水下机器人通信系统的CAN总线冗余设计

邱小军 刘 浏 吴 超 李建勋 葛 彤

(上海交通大学电子信息与电气工程学院1，上海 200240;上海交通大学水下工程研究所2，上海 200240)

0 引言

水下机器人(remotely operated vehicle，ROV)不仅广泛应用于海底资源探测等科学研究领域，而且在工业和军用领域也有广阔的应用前景。由于海洋环境复杂多变，且水下机器人的六自由度运动方程具有很强的耦合性和非线性特征，所以ROV对通信系统的可靠性和稳定性有很高的要求。通信系统故障有可能会导致ROV丢失，所以通信系统的可靠性设计是一个非常关键的问题[1]。

CAN总线因具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力好、成本低、检错能力强等优点，在现场总线中应用广泛。目前，基于CAN总线的ROV控制系统设计方面已经有一些研究[2－4]，但这些研究主要采用单CAN总线进行通信。这种通信方法的缺点是当CAN总线出现故障时，整个控制系统将无法运行。因此，针对单CAN总线在冗余性方面的不足，设计了ROV通信系统的通信扩展板，并采用了双CAN总线冗余技术。该设计的优点在于当通信系统出现CAN总线故障时，可以实现总线的自动切换，从而提高系统的可靠性。

1 系统总体设计

典型的ROV控制系统框图如图1所示[5]。

图1 ROV控制系统框图Fig.1 Block diagram of ROV control system

为保证ROV控制系统各单元之间通信的稳定性和可靠性，通信扩展板在硬件设计上采用了类似主板的设计方法，即使用了微处理器。这种设计有利于ROV数据的传输，能够简化主板数据传输任务的负担;同时，采用PC/104总线与主板进行通信。PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。本设计将该总线应用于ROV通信系统，可以增强系统的可扩展性。

按功能划分，通信系统由PC/104接口转化部分、复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)时序转化部分、ARM实时控制部分和双CAN等外设组成。主板作为总控制和调配单元，PC/104总线接口用于主板和通信扩展板之间进行数据传输;CPLD作为中间逻辑接口，用于连接PC/104接口和ARM;ARM处理器作为主控制器，实时控制通信扩展板上的外设;ARM结合CPLD，实现双CAN总线冗余功能。

为了实现通信扩展板与主板之间的通信，首先需要在它们之间建立一个通信协议，用于通信扩展板解析主板命令。然后主板和通信扩展板各自对板上的外设进行初始化，彼此相互独立，完成各自任务的调度和控制。最后主板通过访问通信扩展板外设返回的状态和数据，执行系统总任务调度。这种设计可以降低主板CPU任务调度的复杂性。主板发送命令后，通信扩展板根据通信协议解析主板命令，控制相应的外设，从而完成指定的功能。

当主板访问通信扩展板时，可将通信扩展板看作主板的外设，主板通过访问通信扩展板所占用的地址空间来实现对外设的访问。主板发送的控制指令，经PC/104总线传送到通信扩展板;CPLD接收到命令后对其进行判断，并根据主板操作类型触发ARM处理器外部中断;ARM获取到主板指令后，根据通信协议解析主板命令。如果主板需要读取外设数据，则CPLD触发ARM处理器外部写中断。ARM进入写中断处理函数，把相应外设的数据通过数据线发送出去，再经过CPLD转化成主板读信号，同时把数据返回主板。如果主板进行写命令操作，CPLD收到命令后读取PC/104总线数据，触发ARM读中断，并把PC/104总线数据送到ARM数据总线。

2 PC/104总线接口设计

由于ARM处理器外部总线和PC/104总线之间的时序逻辑不一致，因此，采用CPLD对其进行逻辑转化。为了解决两种总线在电平模式、制造工艺上的差异，在ARM处理器和PC/104总线间接入缓冲器，以调整电气特性，保证总线转化的可靠性。

2.1 PC/104接口控制器原理

在PC/104总线接口的设计中，如何实现总线控制器的设计是PC/104接口的设计重点。本设计采用CLPD来实现总线控制器接口。通信扩展板PC/104总线控制器的工作流程如图2所示。

图2 PC/104总线转化器流程图Fig.2 Flowchart of PC/104 bus converter

2.2 接口硬件设计

主板PC/104总线宽度为8位，而连接PC/104的数据总线可以为8位或者16位操作，设置成8位总线宽度将有利于PC/104和ARM总线的同步，并且可以降低CPLD逻辑设计的复杂度。ARM和PC/104接口的转化电路[6]设计框图如图3所示。

图3 ARM和PC/104总线接口电路Fig.3 Circuit of the interface between ARM and PC/104 bus

在硬件方面，ARM微处理器采用Atmel公司的工业级芯片AT91RM9200。该芯片具有丰富的应用外设及标准的接口，最高工作频率可以达到200 MHz，具有低功耗、低成本和高性能的特点。CPLD采用了XILINX公司的XC95288XL芯片。该芯片拥有大量的I/O接口，可以满足本设计需要。ARM芯片具有数据线、地址线等控制线信号和若干个外部中断信号。中断信号线的主要作用是当CPLD接收到主板总线命令时，根据总线操作类型触发ARM相应的中断信号，可用于通知ARM进行数据的读写。NCS4信号引脚为ARM静态存储器片选信号，CPLD根据该引脚信号判断是否为ARM与PC/104总线之间的操作。若干个PIO口连接到CPLD的I/O口上，可用于查询CPLD工作状态。

在电气特性方面，ARM、CPLD和PC/104存在一些差异。CPLD的标准输入电平可以兼容TTL和LVTTL电平，输出电平为LVTTL电平;PC/104总线为TTL电平，虽然CPLD可以直接与TTL电平的PC/104总线相连，但可能因电气特性、信号完整性方面的原因，导致系统的可靠性下降，故在此采用缓冲器进行两种电平间的转换，以确保信号转化的可靠性。

3 双CAN总线冗余设计

CAN总线虽然具有抗干扰能力强、检错能力好等优点，但在实际使用中，CAN总线会出现总线故障，从而降低系统的可靠性。通过分析控制系统的冗余策略和实现方法[7]，对ROV控制系统通信进行了双CAN总线冗余设计。目前，CAN总线冗余方法主要有以下几种[8－9]。

①CAN总线驱动器的冗余。该冗余的基本思路是使用两条总线，并在每个节点使用两个CAN收发器和一个CAN控制器;在两个收发器和控制器之间设计一个切换电路。正常情况下，只有一个收发器处于工作状态。当收发器工作不正常时，可经过切换电路自动切换到另一个CAN收发器。

②CAN总线控制器的冗余。该冗余的基本思路是使用两套完全不同的总线、收发器和总线控制器，处理器通过不同的端口中断和连接总线控制器。

③全系统的冗余。该冗余的基本思路是对整个CAN总线系统进行冗余，即使用两套完全相同的CAN总线、收发器、总线控制器和处理器。

第一种冗余方法存在一个硬件判断电路，当继电器进行双CAN切换时，不能保证切换成功;第二种方法硬件实现简单，而且可靠性高;第三种方法系统成本高，而且复杂。

3.1 双CAN总线系统

本文设计的双CAN总线冗余策略采用两套总线，由两个CAN收发器和两个CAN控制器实现。控制器采用SJA1000，它是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代产品，而且增加了一种新的工作模式PeliCAN，能够支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。

为了提高板卡负载能力和抗干扰能力，适应复杂环境分布式控制要求，本设计方案选用PCA82C250作为板卡总线收发器，在PCA82C250和SJA1000之间使用HCPL0603高速光耦进行电流隔离。该高速光耦的延时时间短，可以满足速度要求。在PCA82C250收发器和HCPL0603光耦之间采用B0505S-1W的DC/DC隔离电源芯片作为供电电源。在CAN总线上连接终端电阻，并在总线上设计限流电阻和滤波电容，以提高系统的抗干扰能力。双CAN总线系统框图如图4所示[10－11]。

图4 双CAN总线系统框图Fig.4 System diagram of dual CAN bus

SJA1000控制器的总线接口采用数据/地址复用方式，AT91RM9200外部总线不能直接连接SJA1000，而是需要对这两种总线进行转化，在此采用CPLD实现总线间的时序转化。ARM芯片的数据线、地址线、读/写控制信号、NCS5片选信号和两个外部中断信号线连接CPLD的I/O接口。其中，NCS5为ARM静态存储器片选信号，用于两路CAN资源地址空间的分配;两个中断信号引脚用于两路CAN资源中断。ARM总线信号经CPLD时序转化，产生SJA1000所需要的地址、数据、读/写、片选、模式选择和ALE信号等。

3.2 CAN总线冗余切换设计

双CAN总线冗余的实现主要需要解决故障的检测认定、CAN总线的重启和总线的自动切换等问题。

在正常工作情况下，系统初始化两路CAN总线：其中一路CAN总线正常运行，另一路CAN总线处于备用状态。ROV通信系统的CAN总线任务主节点以60 ms为周期给分节点发送查询命令。主节点和分节点之间采用应答形式，即分节点只有在接收到主节点发送的查询命令后，才开始通过CAN总线往主节点发送数据包。分节点CAN总线采用双屏蔽方式，主节点不屏蔽接收所有CAN总线数据包。系统运行后，主节点向分节点发送同步信号，直到建立同步。CAN总线故障检测方法是采用主节点和分节点分别检测CAN总线的接收任务状态。

主节点CAN总线冗余流程图如图5所示。

图5 主节点CAN总线冗余流程图Fig.5 Flowchart of main node CAN bus redundant

分节点流程图与主节点类似，只是没有查询总线切换请求，在总线出现故障时，增加了给主节点发送总线切换请求。

下面分两种情况对CAN总线自动切换进行具体设计。

①主节点CAN总线接收任务超时

主节点发送完查询命令后，监视CAN数据接收，并将超时时间设定为600 ms。如果分节点没有在设定的时间内返回CAN数据包，就认定CAN总线出现故障，关闭CAN总线，重启并置重启标志。重启后如果故障仍没有消除，标记错误总线，并向分节点发送CAN总线切换命令，关闭出现故障的CAN总线，所有节点同时开启备用CAN总线接收中断，备用总线等待建立同步。当CAN接收没有超时，则在CAN接收中断中查询是否有总线切换申请。如果没有，表示运行正常;如果有，则说明某个分节点总线出现故障，标记错误总线，并发送总线切换命令，同时关闭出现故障的CAN总线，所有节点开启备用CAN总线接收中断，备用总线等待建立同步。

②分节点CAN总线接收任务超时

超时时间设定为600 ms，即在这段时间内没有收到主节点CAN总线的查询命令即关闭并重启CAN总线。重启后如果故障没有解决，标记错误总线，并向主节点发送切换请求，同时，切换备用CAN总线，开启中断接收，关闭故障总线，等待建立新的同步。

本设计方案已在实际的ROV通信系统中进行了相关的测试。通信板卡使用VxWorks实时操作系统，通信系统主控单元每隔20 ms轮流给分节点发送CAN总线访问指令，通信周期为60 ms。调试结果显示，板卡CAN总线通信效果良好，CAN总线发送任务和中断处理任务运行正常，具有一定的规律性。

4 结束语

针对ROV通信系统，本文设计了以ARM处理器为核心、基于双CAN总线冗余的PC/104通信扩展板。这种设计可以减轻ROV通信系统主板控制器的负担，简化主板对通信扩展板驱动开发的复杂性;同时在外部设备多且传输数据量大的应用场合，保证了系统的性能。双CAN总线的冗余设计使得当系统单路CAN总线出现故障时，能够在不需要干预的情况下实现总线的自动切换，提高了系统的稳定性和可靠性。

[1]蒋新松，封锡盛，王棣棠.水下机器人[M].沈阳：辽宁科技出版社，2000.

[2]高剑，严卫生，张福斌，等.一种自主水下航行器分布式控制系统[J].兵工学报，2009，30(8)：1140 －1141.

[3]高剑，严卫生，赵宁宁，等.基于CAN总线的水下机器人分布式控制系统[J].中国造船，2007，48(3)：128 －133.

[4]张宏伟，王树新，杨晓华，等.基于CAN总线的自治水下机器人控制系统[J].机器人，2006，28(4)：448 －450.

[5]张颖，张有志，方敏，等.基于CAN总线多主节点结构的自治水下机器人通信系统[J].上海海事大学学报：自然科学版，2010，31(1)：40 －41.

[6]李臻君.基于ARM的PC/104总线嵌入式工控机的研究和实现[D].湘潭：湖南大学，2008.

[7]黄文君，金建祥，冯冬芹，等.控制系统的冗余策略和实现准则[J].仪器仪表学报，2004，25(4)：545 －546.

[8]禹春来，许化龙，刘根旺，等.CAN总线冗余方法研究[J].测控技术，2003，22(10)：28 －30.

[9]向卫军.基于PC/104的CAN总线冗余方法[J].工业控制计算机，2008，21(1)：30 －31.

[10]郭晓军.基于PC104总线的双通道CAN通信板卡设计[J].网络与信息技术，2007，26(9)：51 －53.

[11]马宪民，宋晓茹.基于ARM核和CAN总线的煤矸石分选系统[J].仪器仪表学报，2005，26(8)：306 －307.