冗余CAN總線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

　　3．2．2 冗余CAN總線接口設(shè)計(jì)

　　由于系統(tǒng)采用了冗余CAN總線通訊技術(shù)，因此冗余CAN總線接口設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　在各個(gè)數(shù)據(jù)采集器和信息處理單元之間設(shè)計(jì)兩條CAN總線，在每個(gè)數(shù)據(jù)采集器中有2路獨(dú)立的CAN通道，正常工作時(shí)只有一路CAN通道和一路CAN總線運(yùn)行。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器的冗余CAN總線結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)中冗余CAN總線的基本設(shè)計(jì)思路如下：其中CAN控制器可以是獨(dú)立的CAN控制器或者內(nèi)嵌于MCU內(nèi)部的CAN控制器。當(dāng)出現(xiàn)總線通訊故障時(shí)，根據(jù)錯(cuò)誤類型選擇切換到另一路CAN通道或是另一路CAN總線。在任意時(shí)刻，只有一路CAN通道處于工作狀態(tài)。

　　3．3 雙冗余CAN總線管理

　　為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)中兩套總線采用熱備份方式運(yùn)行。按照CAN總線出現(xiàn)的錯(cuò)誤類型，系統(tǒng)通訊故障可分為通道通訊故障和總線通訊故障，處理器利用CAN總線控制器的故障界定狀態(tài)機(jī)制判斷通訊故障，并向處理器發(fā)送故障狀態(tài)。

　　在總線正常通訊過程中，處理器對CAN總線控制器的接收和發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，一旦發(fā)送和接收出現(xiàn)故障，其錯(cuò)誤類型及出錯(cuò)的各結(jié)點(diǎn)被賦予不同的計(jì)數(shù)值，這些計(jì)數(shù)值將根據(jù)是發(fā)送錯(cuò)誤還是接收錯(cuò)誤進(jìn)行累加。總線通訊正?；蛴行Ы邮占鞍l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，這些計(jì)數(shù)器將逐次遞減至最小值0。

　　當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值超過最大上限255時(shí)“總線關(guān)閉”。CAN控制器進(jìn)入離線狀態(tài)，CAN總線控制器產(chǎn)生一個(gè)總線錯(cuò)誤和離線中斷，處理器在收到中斷信號(hào)的同時(shí)檢測狀態(tài)位得知系統(tǒng)出現(xiàn)通道通訊故障，通過“通道切換邏輯機(jī)制”切換CAN通訊通道，同時(shí)清除中斷信號(hào)。當(dāng)切換完成后，如果再次進(jìn)入錯(cuò)誤中斷，則說明是總線故障，此時(shí)處理器再切換回以前的CAN通訊通道，并通過“總線切換邏輯機(jī)制”切換CAN通訊總線，同時(shí)清除中斷信號(hào)。采用這種設(shè)計(jì)方法，當(dāng)兩路CAN通道或兩路CAN總線同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，通訊節(jié)點(diǎn)“總線關(guān)閉”并退出總線通訊，此時(shí)不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通訊。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)功能定義，軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一是信息處理單元內(nèi)部的軟件，二是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部的軟件。為了提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，信息處理單元配置了Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) l，vxworks支持實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，具有高實(shí)時(shí)性、高傳輸速率、高可靠性的特點(diǎn)，完全適合系統(tǒng)上各單元間的大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳輸。

　　4．1 信息處理單元系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　信息處理單元的軟件層次組成見圖4。整個(gè)軟件分為兩個(gè)層次：系統(tǒng)任務(wù)層和系統(tǒng)服務(wù)層。系統(tǒng)任務(wù)層是信息處理單元的核心，其中包括數(shù)據(jù)采集任務(wù)、通訊狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)、系統(tǒng)維護(hù)任務(wù)及系統(tǒng)故障處理、緊急狀況處理任務(wù)等。

　　系統(tǒng)服務(wù)層為VxWorks操作系統(tǒng)和一些系統(tǒng)接口、服務(wù)組成、服務(wù)層封裝了VxWorks操作系統(tǒng)、CAN總線設(shè)備通訊驅(qū)動(dòng)程序、CAN總線冗余管理模塊、數(shù)據(jù)分區(qū)管理模塊和系統(tǒng)軟件接口及系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)為系統(tǒng)任務(wù)訪問硬件設(shè)備提供平臺(tái)。

圖4 信息處理單兀的軟件層次組成示意圖

　　4．2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器軟件包含CAN總線接口管理、外部傳感器信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換、中斷服務(wù)程序、響應(yīng)信息處理單元系統(tǒng)指令和采集器自診斷功能。

　　遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器是整個(gè)采集系統(tǒng)中要求可靠性較高的單元．除了硬件上增加了看門狗功能、高性能采集電路和雙CAN總線接口外，軟件設(shè)計(jì)也必須考慮其可靠性和穩(wěn)定性要求。因此軟件設(shè)計(jì)上需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

　　(1)軟件校準(zhǔn)ADC。為了提高ADC采集精度和數(shù)據(jù)可靠度，需要通過軟硬件相結(jié)合的方式對ADC進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)包括零點(diǎn)漂移及增益誤差的自校準(zhǔn)和采集誤差修正，在設(shè)計(jì)中采用分段線性插值的方法對測量數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行非線性校正_6]，并將補(bǔ)償和校準(zhǔn)參數(shù)存儲(chǔ)在片內(nèi)FLASH中；(2)看門狗超時(shí)監(jiān)控處理。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，軟件在50ms周期內(nèi)喂一次看門狗，若看門狗超時(shí)則采集器復(fù)位；(3)軟件數(shù)字濾波處理。為了防止外部干擾信號(hào)引起采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變，導(dǎo)致錯(cuò)誤報(bào)警，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。

　　數(shù)字濾波分兩部分完成，一是外部信號(hào)在10ms內(nèi)發(fā)生急脯突變的概率較小，采集器在10ms的單位時(shí)間內(nèi)監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)信號(hào)的變化率，根據(jù)事先設(shè)定的門限值在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前端剔除虛警數(shù)據(jù)。二是采集器在lOOms內(nèi)對相應(yīng)的采樣信號(hào)進(jìn)行l(wèi)O次采集取其平均值 ，這種算術(shù)平均值濾波方法比中值濾波可靠性更高，又比防脈沖干擾平均值濾波簡便，可以有效降低對瞬間高頻干擾信號(hào)的虛警率。

　　5 結(jié)束語

　　基于冗余CAN總線設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)在惡劣的工作環(huán)境下性能穩(wěn)定，通訊能力令人滿意。采集器在正常運(yùn)行時(shí)陜速地對遠(yuǎn)程請求做出響應(yīng)，工作方式多樣，參數(shù)修改靈活方便，能遠(yuǎn)程維護(hù)管理，可應(yīng)用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)的環(huán)境。

　　利用冗余CAN總線通訊技術(shù)，有效解決了單線傳輸故障，提高了可系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。測試證明，在總線或通道處注入故障時(shí)，冗余CAN總線能順利進(jìn)行切換，并保障通訊正常；在對兩條總線或兩路CAN通道同時(shí)注入故障時(shí)，數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)脫離總線，系統(tǒng)其他單元間的通訊不受影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述設(shè)計(jì)思想完全可行，能夠滿足大型現(xiàn)場采集和控制需求。

　　采用嵌入式模式開發(fā)設(shè)計(jì)，具有精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)和性價(jià)比高的特點(diǎn)，可以在各種遠(yuǎn)程監(jiān)測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。