舰载设备CAN总线可靠性研究

孙 超，金仁波

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

随着我国综合国力的不断提升，舰载武器装备的品种不断增多，功能不断加强。而设备的智能化管理，需要显控设备与各个分设备通讯，时刻获取其相应的工作状态，做到一主多从或多主多从的点对点通讯方式。

CAN是Controller Area Network的缩写(以下简称CAN)，是ISO国际标准化的串行通信协议，已广泛应用于工业自动化、医疗设备、船舶等领域。它是有效支持分布式控制或实时控制的一种通讯网络，可以实现多个设备的交互式管理。CAN通信具有以下优点[1]：多主控制、消息的发送、系统的柔软性、通信速度、远程数据请求、错误的检测、通知、恢复功能、故障封闭以及可连接多个单元。CAN总线任意2个的最大传输距离为10 km(传输速率5 kbps)，最大的传输速率为1 Mbps(总线长度少于40 m)。CAN采用的逐位总裁机制能强制处理总线上的错误，避免整个网络崩溃。

CAN通讯的多种优点适用于舰船上复杂的网络系统。然而，舰载武器装备的整体结构复杂，用电设备繁多，电磁环境恶劣，通讯过程中难以避免信号的干扰、延迟、抖动等问题，对通讯方式的稳定性、可靠性提出了新的要求。

本文对CAN通信的可靠性理论进行研究，对提高舰船CAN总线通信可靠性具有重要意义。

1 CAN的可靠性定义

产品的可靠性是指在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力，可以通过故障概率密度函数、可靠度函数、平均寿命[2]等不同的方式进行描述。

CAN总线通信的可靠性，主要为传输可靠性。它的定义为在规定时间完成一次完整报文传输的能力[3]。

阻塞时间Tb，指的是节点欲向网络上发送一个报文，直到报文完整发送到网络上为止所需的等待时间；软件抖动时间Tm，指的是受现场相关影响因素造成软件的执行延时时间；截止时间Td，是指传送一次完整报文的时间；设报文一次性成功发送至网络所需的时间为Tframe。CAN报文在传输过程中，受各种因素影响，会出现传输阻塞、软件抖动等情况，若满足Tframe+Tb+Tm-Td≤0,则表明一帧报文已成功传输。报文的可靠度可以定义为该报文截止期内发送成功的概率，可以用R表示，其数学定义为：

(1)

式中：fx(X)表示随机向量X=(X1,X2,…,Xn)的联合概率密度函数；g(X)表示状态函数，表征传输过程中的成功与失败2种状态，即：

(2)

(3)

(4)

(5)

取g(X)的均值与方差：

(6)

(7)

由此可靠性指标为：

(8)

由以上可得可靠度R为：

R=Φ(β)

(9)

式中：Φ(β)为一标准正态分布函数。

2 可靠性的影响因素

硬件因素、软件因素和外部因素是影响总线通信可靠性的主要因素。硬件因素，主要包括总线中硬件电路设计、电子元器件寿命等；软件因素，主要包括软件复杂度、软件设计、开发软件等。

外部因素是影响CAN总线通信的主要因素[2]。第一，CAN总线的通讯带宽。当数据量达到网络的预定带宽时，会发生通讯延迟、丢失，降低CAN的实时性。当进行二次传输时，占用总线时间将增加，丢失其控制优势。第二，CAN总线外部节点故障。节点的掉电及接地故障均能自动脱离总线，不影响总线通讯，但会失去该节点的控制及监测。第三，CAN总线的短路、断路。CAN的短路会影响CAN的差分电平，总线将无法正常工作；断路，会使得断路节点以外的所有节点脱离总线，影响实时通讯。第四，复杂的电磁环境。舰船内有多个设备，每个设备均由多种分设备组成，其中不免有大功率电源、雷达天线、高压线缆等设备之间的辐射干扰、传导干扰，以及磁暴、雷电等自然干扰。恶劣的电磁环境，可能对CAN总线通讯产生位翻转、循环冗余校验(CRC)错误等影响，使整个系统传输能力下降，可靠性降低。

3 提高CAN通信可靠性的方法

在无法改变周边电磁干扰环境的情况下，提高CAN通信的可靠性主要依靠硬件设计及软件设计。硬件设计主要包括硬件设备的冗余设计和保护设计；软件设计主要包括CAN通信的算法设计。

3.1 硬件设计

(1) CAN的冗余设计

CAN总线冗余设计[4-5]：CAN通信总线上共有2条通信线缆，总线上每个节点的设计均采用2个驱动器和1个控制器或者2个驱动器和2个控制器。每个节点在进行数据发送时，微控制器(MCU)将数据通过2个驱动器同时发送给2条CAN线路；当进行数据接收时，总线上的数据发送给2个驱动器，驱动器在进行数据处理后，送入MCU。或每个节点有2个驱动器及2个控制器，同时通过2条CAN线路收发，到中央控制器处理。当2条线路均正常，选取主条线路收发即可；当主通讯线路发生故障时，切换备用线路。其原理框图如图 1所示。

图1 CAN冗余设计原理框图

中央控制器在截止时间内未收到主线路数据，则该通讯线路存在异常，可立即切换到备份线路查看通讯报文。该冗余设计可大大提高通信的可靠性。

(2) CAN的保护电路设计

CAN的保护电路设计，主要是针对雷击、串扰等环境因素对通讯的影响。可以通过在CAN输入输出端加匹配电阻、共模电感及CAN保护器，起到通讯稳定的作用，如图 2所示。

图2 CAN保护电路

3.2 软件设计

软件的设计优化，在硬件设计基础上，主要针对单个控制器、2个CAN驱动器的情况。其流程图如图 3所示。

图3 软件设计流程图

该优化算法能预先计算CAN总线网络中的冗余路径，当主路线发生故障时，可迅速对各个流量的备用路线进行部署，防止通信故障，提高可靠性。

该软件的优化算法设计如下：

首先，每个通讯节点将当前的连接状态、链路负载等信息通过总线上报给中央控制器。

其次，根据流量的需求和网络结构，中央控制器搜寻最优路径，对路径长度、带宽排序，配置各个通讯节点，达到最优状态。

最后，某个通讯节点故障，及时上报中央处理器，中央处理器经过接收报文并处理，判断确实故障时，立即切换到备份线路。

此优化的配置算法，当节点故障时，能及时切换备用线路，避免了通讯阻塞、故障恢复时间，对舰载设备通讯的实时性和可靠性都起到了重要作用。

4 结束语

CAN总线是舰载设备应用最为广泛的现场总线之一，然而其可靠性易受电磁干扰、延迟等问题的影响。本文围绕提高CAN通信可靠性进行论述，首先讨论了CAN可靠性定义及可靠性影响因素，然后从硬件上提出了一种冗余设计架构和保护电路，并从软件上提出了一种基于硬件冗余路径后流量配置算法，对提高舰载CAN通信网络可靠性具有重要的指导和应用意义。