多通道波特率自适应CAN总线监测系统

何 鑫，张会新，刘文怡，熊继军，洪应平

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

随着信息技术、人工智能技术、传感器技术的发展，无人机机载电子设备及传感器的数量也越来越多[1-3]。为了降低布线的复杂性，无人机机载设备与传感器一般采用现场总线进行通信，CAN总线是其中一种[4]。同时，为了保证通信的可靠性，使用多个CAN总线进行冗余通信，且不同数据量的设备使用不同波特率通信[5-6]。为了在飞行任务结束后能对飞行器各设备工作情况进行分析，需要对总线上的数据进行监控与记录[7]。现有的数据记录器一般只能对单个CAN总线进行数据采集及记录，且通信波特率由内部程序固化，不能对通信波特率进行自动适配，不满足无人机的多通道、多波特率数据记录要求。

针对以上问题，设计了一种具有自动波特率的多通道CAN总线实时监测系统，该系统能够自动识别总线通信波特率，并记录通信数据。在无人机飞行完毕后，可读取内部记录的数据重新转化为有效信息，为无人机的飞行状况、故障信息分析提供数据。

1 总体方案设计

如图1所示，系统采用模块化设计，可降低系统设计的复杂度[8-9]。系统包括电源模块、FPGA控制模块，以太网通信模块、CAN监视模块、数据存储模块，计算机及数据解算上位机软件为额外部分。系统上电后，首先对FLASH进行坏块的检测与标记，同时查找上次数据存储记录，将数据写指针偏移至空白地址，确保已存储的数据不会被新数据覆盖。CAN总线监视模块采集到的数据经过FPGA的封包处理后，冗余存储到FLASH中。使用W5300实现以太网接口，计算机可通过以太网总线直接与记录器进行通信，完成数据的读取以及相关参数的设置工作，无需通过测试台中转。

图1 系统整体框图

2 硬件设计

2.1 CAN总线监视模块

CAN监视模块能够实时监控4路总线通信数据，支持的通信速率最高可达1 Mbit/s。同时内部留有扩展接口，支持对CAN总线进行通道扩展，理论可扩展总线通道数只受系统资源限制。如图2所示，使用MCP2515作为CAN总线控制器，该芯片是独立的CAN协议控制器，完全支持CAN2.0B标准，FPGA通过SPI总线实现对该芯片的控制，操作简单可靠。CAN收发器使用TJA1050。考虑到无人机内部总线挂载设备较多，以及机舱内部的电气复杂性、记录器自身的稳定性等，同时为了提高系统的EMC性能，使用TVS二极管并接在CAN_H、CAN_L与GND上。当外界干扰信号超过TVS二极管的击穿电压时，二极管将处于钳位状态，将电压限制在一个安全范围，保护电路不受损坏[10]。

图2 CAN总线监视模块功能原理图

2.2 数据存储模块

现有无人机的滞空时间一般为几h至十几h[11-12]。按16 h滞空时间、四通道CAN波特率1 Mbit/s、带宽利用率60%计算，则所需存储容量为：16 h×4×1 Mbit/s×60%÷8 bit=16.875 GB，因此，数据存储模块选用容量大小为32 GB的NandFlash芯片，可满足无人机不小于16 h的数据记录要求。为保证在意外情况下也能正常回读数据，该部分独立于数据采集模块，使用单独的存储小板设计，放置于抗高过载的合金钢小桶内，仅使用线缆与采集控制模块相连，并设计有备用读数接口，当线缆损坏时可通过备用接口读取数据。图3为存储小板电路逻辑图。

图3 存储模块功能原理图

2.3 以太网通信模块

系统使用以太网总线与计算机进行数据传输。接口芯片使用W5300，该芯片内部集成TCP/IP协议和10/100 M的以太网MAC和PHY，支持全硬件通信协议技术，如TCP、UDP、IPv4、ICMP、IGMP、ARP等，其内置通信数据存储器高达128 KB字节，极大程度降低了主控器件对存在资源的需求。如图4所示，W5300使用并口方式与FPGA进行连接，数据线宽度为16 bit，地址位宽度为10 bit，配合WR(写使能)、RD(读使能)、CS(片选信号)对W5300内部寄存器的读写操作，完成数据收发操作。

图4 以太网模块原理图

3 系统逻辑设计

3.1 CAN波特率自适应

MCP2515是独立的CAN控制器芯片，共有5种工作模式：配置模式、正常模式、休眠模式、仅监听模式、环回模式。控制器具有8个中断源，CANINTF是中断标志寄存器，如图5所示。

图5 CANINTF中断标志寄存器

当中断被使能且有中断发生时，相应的标志位会被置位，通过读取该寄存器的值可判断出中断类型。Bit7为报文错误中断标志位，如果在报文发送或者接收过程中有错误发生，将触发报文错误中断，同时该标志位被置位。Bit0为接收缓冲器0满中断标志，收到正确报文时该标志位将被置位。设计中使用仅监听模式，配合报文错误中断、接收缓冲器0满中断实现CAN波特率的自适应功能。

波特率自适应流程如图6所示，在自适应阶段，系统不断读取CANINTF中断寄存器，并对寄存器的值进行判断。如果有报文错误中断发生，则说明可能波特率有误，报文错误中断计数器加1，当报文错误中断计数器值大于设定的阈值时，轮询波特率查找表，重新对波特率进行配置；如果无报文错误中断发生，同时有报文接收中断发生，则说明接收到的报文极大概率为正确报文，正确报文中断计数器加1，当正确报文中断计数器值大于设定的阈值时，说明当前设置的波特率值是正确的，波特率自适应结束。

图6 自动波特率识别流程图

3.2 CAN数据采集

数据采集使用MCP2515的仅监听模式，在该模式下，芯片不会发送任何报文，包括错误标志或者确认信号，此模式能将记录器对总线的影响降到最低。

当MCP2515监听到CAN总线上有数据时，其内部状态寄存器的接收中断标志位会被置位，FPGA通过查询该标志位即可知道数据的接收状态。当有数据被缓存到芯片的内部缓冲器时，使用读RX缓冲器指令快速将数据读取到FPGA内部。相对于普通的数据读取指令，该指令只需发送一次便可以完成数据读取功能，而普通指令则需要间断读取14个寄存器，数据读取更快速，系统实时性更高。

3.3 数据存储

系统采集的数据以帧头、CAN通道、帧记数、帧长、CAN数据、帧校验的形式将数据打包，写入到数据缓存FIFO中。帧校验为和校验，计算方式为除校验位自身外所有数据的字节和，取低8位，用于校验数据的正确性。

另外，由于电磁干扰的存在，数据在写入、读取或者存储的过程中都可能出现位翻转的情况，从而导致数据出现错误[13-14]。虽然数据有帧校验，但本设计中采用的和校验方式、普通的奇偶校验方式，都只能检查出数据是否有发生错误，不能确定是数据中的哪一位发生错误，也就不能对错误进行修正。因此，为了最大限度确保存储数据的正确性，设计中引入了错误检查和纠正技术(ECC),并在FPGA中实现了基于汉明码(hamming code)的ECC纠错算法。汉明码是一类线性纠错码，最多可以检测2位错误或者纠正1位数据错误[15]。如图7所示，数据在写入FLASH中前，使用汉明码对数据进行编码，将编码得到的校验值写入FLASH芯片的spare area区域。读取数据时，使用读取的数据计算新校验值并与读取的校验值对比。若新计算的校验值与读取的校验值不一致，则说明有数据位发生错误，使用特定算法对2个校验值进行计算即可确定发生错误的数据位，对该位进行取反即可得到正确的数据。

图7 数据存储流程图

3.4 数据读取

计算机通过以太网总线直接读取数据，上位机作为TCP服务器，而记录器作为TCP客户端。上电后，记录器主动寻找服务器并建立链接。在进行数据的传输之前，需要先对W5300进行复位，并配置相关寄存器。复位需要先拉低RST引脚至少2 μs，然后拉高该引脚并等待至少10 ms，直到其内部PLL时钟锁定完成。寄存器配置需要设置TCP服务器IP地址、通信端口、本机IP地址及MAC地址，同时为通信SOCKET分配TX/RX内存空间。由于需要配置的寄存器较多，因此事先将寄存器值写入查找表中，配置寄存器时只需要从查找表读取相应寄存器的值并写入W5300内部寄存器即可。当寄存器配置完成并且TCP链接建立成功后，上位机可发送指令读取数据并保存至计算机。

4 实验结果与分析

本文使用具有多路CAN总线的测试台对系统进行测试，如图8所示。由测试台内部生成多路不同波特率信号源，发送周期为10 ms的递增数。其中通道1波特率为100 Kpbs，标准远程帧；通道2波特率为125 Kbps，标准数据帧；通道3波特率为250 Kbps，扩展数据帧；通道4波特率为1 Mbps，扩展远程帧，数据记录时长为16 h。

图8 多路CAN总线测试台上位机

在测试完成后，使用记录器配套的上位机读数软件读取存储的数据，数据读取完成后，使用Hex Edit软件进行数据格式分析，由图9可以看出，系统采集存储的数据格式与设计好的帧格式一致，各个通道的帧记数有序排列，不同波特率CAN通信数据都被正确采集与存储。结果表明本系统能够正确自动地识别CAN通信波特率，并采集存储数据。

图9 部分数据结果

另外，分别对未使用ECC纠错算法的记录器和本系统进行5次数据存储与分析实验，每次存储与读取2 GB数据，测试两者的错误字节数，测试结果如表1所示。

表1 误码率测试对比表

分别计算两者的误码率，未使用ECC纠错算法的常规记录器平均误码率为5.21×10-9,本系统的平均误码率为3.72×10-10。由测试结果可以看出，在引入ECC纠错算法后，相对于无纠错算法的记录器，本系统数据误码率下降了1个数量级，可靠性、稳定性更高。

5 结束语

本文设计的CAN总线监控系统的创新点是波特率自适应和ECC数据纠错算法的引入，多通道数据并行记录也是本系统的亮点。实验表明，本文系统性能稳定、通用性高，数据误码率低，可以满足无人机多通道、多波特率CAN总线数据记录要求。