双冗余CAN总线在船舶通信中的可靠性分析

王海平

【摘要】 为提高CAN总线网络在船舶通信导航集成系统中的可靠性，本篇专项技术报告分析了基于32位的ARM控制器（STM32F105VC）和隔离驱动器ADM3053的双冗余CAN总线通信设计方案。

【关键词】 CAN总线船舶通信双冗余

一、双冗余CAN总线的硬件设计

在CAN总线网络的硬件方案中，包括32位的ARM控制器（STM32F105VC）、CAN总线隔离驱动器（ADM3053）和CAN总线传输接口电路。

1、系统冗余设计。针对硬件电路设计，原理上包括局部冗余和系统冗余。局部冗余设计一般只实现了物理传输介质和物理层协议的冗余。而系统冗余方案从物理传输介质和CAN总线通信的物理层、数据链路层及应用层都进行了系统冗余，因而全面提高了船舶通信集成系统的实时性和可靠性。另一方面，系统冗余不需要故障检测、故障判断及附加的冗余部分切换电路。本篇技术分析报告设计了双冗余CAN总线通信硬件电路方案，其原理框图如图1所示。

2、硬件电路冗余设计。硬件原理方案中，采用32位的ARM控制器（STM32F105VC）。由于STM32F105VC芯片内部集成了两个和CAN2.OB标准兼容的CAN总线模块，支持CAN协议的CAN2.OA、CAN2.OB的主动和被动版本，这些突出的特点使得STM32F105VC非常适合双冗余CAN总线通信系统的硬件设计。另外选用CAN总线隔离驱动器（ADM3053）作为总线的驱动单元，对CAN的传输总线提供差动驱动功能。

3、硬件电路可靠性设计。ADM3053可以提供电源和信号双隔离功能。该器件采用3.3 V或5V的单电源在VDD1引脚供电，总线侧仅在VDD2采用5v单电源。总线侧（VDD2）的功率损耗可以采用集成VDD2SENSE信号通过微控制器检测。同时，该驱动器在总线引脚集成了+/-36V的故障保护CANH和CANL，可以防止12V和24V系统中电源/接地的短路。该器件还具有限流和热关断特性，可防止发生输出短路以及总线短接至地或电源引脚的情况。

二、双冗余CAN总线通信系统软件协议设计

1、船舶通信系统中CAN总线应用层协议。在船舶通信系统中，研发人员可依据IEC61162标准的要求，定义CAN总线通信的应用层协议。其设备数量因船舶吨位不同有所区别，总数量一般在20左右。所以系统中选择了Basic：CAN的帧格式，标识码是静态分配的，采用11位报文标识码，信息标识符结构如：数据输出设备编号、数据类型、数据接受设备编号。

2、应用层协议通信的格式。应用层通信协议是通过应用层信息帧在CAN总线物理链路中的数据传输来实现的。应用层协议将各信息帧解析之后，传输给用户应用程序显示界面使用；同时，用户程序通过应用层协议将需要发送的信息进行封装，然后发送给CAN总线网络中的接收设备。

3、双冗余CAN总线通信流程。在双冗余CAN总线系统中，对于冗余设计的两路CAN总线要求内部寄存器的参数设置，如通信波特率、滤波器必须统一，保障冗余电路的一致性；同时，要注意双路中的初始化程序、报文发送程序、报文接收程序的切换。双冗余CAN总线是同时工作的。一旦某节点中的CANH、CANL断开或只有一个发送链路在总线上，将会造成STM32F105VC中发送/接收错误计数器不断增加到128，从而触发节点处于忽略错误态，并启动纠错程序。通过以上设计，双冗余CAN总线网络在物理层、数据链路层和应用层都获得了冗余，全面提高船舶通信系统的可靠性。

4、双冗余CAN总线中容错纠错机制。为防止系统中数据漏包和误包等情况的出现，造成系统检测信息误操作，我们在系统中设计了节点应答机制，对于检测到得错包和漏包，在总线空闲时发送请求，要求重发，从而提高系统的容错能力。另外，为防止CAN总线应数据冲突等原因造成总线死锁，在系统设计了错误检测重启机制，从而达到纠错的目的。

三、结论

为了保障船舶在远洋航行中的通信导航系统可靠性，本技术报告论述了基于双冗余CAN总线网络原理及优势，并研发了基于STM32F105VC和ADM3053的CAN总线应用层协议，编制了相应的通信程序和容错纠错程序，保障通信过程中的可靠性。