專利名稱：基于雙dsp的高容錯性can總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，屬于CAN總線網(wǎng)關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
CAN總線技術(shù)已廣泛用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，其具有高可靠、抗干擾、結(jié)構(gòu)簡單且低成本等卓越特性。隨著技術(shù)方面的日趨成熟，CAN總線正逐步走向航天、航空、能源和醫(yī)療衛(wèi)生等安全關(guān)鍵領(lǐng)域SCS，發(fā)展前景十分廣闊。
然而，安全關(guān)鍵系統(tǒng)不僅多涉及大量電子設(shè)備間復(fù)雜的級聯(lián)和頻繁的互操作，組網(wǎng)規(guī)模較大，傳輸性能要求較高，且一旦發(fā)生系統(tǒng)功能失效，將引起生命及財產(chǎn)的重大損失，因此設(shè)計或運營者往往將系統(tǒng)的可靠性放在最首要的位置。構(gòu)成安全關(guān)鍵系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不只是結(jié)構(gòu)單一的局域網(wǎng)，而是多個區(qū)域子網(wǎng)互聯(lián)和多種網(wǎng)絡(luò)拓撲、協(xié)議并用來實現(xiàn)隔離故障、均衡帶寬與簡化布線；并且系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)中多采用帶有冗余機制的CAN總線，以加強系統(tǒng)的可靠性與消息傳輸?shù)拇_定性。
因此，CAN網(wǎng)關(guān)gateway作為實現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，是否能夠有效支持這類安全關(guān)鍵系統(tǒng)組網(wǎng)，并滿足其設(shè)計方面的約束，尤其是可靠性方面的要求變得十分重要。現(xiàn)有的CAN總線網(wǎng)關(guān)設(shè)計有以下兩個方面的缺陷:
1.現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)關(guān)多采用局部冗余結(jié)構(gòu)，即僅對CAN總線的鏈路、收發(fā)器和控制器硬件備份。雖然能夠應(yīng)對傳輸介質(zhì)損壞、端口松動、總線驅(qū)動器失效中的單一故障或者組合故障，但對網(wǎng)關(guān)的CPU故障、電源模塊故障乃至控制板卡的整體失效則無能為力。
2.現(xiàn)有的CAN網(wǎng)關(guān)在通信機制方面并未實現(xiàn)真正的熱冗余，從備份節(jié)點或端口僅僅是實時監(jiān)聽。一旦主節(jié)點或端口出現(xiàn)故障，仍需要進行主、從節(jié)點間的功能切換，從而引入了一定的自愈時間，即切換時間，如此易造成數(shù)據(jù)幀丟失或大延時等情況發(fā)生，這是對于可靠性與確定性要求較高的系統(tǒng)所無法容忍的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)關(guān)在單子節(jié)點整體故障時，會導(dǎo)致通信中斷，造成數(shù)據(jù)幀丟失或大延時情況發(fā)生的問題，提供了一種基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)。
本發(fā)明所述基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，它包括主節(jié)點、從節(jié)點、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B、非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2,
雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A包括網(wǎng)絡(luò)總線#A1和網(wǎng)絡(luò)總線#A2 ；
雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B包括網(wǎng)絡(luò)總線#B1和網(wǎng)絡(luò)總線#B2 ；
主節(jié)點包括DSP#A1、DSP#A2、CAN總線端口 #A11、CAN總線端口 Ml2、CAN總線端口 M21 和 CAN 總線端口 #A22 ；
從節(jié)點包括DSP#B1、DSP#B2、CAN總線端口 #B11、CAN總線端口 #B12、CAN總線端口 #B21 和 CAN 總線端口 #B22 ；
DSP#A1和DSP#A2之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)，DSP#A1通過CAN總線端口#A11與網(wǎng)絡(luò)總線#A1連接，DSP#A1通過CAN總線端口 #A12與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1連接，DSP#A2通過CAN總線端口 #A21與網(wǎng)絡(luò)總線#B2連接，DSP#A2通過CAN總線端口 #A22與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2連接；
DSP#B1和DSP#B2之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)，DSP#B1通過CAN總線端口#B11與網(wǎng)絡(luò)總線#B1連接，DSP#B1通過CAN總線端口 #B12與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2連接，DSP#B2通過CAN總線端口 #B21與網(wǎng)絡(luò)總線#A2連接，DSP#B2通過CAN總線端口 #B22與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1連接；
主節(jié)點的DSP#A1和DSP#A2與從節(jié)點的DSP#B1和DSP#B2之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)。
主節(jié)點還包括CAN驅(qū)動器#A11、CAN驅(qū)動器#A12、CAN驅(qū)動器#A21和CAN驅(qū)動器#A22,
CAN驅(qū)動器Mil設(shè)置于DSP#A1與CAN總線端口 Mll之間，CAN驅(qū)動器#A12設(shè)置于DSP#A1與CAN總線端口 M12之間，CAN驅(qū)動器#A21設(shè)置于DSP#A2與CAN總線端口#A21之間，CAN驅(qū)動器#A22設(shè)置于DSP#A2與CAN總線端口 #A22之間；
從節(jié)點還包括CAN驅(qū)動器#B11、CAN驅(qū)動器#B12、CAN驅(qū)動器#B21和CAN驅(qū)動器#B22,
CAN驅(qū)動器#B11設(shè)置于DSP#BI與CAN總線端口 #B11之間，CAN驅(qū)動器#B12設(shè)置于DSP#B1與CAN總線端口 #B12之間，CAN驅(qū)動器#B21設(shè)置于DSP#B2與CAN總線端口#B21之間，CAN驅(qū)動器#B22設(shè)置于DSP#B2與CAN總線端口 #B22之間。
主節(jié)點還包括主存儲器#A1和主存儲器#A2,
主存儲器#A1與DSP#A1之間通過外部擴展接口相連接，主存儲器#A2與DSP#A2之間通過外部擴展接口相連接；
從節(jié)點還包括從存儲器#B1和從存儲器#B2，
從存儲器#B1與DSP#B1之間通過外部擴展接口相連接，從存儲器#B2與DSP#B2之間通過外部擴展接口相連接。
它還包括液晶顯示及操作器，
液晶顯示及操作器作為人機接口，分別與DSP#A1、DSP#A2、DSP#B1和DSP#B2連接。
它還包括電源，電源用于為DSP#A1、DSP#A2、DSP#B1和DSP#B2提供工作電源。
本發(fā)明的優(yōu)點:本發(fā)明所述數(shù)字網(wǎng)關(guān)具有高容錯性，它可以實現(xiàn)包括鏈路端口、總線收發(fā)器、總線控制器、網(wǎng)關(guān)CPU和電源模塊等在內(nèi)的全系統(tǒng)雙模熱冗余，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的單子節(jié)點局部或整體發(fā)生故障的條件下，仍然能保證通信不發(fā)生中斷，且無自愈時間，有利于全面提高網(wǎng)絡(luò)互連的故障容錯性與可靠性。
本發(fā)明具備很強的兼容性和通用性，提供了雙鏈路冗余的CAN主干網(wǎng)絡(luò)之間、CAN主干網(wǎng)絡(luò)與單鏈路非冗余的CAN子網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)高速緩存及轉(zhuǎn)發(fā)，能夠顯著地減少網(wǎng)絡(luò)間通信延時，適合在實際工業(yè)領(lǐng)域推廣和普及。
本發(fā)明具有雙路完全熱冗余的網(wǎng)絡(luò)橋接通道，在單通道故障的情況下，仍然能夠保證兩網(wǎng)的實時連通不發(fā)生中斷，具有極高的可靠性。它采用了內(nèi)部集成有豐富控制模塊與高性能CPU的DSP芯片，從而加強了數(shù)據(jù)的處理和CAN總線收發(fā)控制的速度，極大地減少了網(wǎng)關(guān)的技術(shù)延時。本發(fā)明應(yīng)用SPI接口替代雙端口 RAM實現(xiàn)雙DSP間高速的數(shù)據(jù)交換，簡化布線、降低成本并減少了板內(nèi)電磁干擾對高速數(shù)據(jù)通信所帶來的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。
本發(fā)明具有較強的故障診斷功能，主節(jié)點、從節(jié)點通過周期性或時間觸發(fā)性的互檢與自檢能夠及時地發(fā)現(xiàn)故障并向上位機報警，有利于系統(tǒng)的可靠運行及更換維修。配備液晶顯示及操作器，使得網(wǎng)關(guān)使用操作簡單方便，運行狀態(tài)可被用戶實時監(jiān)控獲取。與其它現(xiàn)有產(chǎn)品相比:目前市面上沒有類似的可以應(yīng)用于對可靠性要求非常高的工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)產(chǎn)品O


圖1是本發(fā)明所述基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖2是主節(jié)點和從節(jié)點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3是雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A和雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B通過CAN網(wǎng)關(guān)相互橋接的連接關(guān)系圖4是非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2間通過CAN網(wǎng)關(guān)相互橋接的連接關(guān)系圖5是以非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2間的橋接為例，主節(jié)點的工作流程圖6是以非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2間的橋接為例，從節(jié)點的工作流程圖7是冗余網(wǎng)絡(luò)與非冗余網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道示意圖8是本發(fā)明應(yīng)用于小型商用支線飛機的機載電子設(shè)備組網(wǎng)示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，它包括主節(jié)點1、從節(jié)點2、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A3、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B4、非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26，
雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A3包括網(wǎng)絡(luò)總線#A1和網(wǎng)絡(luò)總線#A2 ；
雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B4包括網(wǎng)絡(luò)總線#B1和網(wǎng)絡(luò)總線#B2 ；
主節(jié)點I 包括 DSP#A11-1、DSP#A21_2、CAN 總線端口 #A111_3、CAN 總線端口#A121-4、CAN 總線端口 #A211-5 和 CAN 總線端口 #A221_6 ；
從節(jié)點2 包括 DSP#B12-1、DSP#B22_2、CAN 總線端口 #B112_3、CAN 總線端口#B122-4、CAN 總線端口 #B212-5 和 CAN 總線端口 #B222-6 ；
DSP#A11-1和DSP#A21_2之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)，DSP#A11_1通過CAN總線端口 #A111-3與網(wǎng)絡(luò)總線#A1連接，DSP#A11-1通過CAN總線端口 M121-4與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15連接，DSP#A21-2通過CAN總線端口 #A211_5與網(wǎng)絡(luò)總線#B2連接，DSP#A21_2通過CAN總線端口 M221-6與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26連接；
DSP#B12-1和DSP#B22_2之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)，DSP#B12_1通過CAN總線端口 #B112-3與網(wǎng)絡(luò)總線#B1連接，DSP#B12-1通過CAN總線端口 #B122_4與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26連接，DSP#B22-2通過CAN總線端口 #B212_5與網(wǎng)絡(luò)總線#A2連接，DSP#B22_2通過CAN總線端口 #B222-6與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15連接；
主節(jié)點I 的 DSP#A11-1 和 DSP#A21_2 與從節(jié)點 2 的 DSP#B12_1 和 DSP#B22_2 之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)。
圖1所示，數(shù)字網(wǎng)關(guān)內(nèi)部主要由完全相同的兩個相互獨立的子節(jié)點組成，分別稱為網(wǎng)關(guān)的主節(jié)點I和從節(jié)點2。主節(jié)點I和從節(jié)點2物理上完全隔離，同時上電工作，對于不同的任務(wù)各有合作與分工，相互間僅通過非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26松耦合連接，功能上是互為熱備份的關(guān)系。
本實施方式中提供了 8個獨立的CAN總線端口，即CAN總線端口 #A111_3、CAN總線端口 #A121-4、CAN 總線端口 #A211-5、CAN 總線端口 #A221_6、CAN 總線端口 #B112_3、CAN總線端口 #B122-4、CAN總線端口 #B212_5和CAN總線端口 #B222_6，可實現(xiàn)雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A3和雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B4之間、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A3和雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B4與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26之間的網(wǎng)際橋接，在主節(jié)點或從節(jié)點的局部或整體失效的情況下，仍然能夠降級使用，確保網(wǎng)絡(luò)間的不中斷連通。
具體實施方式
二:下面結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，本實施方式所述主節(jié)點I還包括CAN驅(qū)動器#A111-7、CAN驅(qū)動器#A121_8、CAN 驅(qū)動器 #A211-9 和 CAN 驅(qū)動器 #A221_10，
CAN驅(qū)動器#Α111-7設(shè)置于DSP#A11_1與CAN總線端口 #A111_3之間，CAN驅(qū)動器#八121-8設(shè)置于DSP#A11-1與CAN總線端口 #A121_4之間，CAN驅(qū)動器#A211_9設(shè)置于DSP#A21-2 與 CAN 總線端 口 #A211_5 之間，CAN 驅(qū)動器 #A221_10 設(shè)置于 DSP#A21_2 與 CAN總線端口 #A221-6之間；
從節(jié)點2還包括CAN驅(qū)動器#B112-7、CAN驅(qū)動器#B122_8、CAN驅(qū)動器#B212_9和CAN 驅(qū)動器 #B222-10，
CAN驅(qū)動器#B112-7設(shè)置于DSP#B12_1與CAN總線端口 #B112_3之間，CAN驅(qū)動器#B122-8設(shè)置于DSP#B12-1與CAN總線端口 #B122_4之間，CAN驅(qū)動器#B212_9設(shè)置于DSP#B22-2 與 CAN 總線端 口 #B212_5 之間，CAN 驅(qū)動器 #B222_10 設(shè)置于 DSP#B22_2 與 CAN總線端口 #B222-6之間。
本實施方式中，DSP芯片作為網(wǎng)關(guān)子節(jié)點核心模塊，內(nèi)部集成有CPU與CAN總線控制模塊，其運算速度快、可靠性高，不僅負責管理數(shù)據(jù)的CAN總線的收發(fā)控制、速率匹配、地址重映射和數(shù)據(jù)的緩存，而且相互間通過SP1、CAN#E1和CAN#E2三種數(shù)據(jù)通道，基于一定的信息去冗余、信息冗余、數(shù)據(jù)整形、調(diào)度控制等算法，根據(jù)實際需求，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
具體實施方式
三:下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式對實施方式二作進一步說明，本實施方式所述主節(jié)點I還包括主存儲器和主存儲器#A21-12，
主存儲器#A11-11與DSP#A11-1之間通過外部擴展接口相連接，主存儲器#A21_12與DSP#A21-2之間通過外部擴展接口相連接；
從節(jié)點2還包括從存儲器#B12_11和從存儲器#B22_12，
從存儲器#812-11與DSP#B12-1之間通過外部擴展接口相連接，從存儲器#B22-12與DSP#B22-2之間通過外部擴展接口相連接。
雙DSP間通過SPI串口互連，不僅提供速率高達ΙΟΜ/b數(shù)據(jù)交換，而且兼顧了傳輸?shù)目垢蓴_性與可靠性。CAN驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)差分碼與二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的物理層功能。每個DSP各配有一個存儲器SRAM用于待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的緩存，DSP與存儲器SRAM通過外部擴展接口 XlNTF相連接。
具體實施方式
四:下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一、二或三作進一步說明，本實施方式還包括液晶顯示及操作器7，
液晶顯示及操作器7作為人機接口，分別與DSP#A11-1、DSP#A21-2、DSP#B12-1和DSP#B22-2 連接。
液晶顯示及操作器7作為人機接口，用于網(wǎng)關(guān)子節(jié)點的配置與故障報警。
具體實施方式
五:下面結(jié)合圖1至圖8說明本實施方式，本實施方式對實施方式一、二、三或四作進一步說明，本實施方式還包括電源8，電源8用于為DSP#A11-1、DSP#A21-2、DSP#B12-1 和 DSP#B22_2 提供工作電源。
本發(fā)明的工作原理及運行過程:
雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A3和雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B4間的橋接:
雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A3和雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B4通過CAN網(wǎng)關(guān)相互橋接，如圖3所示。此時，網(wǎng)關(guān)的主節(jié)點I和從節(jié)點2同步工作，實現(xiàn)兩網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的雙向轉(zhuǎn)發(fā)。和Z PM盧#兩個數(shù)據(jù)通道互為熱備份，鏈路P、Q和Z的通斷與網(wǎng)關(guān)主節(jié)點的CAN#A11端口、CAN#A21端口、CAN收發(fā)器、DSP#A1、DSP#A2及雙DSP間SPI接口的健康狀況有關(guān)，鏈路L、M和N的通斷則與網(wǎng)關(guān)從節(jié)點的CAN#B21端口、CAN#B11端口、CAN收發(fā)器、DSP#A1、DSP#A2和雙DSP間SPI接口的健康狀況有關(guān)。
因為從節(jié)點與主節(jié)點互相是完全獨立的，所以假設(shè)網(wǎng)關(guān)的主節(jié)點上發(fā)生某種軟件或硬件故障造成圖3中的P P β # Z數(shù)據(jù)通道斷開，那么網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通道Z PM # Nm然能正常工作，不會造成兩網(wǎng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛啵措p路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A3和雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)Β4中的通信節(jié)點仍然可以通過鏈路CAN網(wǎng)絡(luò)總線#Α2 ο網(wǎng)關(guān)從節(jié)點e CAN網(wǎng)絡(luò)總線#B1實現(xiàn)相互間的信息傳輸。同理，當從節(jié)點出現(xiàn)部分或全局故障時，網(wǎng)關(guān)主節(jié)點也同樣能夠完成兩網(wǎng)間的互連。
非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26間的橋接:
非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26間通過CAN網(wǎng)關(guān)相互橋接，如圖4所示。此時，網(wǎng)關(guān)的主節(jié)點和從節(jié)點同時工作，相互監(jiān)控，各有任務(wù)分工。主節(jié)點負責兩網(wǎng)間數(shù)據(jù)幀的實時雙向轉(zhuǎn)發(fā)，而從節(jié)點則在接收數(shù)據(jù)幀后暫不進行轉(zhuǎn)發(fā)，而是在等待時間窗Skew_Max內(nèi)監(jiān)控主節(jié)點所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀，并通過對比自身接收到的數(shù)據(jù)幀與監(jiān)控到的主節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容及序列號，來判斷主節(jié)點在數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的過程中是否出現(xiàn)幀錯誤、幀丟失、傳輸中斷或大延時等情況。如果監(jiān)控到主節(jié)點發(fā)生上述錯誤，從節(jié)點則實時補發(fā)正確的數(shù)據(jù)幀、向主節(jié)點發(fā)送故障查詢幀并向上位機報警。此時，在故障條件下從節(jié)點可以人工設(shè)定為主節(jié)點，或者當主節(jié)點多次重復(fù)故障時從節(jié)點自動切換為主節(jié)點，且切換過程不會造成通信中斷。以非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26間的橋接為例，主節(jié)點和從節(jié)點的工作流程分別如圖5和圖6所示。
如上述原理，即便主節(jié)點或從節(jié)點發(fā)生局部故障或整體失效的嚴重情況發(fā)生，非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E26間的相互通信仍然不會中斷，且等待時間窗Skew_Max的設(shè)定不超過Ims,即一旦主節(jié)點發(fā)生故障,從節(jié)點的補發(fā)數(shù)據(jù)巾貞所引入的技術(shù)延時不會超過lms，此時的CAN總線通信仍然是毫秒級確定的。這種最大限度的結(jié)構(gòu)冗余方式和熱備份的工作方式極大地提高了 CAN網(wǎng)關(guān)的可靠性。
冗余網(wǎng)絡(luò)與非冗余網(wǎng)絡(luò)的橋接:
本發(fā)明可實現(xiàn)冗余CAN網(wǎng)絡(luò)與非冗余CAN網(wǎng)絡(luò)間的橋接。網(wǎng)絡(luò)總線#八1和網(wǎng)絡(luò)總線#A2互為熱冗余，如圖7所示，圖中通道(一)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)總線#A1與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通道(二)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)總線#A2與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，兩條數(shù)據(jù)通道是互為熱備份的關(guān)系。同理，通道(三)和(四)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)總線#B1或網(wǎng)絡(luò)總線#B2與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
冗余網(wǎng)絡(luò)與非冗余網(wǎng)絡(luò)的橋接分為冗余過程和非冗余過程，下面以冗余網(wǎng)絡(luò)總線#A1或網(wǎng)絡(luò)總線#A2與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15之間的橋接為例來具體說明:
冗余過程:
非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15至網(wǎng)絡(luò)總線#A1或網(wǎng)絡(luò)總線#A2是冗余過程，涉及到CAN網(wǎng)關(guān)將非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15上的數(shù)據(jù)幀進行信息冗余，并同時轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)總線#A1和網(wǎng)絡(luò)總線#A2兩個互為熱冗余的通信鏈路上。冗余過程中，網(wǎng)關(guān)主節(jié)點和從節(jié)點是對等的，完成相同的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)過程。而且，為了盡量減少網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理所引入的技術(shù)延時，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中并不進行相互間的實時對比監(jiān)控。無論是主節(jié)點還是從節(jié)點，當接收到非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15的數(shù)據(jù)幀時，只要校驗正確就立即進行轉(zhuǎn)發(fā)。同時，為了保證網(wǎng)關(guān)主節(jié)點和從節(jié)點間的同步，兩個節(jié)點在工作過程中，會通過非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15進行周期性的同步與狀態(tài)互檢。
去冗余過程:由網(wǎng)絡(luò)總線#A1和網(wǎng)絡(luò)總線#A2到非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15是去冗余過程，主節(jié)點1、從節(jié)點2基于一定的去冗余控制算法，所述控制算法與CAN網(wǎng)絡(luò)采用的具體協(xié)議有關(guān)，這里以ARINC825協(xié)議為例，將網(wǎng)絡(luò)總線#A1和網(wǎng)絡(luò)總線#A2上的數(shù)據(jù)幀進行信息的去冗余，再轉(zhuǎn)發(fā)到非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15上。去冗余過程中，網(wǎng)關(guān)的主節(jié)點負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而從節(jié)點則在網(wǎng)關(guān)正常工作的情況下僅向主節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)其CAN總線端口 #B212-5接收到的數(shù)據(jù)幀,并由主節(jié)點完成對于兩路具有相同序列號，即互為備份的數(shù)據(jù)幀的對比檢驗、冗余信息的移除和向非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15的轉(zhuǎn)發(fā)。在去冗余過程中，由于雙路冗余鏈路傳輸延時及故障的影響，將會有以下三種的情況發(fā)生，分別對應(yīng)網(wǎng)關(guān)的三種工作模式:
I假設(shè)由于從節(jié)點故障或者網(wǎng)絡(luò)總線#A2出現(xiàn)延時等情況，主節(jié)點的CAN總線端口#Α111-3先接收到網(wǎng)絡(luò)總線#A1發(fā)往非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1的數(shù)據(jù)幀，那么其將在等待時間窗Skew_Max內(nèi)，等待從節(jié)點的經(jīng)過非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1轉(zhuǎn)發(fā)來的備份巾貞。如果主節(jié)點能夠在等待時間窗內(nèi)收到從節(jié)點的備份幀，且能夠通過對比校驗，則主節(jié)點對外轉(zhuǎn)發(fā)該幀，并更新序列號判斷閥值PSN = PSN+1，此時可認為網(wǎng)關(guān)及鏈路的狀態(tài)均處于良好范圍內(nèi)。如果在時間窗內(nèi)接收到了從節(jié)點發(fā)來的備份幀卻對比檢驗不通過，那么認為鏈路上或者從節(jié)點內(nèi)部發(fā)生擾動,主節(jié)點會向上位機報錯,并請求雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A3中相應(yīng)端節(jié)點重新發(fā)送該幀。而如果在等待窗口內(nèi)沒有接收到從節(jié)點的備份幀，那么主節(jié)點將直接向非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)幀，然后向從節(jié)點發(fā)出狀態(tài)查詢幀和對上位機進行故障報警，告知用戶出現(xiàn)了丟幀的情況。
2假設(shè)由于主節(jié)點端口故障或者網(wǎng)絡(luò)總線#A1出現(xiàn)延時等情況，主節(jié)點先接收到由從節(jié)點通過非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15轉(zhuǎn)發(fā)來的備份幀，那么其將在等待時間窗內(nèi)等待網(wǎng)絡(luò)總線#A1上的具有同樣序列號數(shù)據(jù)幀。然后，如果在等待時間窗內(nèi)接收到了該數(shù)據(jù)幀，且通過了對比校驗，那么主節(jié)點將對外轉(zhuǎn)發(fā)該幀。如果在等待時間窗內(nèi)未收到該幀，則向非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E15轉(zhuǎn)發(fā)從節(jié)點發(fā)來的備份幀，并更新序列號判斷閥值PSN = PSN+1，同時向上位機進行故障報警。
3假設(shè)由于主節(jié)點永久性故障或網(wǎng)絡(luò)總線#A1斷開等情況，那么從節(jié)點向主節(jié)點成功轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)總線#A2上的備份幀后，在等待時間窗內(nèi)將不會監(jiān)控到主節(jié)點對外轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀，那么此時從節(jié)點會直接對外轉(zhuǎn)發(fā)該備份幀，并更新序列號判斷閥值PSN = PSN+1,同時向上位機進行故障報警。
本發(fā)明可以應(yīng)用于小型商用支線飛機的機載電子設(shè)備組網(wǎng)，完成基于航空CAN總線，即ARINC825總線的航電系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)與分區(qū)子網(wǎng)絡(luò)之間的橋接。如圖8所示，CAN#A1/CAN#A2和CAN#B1/CAN#B2構(gòu)成某小型商用支線飛機電子系統(tǒng)的兩條雙冗余主干網(wǎng)絡(luò)，其中CAN#A1/#A2是機載電子設(shè)備的執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，互為冗余，而CAN#A1/#A2則為傳感器網(wǎng)絡(luò)。座艙控制系統(tǒng)作為整個航電系統(tǒng)的控制終端，其內(nèi)部的航空計算機通過四個獨立的CAN端口與兩個主干網(wǎng)絡(luò)互連，負責管理所有的機載電子資源。機艙內(nèi)各航電子系統(tǒng)須通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入主干網(wǎng)絡(luò)，完成控制指令傳輸與高度的信息共享。本發(fā)明所述的數(shù)字網(wǎng)關(guān)能夠有效支持ARINC825協(xié)議，可為子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與主干網(wǎng)絡(luò)的高速互聯(lián)提供可靠保證。通過數(shù)字網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換，航電系統(tǒng)主干冗余網(wǎng)絡(luò)CAN#A1/CAN#A2和CAN#B1/CAN#B2分別與子系統(tǒng)#3內(nèi)部的非冗余網(wǎng)絡(luò)CAN#E1和CAN#E2實現(xiàn)互聯(lián)橋接，并且只要網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的兩個子節(jié)點中有一個能夠正常地工作，那么CAN#A1/A2 <= CAN#E1和CAN#B1/B2 O CAN#E2的數(shù)據(jù)通信就不會發(fā)生任何中 斷。
權(quán)利要求
1.一種基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，其特征在于，它包括主節(jié)點(1)、從節(jié)點(2)、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A (3)、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B (4)、非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1 (5)和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2(6)， 雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A (3)包括網(wǎng)絡(luò)總線#A1和網(wǎng)絡(luò)總線#A2 ； 雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B(4)包括網(wǎng)絡(luò)總線#B1和網(wǎng)絡(luò)總線#B2 ； 主節(jié)點(I)包括 DSP#A1 (1-1)、DSP#A2(l-2)、CAN 總線端口 #A11 (1-3)、CAN 總線端口#A12 (1-4)、CAN 總線端口 #A21 (1-5)和 CAN 總線端口 #A22 (1-6)； 從節(jié)點(2)包括 DSP#B1 (2-1)、DSP#B2 (2-2)、CAN 總線端口 #B11 (2-3)、CAN 總線端口#B12 (2-4)、CAN 總線端口 #B21 (2-5)和 CAN 總線端口 #B22 (2-6)； DSP#A1 (1-1)和DSP#A2(l-2)之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)，DSP#A1 (1-1)通過CAN總線端Π#Α11(1-3)與網(wǎng)絡(luò)總線#A1連接，DSP#A1(1-1)通過CAN總線端口 #A12 (1-4)與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1(5)連接，DSP#A2(l-2)通過CAN總線端口 #A21(1_5)與網(wǎng)絡(luò)總線#B2連接，DSP#A2(l-2)通過CAN總線端口 #A22(1_6)與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2 (6)連接； DSP#B1 (2-1)和DSP#B2(2-2)之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)，DSP#B1 (2-1)通過CAN總線端口 #Β11(2-3)與網(wǎng)絡(luò)總線#B1連接，DSP#B1(2-1)通過CAN總線端口 #B12(2-4)與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2(6)連接，DSP#B2 (2-2)通過CAN總線端口 #B21(2_5)與網(wǎng)絡(luò)總線#A2連接，DSP#B2 (2-2)通過CAN總線端口 #B22 (2_6)與非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1 (5)連接； 主節(jié)點(1)的 DSP#A1(1-1)和 DSP#A2(l-2)與從節(jié)點(2)的 DSP#B1 (2-1)和DSP#B2 (2-2)之間通過SPI數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，其特征在于，主節(jié)點(I)還包括 CAN 驅(qū)動器 Mll (1-7)、CAN 驅(qū)動器 #A12 (1-8)、CAN 驅(qū)動器 #A21 (1-9)和 CAN驅(qū)動器 #A22 (1-10)， CAN驅(qū)動器#A11 (1-7)設(shè)置于DSP#A1(1-1)與CAN總線端口 #A11(1-3)之間，CAN驅(qū)動器#八12(1-8)設(shè)置于 DSP#A1(1-1)與 CAN 總線端口 #A12(1_4)之間，CAN 驅(qū)動器 #A21 (1-9)設(shè)置于DSP#A2(l-2)與CAN總線端口 #A21(1_5)之間，CAN驅(qū)動器#A22 (1-10)設(shè)置于DSP#A2(l-2)與 CAN 總線端口 #A22(1_6)之間； 從節(jié)點(2)還包括CAN驅(qū)動器#B11 (2-7)、CAN驅(qū)動器#B12 (2_8)、CAN驅(qū)動器#B21 (2-9)和 CAN 驅(qū)動器 #B22 (2-10)， CAN驅(qū)動器#Β11(2-7)設(shè)置于DSP#B1 (2-1)與CAN總線端口 #B11 (2-3)之間，CAN驅(qū)動器#Β12(2-8)設(shè)置于 DSP#B1(2-1)與 CAN 總線端口 #B 12 (2-4)之間，CAN 驅(qū)動器 #B21 (2_9)設(shè)置于DSP#B2 (2-2)與CAN總線端口 #B21 (2-5)之間，CAN驅(qū)動器#B22 (2-10)設(shè)置于DSP#B2 (2-2)與 CAN 總線端口 #B22 (2-6)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，其特征在于，主節(jié)點(1)還包括主存儲器#A1 (1-11)和主存儲器#A2 (1-12)， 主存儲器#A1 (1-11)與DSP#A1(1-1)之間通過外部擴展接口相連接，主存儲器#A2(1-12)與DSP#A2(l-2)之間通過外部擴展接口相連接； 從節(jié)點(2)還包括從存儲器#B1 (2-11)和從存儲器#B2 (2-12)， 從存儲器#81 (2-11)與DSP#B1(2-1)之間通過外部擴展接口相連接，從存儲器#B2(2-12)與DSP#B2(2-2)之間通過外部擴展接口相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，其特征在于，它還包括液晶顯示及操作器(7)， 液晶顯示及操作器(7)作為人機接口，分別與DSP#A1 (1-1)、DSP#A2 (1-2)、DSP#B1 (2-1)和 DSP#B2(2-2)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，其特征在于，它還包括電源(8)，電源(8)用于為 DSP#A1(1-1)、DSP#A2(1-2)、DSP#B1(2-1)和 DSP#B2 (2-2)提供工作 電源。
全文摘要
基于雙DSP的高容錯性CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)，屬于CAN總線網(wǎng)關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)關(guān)在單子節(jié)點整體故障時，會導(dǎo)致通信中斷，造成數(shù)據(jù)幀丟失或大延時情況發(fā)生的問題。它包括主節(jié)點、從節(jié)點、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A、雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B、非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E1和非冗余子網(wǎng)絡(luò)總線#E2，雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)A包括網(wǎng)絡(luò)總線#A1和網(wǎng)絡(luò)總線#A2；雙路冗余CAN網(wǎng)絡(luò)B包括網(wǎng)絡(luò)總線#B1和網(wǎng)絡(luò)總線#B2；它提供了雙鏈路冗余的CAN主干網(wǎng)絡(luò)之間、CAN主干網(wǎng)絡(luò)與單鏈路非冗余的CAN子網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)高速緩存及轉(zhuǎn)發(fā)。本發(fā)明作為CAN總線數(shù)字網(wǎng)關(guān)。
文檔編號H04L12/66GK103139060SQ201310065829
公開日2013年6月5日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者劉曉勝, 張鵬宇, 海天翔, 徐殿國 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)