOCANIKS輸岀圖1雙冗余CAN總線樓塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在硬件上CAN總線冗余模塊要求使用相同兩套CAN設(shè)備（CAN0.CANI ），每套包含獨(dú)立的總線 電纜。總線驅(qū)動(dòng)器和總線控制器，從而實(shí)現(xiàn)物理介質(zhì)。 物理層。數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng) 用層的全面冗余。兩套設(shè)備采用熱備份方式運(yùn)行：

5、一個(gè)CAN控制器作為系統(tǒng)上電后默認(rèn)的CAN （稱為主CAN ）;另一個(gè)為系統(tǒng)的備用 CAN （稱為從CAN ）。系統(tǒng)正常工作時(shí)，主 CAN設(shè)備（CAN0 ）投入運(yùn)行，當(dāng)主 CAN設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至從CAN設(shè)備運(yùn)行，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常通信，提高系統(tǒng)可靠性。3軟件設(shè)計(jì)3.1 VXWorks 驅(qū)動(dòng)開發(fā)模型 VXWorks 操作系統(tǒng)是風(fēng)河公司（Wind River SyStem）推出的一款運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能。可裁減的嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它包括進(jìn)程管理。存儲管理。設(shè)備管理。文件系統(tǒng)管理。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)部分，只占用 了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運(yùn)行。

6、它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信。軍事。航空。航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。VXWorks操作系統(tǒng)提供幾種標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模型，如串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)接口 驅(qū)動(dòng)。總線控制器驅(qū)動(dòng)等。根據(jù)設(shè)備不同，可選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模型或自定cAN模塊是串行設(shè)備，設(shè)計(jì)選擇了標(biāo)準(zhǔn)串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型。CAN總線驅(qū)動(dòng)VXWorks系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。應(yīng)用程序10系統(tǒng)vxworks庫硬件無關(guān)軟件CAK動(dòng)程序板級支持包換件相X軟件CAN總線兀余損塊圖2 CAN總線驅(qū)動(dòng)模型框圖3.2.1 CAN模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) CAN模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包括實(shí)現(xiàn)設(shè)備初始化。與上層10通信。數(shù)據(jù)收發(fā)。參數(shù)設(shè)置。

7、驗(yàn)收 濾波器設(shè)置等。其中設(shè)備初始化要針對CAN設(shè)備冗余的特點(diǎn)，對兩個(gè)CAN控制器進(jìn)行相同的初始化操作；與上層 10通信。數(shù)據(jù)收發(fā)。參數(shù)設(shè)置。 驗(yàn)收濾波器設(shè)置操作只控制當(dāng)前處于工作狀態(tài)的CAN控制器。3.2.2驅(qū)動(dòng)冗余設(shè)計(jì)在雙 CAN冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，較之硬件結(jié)構(gòu)而言，軟件設(shè)計(jì)相對 復(fù)雜，其關(guān)鍵之處在于 CAN系統(tǒng)故障檢測及 CAN系統(tǒng)自動(dòng)切換。由于采用兩套完全獨(dú)立 的傳輸介質(zhì)。總線驅(qū)動(dòng)器和總線控制器，因此它們能分別獨(dú)立檢測到自己通道的故障，比如CANH與CANL短路，CANH或CANL斷開。CANH與地短路。CANL與電源短路。總線 驅(qū)動(dòng)器損壞等。實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，如果CANH.CANL斷開或只

8、有一個(gè)發(fā)送器在總線上，均會造成發(fā)送/接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器不斷增加到 128,使節(jié)點(diǎn)處于忽略錯(cuò)誤態(tài)；而 CANH與CANL 短路。CANH與地短路或CANL與電源短路均會造成發(fā)送 /接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器不斷增加到 256, 使節(jié)點(diǎn)處于總線脫離態(tài)。所以，通過節(jié)點(diǎn)狀態(tài)改變中斷子程序中調(diào)用CAN冗余模塊，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)上述故障自動(dòng)檢測及CAN系統(tǒng)自動(dòng)切換的目的。（1 ）接收冗余設(shè)計(jì) CAN設(shè)備接收時(shí)無法主動(dòng)檢測 連接線路的通斷狀態(tài)，這時(shí)就要求系統(tǒng) 中的兩個(gè)CAN控制器都同時(shí)工作于接收狀態(tài)。這時(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)以下幾種情況：正常工作。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)CAN控制器都在接收數(shù)據(jù)， 此時(shí)我們只要取其中主 CAN設(shè)備中的數(shù)據(jù)即可， 從

9、CAN設(shè)備中的數(shù)據(jù)丟棄；主CAN設(shè)備沒有接收到數(shù)據(jù)而從CAN設(shè)備能正常接收到數(shù)據(jù)，主CAN設(shè)備控制器的狀態(tài)寄存器中并沒有錯(cuò)誤標(biāo)志，這種情況是因?yàn)橹鰿AN設(shè)備的連接線路斷開而引起的，此時(shí)進(jìn)行通道切換，將主CAN設(shè)備設(shè)置為備用通道，把從 CAN設(shè)備設(shè)置為工作通道并從中取出數(shù)據(jù)送給10系統(tǒng)；主CAN設(shè)備能接收到數(shù)據(jù)，但其狀態(tài)寄存器中有錯(cuò)誤標(biāo)志，這是因?yàn)榫€路上的數(shù)據(jù)出錯(cuò)引起的，此時(shí)主CAN設(shè)備中的數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，不能被使用，因此要進(jìn)行通道切換，把從CAN設(shè)備設(shè)定為工作通道，從中取出數(shù)據(jù)送10系統(tǒng)，而主CAN設(shè)備進(jìn)行復(fù)位處理后再讓其工作于接收狀態(tài)，作為備用通道。數(shù)據(jù)接收流程如圖3所示。jgCAM同時(shí)工柞

10、_主©AN®牧土 CIAM墨杏有 _梅主can敦撼悔送到IO泰敵據(jù)去卉時(shí)故障通逍進(jìn)行復(fù)位進(jìn)行逓道切換.將從CAN設(shè)亞曲工作轉(zhuǎn)從c?a數(shù)撮佞遙1到IO離蜒一 _圖3 CAN總圾冗余驅(qū)動(dòng)敷據(jù)接收謊程（2）發(fā)送冗余設(shè)計(jì)當(dāng) CAN設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，如果發(fā)生主CAN設(shè)備連接線路斷開的情況，會在主 CAN設(shè)備控制器的狀態(tài)寄存器中置位錯(cuò)誤標(biāo)志，這樣相對于接收程序來說 要簡單一些。發(fā)送過程中系統(tǒng)只會出現(xiàn)兩種情況：正常工作時(shí)，只有主CAN設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)，從CAN設(shè)備處于復(fù)位狀態(tài)或者偵聽狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備工作；主CAN設(shè)備控制器的狀態(tài)寄存器的錯(cuò)誤標(biāo)志置位時(shí)，主設(shè)備不能正常發(fā)送，應(yīng)通道切換，復(fù)位主CAN設(shè)備，在從CAN設(shè)備上進(jìn)行信息重發(fā)。數(shù)據(jù)JtS洽Jliii 丘 AN 將 錯(cuò)諜標(biāo)恚“x n «據(jù)傳達(dá)總線 JX 討主 CANiaffMfc,t