一種新型CAN總線冗余電路設(shè)計(jì)與研究

摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種新穎的CAN總線雙冗余節(jié)點(diǎn)電路，增強(qiáng)了冗余切換的靈活性。基于對(duì)冗余數(shù)學(xué)模型運(yùn)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(jià)比最好，設(shè)計(jì)出了一種節(jié)點(diǎn)電路，給出了硬件連接原理圖，闡述了程序設(shè)計(jì)的思想，最后指出了這種電路切換應(yīng)考慮的各種事項(xiàng)。
0 引言
CAN(Controller Area Network)總線是上世紀(jì)80年代德國(guó)Bosch公司開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)總線，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇。CAN總線主要特點(diǎn)如下：
(1)CAN總線系統(tǒng)導(dǎo)線少(兩線電源線，兩根信號(hào)線)，維護(hù)和安裝便捷；
(2)CAN協(xié)議采用8字節(jié)的短幀結(jié)構(gòu)，保證了傳輸?shù)恼_性和低誤碼率；
(3)CAN協(xié)議對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，使得網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制且無(wú)主從之分；采用廣播方式，不同的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)；
(4)采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。
CAN總線具有突出的靈活性、實(shí)時(shí)性和可靠性，已廣泛應(yīng)用到機(jī)器人、汽車、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)通信中。雖然CAN協(xié)議本身具有強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，但是在實(shí)際應(yīng)用中由于硬件電路接口連接不牢和傳輸介質(zhì)容易受到損壞，因此在電力機(jī)車、船舶機(jī)艙和航空航天等對(duì)可靠性要求很高的領(lǐng)域，往往采用冗余設(shè)計(jì)來(lái)提高硬件的可靠性。

1 冗余設(shè)計(jì)可靠性分析

采用CAN總線冗余設(shè)計(jì)，主要是為了提高系統(tǒng)的可靠性。已實(shí)際應(yīng)用的有雙總線冗余和三總線冗余等?？偩€冗余相當(dāng)于系統(tǒng)并聯(lián)，以雙總線冗余設(shè)計(jì)為例進(jìn)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(xiàn)只分析了雙總線，這里借鑒其方法進(jìn)一步分析已有實(shí)際應(yīng)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(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的可靠度為：
R3=1-(1-R)(1-R)(1-R)
另外，假設(shè)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(wú)故障時(shí)間為，則三種模型的平均無(wú)故障時(shí)間分別為：

由，即采用冗余設(shè)計(jì)使平均無(wú)故障時(shí)間增加。由此可見(jiàn)，采用冗余設(shè)計(jì)確實(shí)能提高通信可靠性。
但是，由或，即采用雙總線冗余設(shè)計(jì)使平均無(wú)故障時(shí)間的相對(duì)增加量比采用三總線高。由此類推可得，采用雙總線冗余設(shè)計(jì)效率最高。因此，工程中只需采用雙總線冗余即可。

2 節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)一般采取CAN控制器或CAN接口芯片和總線驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。具體有三種構(gòu)成形式：a．獨(dú)立CAN通信控制器和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，如SJAl000+PCA82C250；b．帶控制功能的I／0器件和CAN驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成， 如P82C150+PCA82C250；C．帶在片CAN微控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，如P80C592+PCA82C250。本文采用第三種形式，有利于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，在冗余設(shè)計(jì)時(shí)便于程序控制。