1、引言
can 總線是由德國 bosch 公司為現(xiàn)實汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計的、支持分布式控制及實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。can 總線通訊的波特率可高達 1mbps，最遠距離可達 10km;can 總線通訊采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間短，受干擾的幾率低;can 總線協(xié)議有良好的檢錯措施，可靠性較高;can 總線通訊對于傳送幀可以設(shè)定不同的優(yōu)先級，通過總線仲裁機制使高優(yōu)先級的信息能夠被優(yōu)先及時傳送，增加了 can 總線通訊的實時性;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)點對應(yīng)一個地址，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，通訊方式可以為點對點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)用于自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機部件、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 總線的實時性以及抗干擾能力強等優(yōu)點也逐步為航天領(lǐng)域所認可。1995 年 sstl（surrey 大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)公司）將 can 作為星載遙測 / 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)，用于實現(xiàn)星載計算機與其他任務(wù)節(jié)點之間的通信;esa 在 smart-1 上也將 can 作為系統(tǒng)總線和有效載荷總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳送。在國內(nèi)，can 總線技術(shù)在小衛(wèi)星中也得到了實際的應(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、cpu 與 can 總線接口實現(xiàn)以及 can 總線通信軟件設(shè)計等方面進行了論述。
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”（csma/cd:carrier sense multiple access with collision detect）技術(shù)實現(xiàn)。利用 csma 訪問總線，可對總線上信號進行檢測，只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，才允許發(fā)送。利用這種方法，可以允許多個節(jié)點掛接到同一網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)檢測到一個沖突位時，所有節(jié)點重新回到‘監(jiān)聽’總線狀態(tài)，直到該沖突時間過后，才開始發(fā)送。在總線超載的情況下，這種技術(shù)可能會造成發(fā)送信號經(jīng)過許多延遲。為了避免發(fā)送延時，可利用 csma/cd 方式訪問總線。當(dāng)總線上有兩個節(jié)點同時進行發(fā)送時，通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)的報文優(yōu)先發(fā)送。在 can 總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個 11 位或 29 位數(shù) id。can 總線狀態(tài)取決于二進制數(shù)‘0’而不是‘1’，所以 id 號越小，該報文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。
can 總線的多主站工作方式的接收原理是通過驗收濾波器來實現(xiàn)的。獨立的 can 控制器 sja1000 設(shè)置了一個多功能的驗收濾波器，該濾波器允許自動檢查標(biāo)識符和數(shù)據(jù)字節(jié)。使用驗收濾波器的濾波方法可以防止對于某個節(jié)點無效的報文或報文組存儲在接收緩沖器里，因此降低了主控制器的處理負荷。濾波器由驗收碼寄存器（acc）和屏蔽寄存器（amr）組成。在 basiccan 模式里的驗收濾波，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)點傳送給本節(jié)點的數(shù)據(jù)，本節(jié)點 can 總線控制器將接收本幀數(shù)據(jù)，在 crc 校驗無誤后于應(yīng)答間隙產(chǎn)生應(yīng)答信號。
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、emi 低、信號不受電源開關(guān)狀態(tài)變化影響等優(yōu)勢， 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)計的現(xiàn)場總線，具有很多適合航天應(yīng)用的特點：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，很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達 10km），高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達 1mbps），可根據(jù)報文的 id 決定接收或屏蔽該報文，可靠的錯誤處理和檢錯機制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)，節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能等特點。
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 ecu 具備錯誤檢測、標(biāo)定和自檢的強有力措施。檢測錯誤包括：發(fā)送自檢、crc 校驗、位填充和報文格式檢驗。其錯誤檢測具有如下特性：其一， 所有全局錯誤都可以檢測;其二，發(fā)送器的所有局部錯誤都可以被檢測;其三，報文中 5 個以內(nèi)的隨機分布錯誤都可以被檢測到;其四，報文中長度小于 15 的突發(fā)性錯誤都可以被檢測得到;其五，報文中任何奇數(shù)個錯誤都可以被檢測得到;其六，沒有檢測出的已損報文的剩余錯誤概率為報文出錯率的 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，空間輻射對衛(wèi)星的影響相對較小。在這個高度上，總劑量為每年 1krad 左右（其量級相當(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)來源于試驗觀察），并且觀測到的 sel 發(fā)生概率非常低，在 sstl 整個記錄中只記錄到 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 輻照后其性能并無明顯下降。sstl 在低軌道小衛(wèi)星采用工業(yè)級 can 控制器芯片構(gòu)建衛(wèi)星 can 總線網(wǎng)絡(luò)的成功，驗證了上述結(jié)論。表 2 為 sstl 在近年來采用的 cots can 器件。
表 2 surrey 大學(xué)采用的 cots can 器件統(tǒng)計列表
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 、 星載計算機中的雙冗余容錯 can 總線設(shè)計
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)故障時通過另一條進行通信并重新初始化出錯的總線以備將來再用。這樣即使一條通信通道故障后不會影響整個系統(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)計原理簡圖
圖 2 為星載計算機中 can 總線硬件設(shè)計原理框圖。 can 總線協(xié)議控制芯片選用 philip 的工業(yè)級器件 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 實現(xiàn)。sja1000 工作在 intel 模式，工作時鐘為 7.3728mhz。復(fù)位信號通過 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)置所對應(yīng)的電路。對于使用 82C250 集成的收發(fā)器電路，SJA1000 的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊建議使用旁路功能，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
82C250 的 RS 信號通過電阻 Rext 接地。RS 管腳的電流決定了傳輸介質(zhì)上傳輸信號的信號沿的陡峭程度，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)境進行設(shè)計和選擇，具體可參見 SJA1000 的數(shù)據(jù)手冊或者應(yīng)用文檔。
5、 CPU 與 SJA1000 的接口邏輯設(shè)計
星載計算機的 CPU 不同于 8086，采用的是獨立地址和數(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 的總線信號經(jīng)過適當(dāng)邏輯處理后才能夠滿足 CAN 總線控制器的時序要求。圖 4 和圖 5 是 SJA1000 在 Intel 模式下的讀寫時序。
圖 4 SJA1000 讀時序（Intel 模式）
圖 5 SJA1000 寫時序（Intel 模式）
按照 SJA1000 的數(shù)據(jù)手冊，確保 SJA1000 的讀寫正確，如下的時序參數(shù)必須滿足：
l tW（AL）：必須保證 ALE 的時間，最小不能小于 8ns；
l tLLRL/tLLWL：讀寫時 ALE 無效到讀寫信號有效的時間，最小不能小于 10ns；
l tLCRL/tLCWL：片選信號有效后讀寫信號有效的時間，最小不能小于 0，即片選有效必須出現(xiàn)在讀寫信號有效前；
l tW（R）：讀信號有效寬度，最小不能小于 40ns；
l tW（R）：寫信號有效寬度，最小不能小于 20ns；
l tWHLH：寫信號無效到下一次 ALE 有效的時間，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。接口時序設(shè)計重點是接口控制邏輯必須產(chǎn)生符合上述關(guān)鍵參數(shù)的讀寫時序。如果簡單的按照 ALE《=not nADS 方法處理，不滿足要求時序關(guān)系，這在調(diào)試過程中已經(jīng)得到驗證。為此，在設(shè)計中采用了 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 編寫實現(xiàn)接口電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和 FPGA 設(shè)計產(chǎn)生的讀寫 CAN 總線時序，其中時鐘周期不低于 67ns，該時序滿足 SJA1000 要求。
圖 6 CAN 總線接口時序設(shè)計的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和時序
6、 CAN 總線通訊軟件的設(shè)計
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)送三個模塊組成，控制流圖見圖 7。在程序設(shè)計時采用了 SJA1000 的 Basic 模式，初始化中需要對 BUS0 和 BUS1 分別進行初始化，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 BUS1 通道進行通訊，并對 BUS0 通道進行初始化以備下次通訊時使用。
接收模塊采用中斷接收方式，為了保證接收到的數(shù)據(jù)被實時處理，CAN 總線的接收中斷被設(shè)置為高優(yōu)先級中斷。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)長度進行數(shù)據(jù)接收。
7 、結(jié)束語
CAN 總線技術(shù)的諸多優(yōu)點如實時性好，通信速率高，抗干擾能力強，低廉的價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)域進軍。其 COTS 工業(yè)級器件 SJA1000 經(jīng)過飛行也得到了驗證，CAN 總線適宜航天應(yīng)用的特點得到了充分的展示和飛行驗證。