專利名稱：：一種雙余度can總線的網(wǎng)絡控制方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種雙余度CAN(控制器局域網(wǎng))總線的網(wǎng)絡控制方法，它用于提高機電控制領域CAN總線應用的可靠性，屬航空電子和空間
技術領域：
。二
背景技術：
：綜合考慮傳輸速率、可靠性、應用成本等因素，成熟的CAN總線技術已逐步在飛行器設計尤其是無人機應用中得到認可?；镜腃AN協(xié)議由于采用短幀格式、非破壞性位仲裁技術以及CRC(循環(huán)冗余校驗)校驗和幀內(nèi)應答等檢錯措施，極大地保證了消息傳輸?shù)恼_性與可靠性。但是，與普通的工業(yè)應用不同，航空航天領域?qū)φ麄€系統(tǒng)的可靠性有著更高的要求，而實際應用中總線驅(qū)動器或控制器的異常，傳輸介質(zhì)的損壞及環(huán)境的干擾等都會整個總線網(wǎng)絡產(chǎn)生影響。因此，要滿足長時間可靠運行的要求，采用余度設計是必要的。由于CAN的成熟應用，目前已有多款帶2個CAN通道的微控制器可以選用，硬件基礎比較完善。本發(fā)明從系統(tǒng)設計出發(fā)，旨在解決CAN總線應用層的錯誤檢測及冗余機制實現(xiàn)問題。
發(fā)明內(nèi)容1、目的本發(fā)明的目的是提供一種雙余度CAN總線的網(wǎng)絡控制方法，它綜合考慮了設計對象的特點和現(xiàn)有的技術條件，避免因單個節(jié)點錯誤或部分介質(zhì)故障而導致整個網(wǎng)絡癱瘓的情況發(fā)生，提出了一套基于雙余度CAN總線的錯誤檢測和故障處理方法，用于提高全系統(tǒng)的可靠性。2、技術方案典型航電系統(tǒng)雙余度CAN總線網(wǎng)絡的基本組成如圖l所示。雖然CAN總線本身為多主工作方式，各節(jié)點不分主從，但實際應用中一般會有一部或多部機載計算機作為主控節(jié)點，通過測量裝置讀取信息，同時發(fā)送指令控制執(zhí)行裝置；而測量裝置和執(zhí)行裝置主要是被動的執(zhí)行指令，互相之間無直接聯(lián)系，這就為實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的集中控制提供了可能。另外，為了保證系統(tǒng)通信一致，規(guī)4定如下原則(1)一般情況下，同一時刻只能利用一條通道，避免交叉使用，以保證各節(jié)點能共享總線上的數(shù)據(jù)；(2)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時只有一個主控節(jié)點，用于對網(wǎng)絡的檢測情況進行匯總，決定是否進行通道切換等。為了實現(xiàn)全系統(tǒng)的分布控制與集中管理，在不改變硬件的條件下，這里將全部網(wǎng)絡節(jié)點劃分為主控節(jié)點和一般節(jié)點。一般節(jié)點要完成通信錯誤檢測和上報的功能，主控節(jié)點除了自身錯誤檢測之外還要對全系統(tǒng)的錯誤進行匯總，以決定是否進行通道切換和隔離部分異常節(jié)點等。本發(fā)明一種雙余度CAN總線的網(wǎng)絡控制方法，具體步驟如下-步驟一系統(tǒng)上電及節(jié)點初始化各節(jié)點設備按照相應的操作程序分別上電，并啟動上電自檢。由于CAN總線系統(tǒng)是分布式結(jié)構(gòu)，所以此過程由各節(jié)點按照自身要求分別獨立完成。對于節(jié)點內(nèi)部CAN控制器的初始化要求是兩路CAN總線以熱冗余方式工作，即各兩個CAN控制器都處于熱備份狀態(tài)，經(jīng)初始化后都隨時準備接收信息。步驟二系統(tǒng)初始化檢測各節(jié)點上電自檢完成后，要求全系統(tǒng)進行檢測以確認狀態(tài)，該過程由主控節(jié)點的上電檢測程序控制完成。主控節(jié)點發(fā)送檢測報文查詢各節(jié)點的狀態(tài)，兩路CAN總線依次進行，以確定系統(tǒng)連接狀態(tài)。如果各節(jié)點連接均正常，通信無誤，則繼續(xù)執(zhí)行下一步；否則，主控節(jié)點將檢測到的異常情況上報，由操作人員進行決策，忽略錯誤繼續(xù)執(zhí)行或排除故障后再進行重啟等操作。步驟三正常工作及周期檢測初始化檢測通過后，系統(tǒng)正常工作開始。在完成相應功能的同時，各節(jié)點周期檢測CAN總線通信情況，并將檢測結(jié)果上報給主控節(jié)點。為了保證故障檢測的完整性，根據(jù)CAN總線的結(jié)構(gòu)特點，這里對錯誤進行了分類，以便于針對不同錯誤情況進行處理。在CAN總線系統(tǒng)中，從單個節(jié)點的角度，所有錯誤可以分為主動錯誤和被動錯誤。前者是由于節(jié)點自身故障引起的，而后者則是由于其他節(jié)點故障或通信介質(zhì)故障使本節(jié)點的功能受到影響。5主動錯誤和被動錯誤中他節(jié)點故障均可以通過節(jié)點行為來檢測，而對于通信介質(zhì)故障這里通過CAN控制器錯誤計數(shù)進行間接判斷。一般情況下，CAN控制器可以對發(fā)送和接收錯誤進行計數(shù)，根據(jù)錯誤計數(shù)所處范圍，CAN2.0協(xié)議中規(guī)定節(jié)點處于下面三種狀態(tài)之一錯誤激活態(tài)、忽略錯誤態(tài)、脫離總線態(tài)。另外，當錯誤計數(shù)數(shù)值大于96時，說明總線被嚴重干擾，因此這里多規(guī)定一種警告態(tài)。通過CAN控制器狀態(tài)異常，可以界定一些經(jīng)驗性的通信介質(zhì)故障。步驟四系統(tǒng)運行中異常處理系統(tǒng)運行過程中如果檢測到工作異常，則根據(jù)節(jié)點的權限及錯誤類型不同進行分別處理。為了避免對總線系統(tǒng)其他部分的影響，各節(jié)點對于自身主動錯誤要及時進行隔離處理，而對于被動錯誤，一般節(jié)點不進行主動干涉。所有錯誤要求通過CAN報文匯總到主控節(jié)點，由其決定是否進行通道切換或系統(tǒng)降級處理等操作，并通過控制報文通知其他節(jié)點。步驟五主備通道切換后處理如果進行了主備CAN通道切換操作，則各節(jié)點對原通道復位。主控節(jié)點在一個系統(tǒng)周期內(nèi)可根據(jù)各節(jié)點通信情況判斷當前通道工作是否正常如果功能正常，則使用當前通道，原通道作為備用通道；如果通信仍有問題，則要求主控節(jié)點綜合判斷兩通道的連接情況，根據(jù)各節(jié)點優(yōu)先級情況進行系統(tǒng)降級處理。比較方式可以采用基于優(yōu)先級的比較算法，如圖3所示。具體做法是用二進制量分別表示兩路CAN通道的連接狀態(tài)，而將CAN總線網(wǎng)絡的所有節(jié)點按照功能重要程度從高位到低位排列，每一位表示相應節(jié)點(或多個功能密切的節(jié)點單元組)的連接是否正常，正常則置零，非正常則置l。如此比較兩個二進制量的大小，則可以按照盡可能保證系統(tǒng)主要功能的要求選擇CAN通道。3、優(yōu)點及功效本發(fā)明一種雙余度CAN總線的網(wǎng)絡控制方法，與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)點是可以充分利用成熟的CAN器件構(gòu)建雙余度總線網(wǎng)絡，而通過應用軟件進行錯誤檢測及規(guī)定不同節(jié)點的控制權限，實現(xiàn)分布式監(jiān)測與集中管理的網(wǎng)絡控制策略。同時提供了詳細的CAN總線系統(tǒng)的故障檢測方法，對不同的錯誤進行分類處理，易于編程實現(xiàn)，通用性強。該方法在不改變硬件設計的條件下提高6了CAN總線系統(tǒng)的容錯能力，可以充分利用冗余機制保證系統(tǒng)可靠性。四圖1是典型航電系統(tǒng)的雙余度CAN總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)示意圖圖2是CAN控制器的冗余結(jié)構(gòu)示意圖圖3是基于優(yōu)先級的兩CAN通道連接狀態(tài)比較圖圖4是本發(fā)明控制過程流程圖圖中符號說明如下H高電位；.L低電位；TXD發(fā)送器；RXD接收器。五具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進一步說明。本發(fā)明的應用環(huán)境是基于CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡，寞基本組成如圖1所示，包括主控節(jié)點及一系列測量裝置和執(zhí)行裝置。各節(jié)點均為可編程智能節(jié)點，具有自檢功能。各設備之間通過雙余度CAN總線連接，節(jié)點采用圖2所示的控制器冗余設計，單片機(或其他微處理器)通過不同的端口和中斷同時控制兩個CAN控制器。CAN控制器支持可讀/寫訪問錯誤計數(shù)、錯誤報警限額寄存器可編程、CAN總線錯誤中斷等擴展功能。本發(fā)明一種雙余度CAN總線的網(wǎng)絡控制方法，其節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用CAN控制器冗余設計。典型的CAN總線可分為4個環(huán)節(jié)，即CPU、CAN總線控制器、CAN總線驅(qū)動器、傳輸介質(zhì)，相應的冗余措施有CAN總線驅(qū)動器的冗余，CAN總線控制器的冗余，以及全系統(tǒng)冗余。其中前兩種僅是CAN總線通道的冗余，屬于部分冗余，而全系統(tǒng)冗余則包括節(jié)點設備的冗余。全系統(tǒng)冗余固然可靠，但是考慮無人機的成本與重量要求，不可能實現(xiàn)所有設備的冗余。因此，這里采用CAN總線控制器冗余設計，即同時使用兩條CAN總線，兩個CAN總線驅(qū)動器和兩個CAN總線控制器，單片機(或其他微處理器)通過不同的端口和中斷同時控制兩個CAN控制器。本發(fā)明的具體控制過程即具體操作步驟如下步驟一系統(tǒng)上電及節(jié)點初始化系統(tǒng)上電，各節(jié)點均進行自檢，等待主控節(jié)點指令。兩套CAN總線采用熱備份方式運行一個CAN控制器作為系統(tǒng)上電后默認的CAN(主CAN);另一個為備用CAN(從CAN)，作為主CAN的冗余。各節(jié)點初始化完成后，兩個CAN控制器都處于熱備份狀態(tài)，隨時準備接收信息，但對于占用信道的操作(發(fā)送消息)則只能由一個CAN控制器執(zhí)行。換言之，在一個時間點上，系統(tǒng)中僅有一路CAN通道在工作，另一路處于監(jiān)聽狀態(tài)(正常工作時)，或故障狀態(tài)(發(fā)生故障時)。步驟二系統(tǒng)初始化檢測各節(jié)點啟動后，由主控節(jié)點檢測兩路CAN總線的連接情況即由主控節(jié)點發(fā)送檢測報文，其他節(jié)點分別回復自身狀態(tài)，以此來確定全系統(tǒng)通信功能是否正常。檢測指令有兩種——廣播檢測(適用于所有節(jié)點)和定點檢測(針對指定節(jié)點)，由標識符進行區(qū)分。主控節(jié)點先發(fā)送廣播檢測報文，要求一般節(jié)點在規(guī)定時間內(nèi)進行響應。對于超時未響應的節(jié)點，主控節(jié)點可再發(fā)送定點檢測報文進行確認。如果有必要，該檢測結(jié)果要上報給操作人員，進行故障排除或?qū)ο乱徊讲僮鬟M行決策。步驟三正常工作及周期檢測系統(tǒng)檢測通過后，開始正常工作，同時要求各節(jié)點周期檢測CAN總線通信情況，并將狀態(tài)字通過周期消息匯總到主控節(jié)點，由主控節(jié)點進行綜合判斷與決策。根據(jù)CAN總線的結(jié)構(gòu)特點，這里對錯誤進行了分類，以便于針對不同錯誤情況進行處理。在CAN總線系統(tǒng)中，從單個節(jié)點的角度，所有錯誤可以分為主動錯誤和被動錯誤。前者是由于節(jié)點自身故障引起的，而后者則是由于其他節(jié)點故障或通信介質(zhì)故障使本節(jié)點的功能受到影響。不同錯誤的檢測方法如表l所示。表1錯誤分類及檢測<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>主動錯誤檢測主要通過節(jié)點內(nèi)部自檢實現(xiàn)，而其他節(jié)點故障也可以通過節(jié)點行為來判斷，但對于通信介質(zhì)故障則難以找到實用的衡量準則。這里以CAN控制器錯誤計數(shù)為判據(jù)，可以界定一些經(jīng)驗性的通信介質(zhì)異常。一般情況下，CAN控制器可以對發(fā)送和接收錯誤進行計數(shù)，根據(jù)錯誤計數(shù)所處范圍，CAN2.0協(xié)議中規(guī)定節(jié)點處于下面三種狀態(tài)之一錯誤激活態(tài)、忽略錯誤態(tài)、脫離總線態(tài)。其中錯誤激活態(tài)和忽略錯誤態(tài)仍可參與總線通信，脫離總線態(tài)則不允許單元對總線有任何影響。另外，當錯誤計數(shù)數(shù)值大于96時，說明總線被嚴重干擾，因此這里多規(guī)定一種警告態(tài)。每種錯誤狀態(tài)均會產(chǎn)生相應中斷通知CPU進行處理。錯誤狀態(tài)的具體劃分見表2。表2CAN控制器錯誤狀態(tài)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>步驟四系統(tǒng)運行中異常處理如果通信異常，則根據(jù)節(jié)點的權限不同進行相應處理。本系統(tǒng)將所有節(jié)點分為主控節(jié)點和一般節(jié)點，不同類型的節(jié)點有不同的權限，因而錯誤檢測及處理的要求不同。1.對于一般節(jié)點，要將檢測到的錯誤及時上報給主控節(jié)點，對于主動錯誤要及時進行故障隔離和復位等操作，而對于被動錯誤則不主動干涉，根據(jù)主控節(jié)點的指令進行處理。具體錯誤分類及處理見表3。表3—般節(jié)點錯誤處理<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>2.對于主控節(jié)點，要求對所有有關CAN通信的錯誤情況進行處理，及時進行通道切換及系統(tǒng)降級處理等操作，詳見表4。10表5主控節(jié)點錯誤處理<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>步驟五主備通道切換后處理如果主通道出現(xiàn)異常導致系統(tǒng)切換到備用通道，則各節(jié)點要對原通道進行復位。此后主控節(jié)點在一個系統(tǒng)周期內(nèi)根據(jù)各節(jié)點通信情況判斷系統(tǒng)功能是否正常。如果可以完成正常通信則使用當前通道作為主通道，原通道作為備用通道；如果仍有問題，則需要同原通道的錯誤狀態(tài)進行比較，擇其優(yōu)者進行降級處理，比較方式可以采用基于優(yōu)先級的比較算法，如圖3所示。具體做法是用二進制量分別表示兩路CAN通道的連接狀態(tài)，而將CAN總線網(wǎng)絡的所有節(jié)點按照功能重要程度從高位到低位排列，每一位表示相應節(jié)點(或多個功能密切的節(jié)點單元組)的連接是否正常，正常則置零，非正常則置l。如此比較兩個二進制量的大小，則可以按照盡可能保證系統(tǒng)主要功能的要求選擇CAN通道。圖4是本發(fā)明控制過程流程圖，表示各步驟工作程序。權利要求1、一種雙余度CAN總線的網(wǎng)絡控制方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一系統(tǒng)上電及節(jié)點初始化各節(jié)點設備按照相應的操作程序分別上電，并啟動上電自檢；因CAN總線系統(tǒng)是分布式結(jié)構(gòu)，所以此過程由各節(jié)點按照自身要求分別獨立完成；對于節(jié)點內(nèi)部CAN控制器的初始化要求是兩路CAN總線以熱冗余方式工作，即各兩個CAN控制器都處于熱備份狀態(tài)，經(jīng)初始化后都隨時準備接收信息；步驟二系統(tǒng)初始化檢測各節(jié)點上電自檢完成后，要求全系統(tǒng)進行檢測以確認狀態(tài)，該過程由主控節(jié)點的上電檢測程序控制完成；主控節(jié)點發(fā)送檢測報文查詢各節(jié)點的狀態(tài)，兩路CAN總線依次進行，以確定系統(tǒng)連接狀態(tài)；如果各節(jié)點連接均正常，通信無誤，則繼續(xù)執(zhí)行下一步；否則，主控節(jié)點將檢測到的異常情況上報，由操作人員進行決策，忽略錯誤繼續(xù)執(zhí)行及排除故障后再進行重啟操作；步驟三正常工作及周期檢測初始化檢測通過后，系統(tǒng)正常工作開始；在完成相應功能的同時，各節(jié)點周期檢測CAN總線通信情況，并將檢測結(jié)果上報給主控節(jié)點；為了保證故障檢測的完整性，這里對錯誤進行了分類，即分為主動錯誤和被動錯誤，前者是由于節(jié)點自身故障引起的，而后者則是由于其他節(jié)點故障、通信介質(zhì)故障使本節(jié)點的功能受到影響；主動錯誤和被動錯誤中他節(jié)點故障均可以通過節(jié)點行為來檢測，而對于通信介質(zhì)故障這里通過CAN控制器錯誤計數(shù)進行間接判斷，根據(jù)錯誤計數(shù)所處范圍，CAN2.0協(xié)議中規(guī)定節(jié)點處于下面三種狀態(tài)之一錯誤激活態(tài)、忽略錯誤態(tài)、脫離總線態(tài)；當錯誤計數(shù)數(shù)值大于96時，說明總線被嚴重干擾，因此這里多規(guī)定一種警告態(tài)；通過CAN控制器狀態(tài)異常，可以界定其通信介質(zhì)故障；步驟四系統(tǒng)運行中異常處理系統(tǒng)運行過程中如果檢測到工作異常，則根據(jù)節(jié)點的權限及錯誤類型不同進行分別處理；為了避免對總線系統(tǒng)其他部分的影響，各節(jié)點對于自身主動錯誤要及時進行隔離處理，而對于被動錯誤，一般節(jié)點不進行主動干涉；所有錯誤要求通過CAN報文匯總到主控節(jié)點，由其決定是否進行通道切換、系統(tǒng)降級處理操作，并通過控制報文通知其他節(jié)點；步驟五主備通道切換后處理如果進行了主備CAN通道切換操作，則各節(jié)點對原通道復位；主控節(jié)點在一個系統(tǒng)周期內(nèi)可根據(jù)各節(jié)點通信情況判斷當前通道工作是否正常如果功能正常，則使用當前通道，原通道作為備用通道；如果通信仍有問題，則要求主控節(jié)點綜合判斷兩通道的連接情況，根據(jù)各節(jié)點優(yōu)先級情況進行系統(tǒng)降級處理；比較方式可以采用基于優(yōu)先級的比較算法，具體做法是用二進制量分別表示兩路CAN通道的連接狀態(tài)，而將CAN總線網(wǎng)絡的所有節(jié)點按照功能重要程度從高位到低位排列，每一位表示相應節(jié)點、多個功能密切的節(jié)點單元組的連接是否正常，正常則置零，非正常則置1；如此比較兩個二進制量的大小，按照盡可能保證系統(tǒng)主要功能的要求選擇CAN通道。全文摘要本發(fā)明提供一種雙余度CAN總線的網(wǎng)絡控制方法，它有五大步驟步驟一系統(tǒng)上電及節(jié)點初始化；步驟二系統(tǒng)初始化檢測；步驟三正常工作及周期檢測；步驟四系統(tǒng)運行中異常處理；步驟五主備通道切換后處理。該方法充分利用成熟的CAN器件構(gòu)建雙余度總線網(wǎng)絡，并通過應用軟件進行錯誤檢測及規(guī)定不同節(jié)點的控制權限，實現(xiàn)分布式監(jiān)測與集中管理的網(wǎng)絡控制策略，同時它提供了詳細的CAN總線系統(tǒng)的故障檢測方法，對不同的錯誤進行分類處理，易于編程實現(xiàn)，通用性強。本發(fā)明在不改變硬件設計的條件下提高了CAN總線系統(tǒng)的容錯能力，充分利用冗余機制保證系統(tǒng)可靠性；它在機電控制領域具有廣泛的實用價值和應用前景。文檔編號H04L12/40GK101631057SQ20091009128公開日2010年1月20日申請日期2009年8月17日優(yōu)先權日2009年8月17日發(fā)明者呂明云,姜光泰,明祝,鄭澤偉申請人:北京航空航天大學