CAN總線雙機熱備份功能的實現(xiàn)

時間：2009/6/3閱讀：2242

一、CAN總線簡介
1、概述
CAN（Controller Area Network）zui初是由德國Bosch公司在80年代初期，為了解決汽車中眾多的控制與測量設備之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，屬于現(xiàn)場總線的范疇，1993年成為標準（ISO11898：道路車輛的高速控制器局域網(wǎng)數(shù)字交換系統(tǒng)標準）。CAN總線是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)或實時控制的串行通信網(wǎng)絡，是一個多主總線，總線上的各節(jié)點都有權隨時向其他節(jié)點發(fā)送信息，總線沖突時通過總線仲裁方式?jīng)Q定占用總線的節(jié)點。CAN的通信介質可以是雙絞線，同軸電纜或光纖。它可以通過簡單的協(xié)議，實現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境下遠距離實時數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
2、主要特點
CAN總線的主要特點概括如下：
1、　　CAN總線上任一個節(jié)點均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而不分主從，通信靈活；
2、　　CAN總線采用非破壞性的總線仲裁，當多節(jié)點同時向總線發(fā)送報文（message）時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送（仲裁丟失），而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；
3、　　CAN總線具有點對點，一點對多點，以及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；
4、　　CAN總線通信距離zui遠可達10km，通信zui高速可達1Mbit/s；
5、　　CAN將業(yè)務數(shù)據(jù)打包成報文發(fā)送，每一個報文的有效字節(jié)數(shù)為8個。這種小報文方式有傳輸時間短，實時性高，減少因受干擾而重發(fā)報文的機率等優(yōu)點；
6、　　CAN采用位校驗、填充位校驗、循環(huán)冗余碼校驗（CRC）和數(shù)據(jù)幀格式校驗，數(shù)據(jù)出錯概率在10-15以下；
7、　　CAN節(jié)點出錯次數(shù)大于一定數(shù)量時，可自動退出總線操作，使錯誤節(jié)點對總線的干擾降到zui低；
3、傳輸距離與傳輸速率的對應關系
CAN系統(tǒng)內任意兩個節(jié)點間的傳輸距離與該距離下zui大位速率的對應關系見下表：

CAN總線的諸多優(yōu)勢，促使其在各個領域得到日益廣泛的應用，成為*的zui有前途的現(xiàn)場總線之一。
二、CAN工作機制
1、CAN的報文（message）類型
CAN系統(tǒng)中，節(jié)點以報文方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。CAN的報文有4種類型，即數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀、過載幀，每種幀均有其相應的幀格式。其中與應用層關系zui密切的是數(shù)據(jù)幀和遠程幀。
2、CAN節(jié)點的狀態(tài)
CAN總線上的每個節(jié)點總處于“錯誤主動（Error Active）”，“錯誤被動（Error Passive）”和“總線脫離（Bus Off）”三種狀態(tài)之一。
　　處于錯誤主動狀態(tài)的節(jié)點，當發(fā)現(xiàn)總線上有錯誤傳輸時，將向總線上發(fā)“主動出錯幀”；處于錯誤被動狀態(tài)的節(jié)點，當發(fā)現(xiàn)總線上有錯誤傳輸時，將向總線上發(fā)“被動出錯幀”。當節(jié)點進入總線脫離狀態(tài)時，將*退出總線操作。
3、CAN節(jié)點的總線仲裁與監(jiān)聽機制
CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時，按字節(jié)的高位到低位的順序進行串行發(fā)送，在發(fā)送的同時進行接收，同時將收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)逐位進行比較。在總線仲裁階段，若發(fā)送的位是“1”，而接收到的是“0”，則該節(jié)點停止發(fā)送，退出總線，這就是仲裁丟失，因而，標識符二進制數(shù)值低的報文具有更高的優(yōu)先權。仲裁丟失的節(jié)點等到總線空閑時，再重新進行報文發(fā)送。在總線仲裁階段之后，發(fā)送節(jié)點仍將發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)逐位進行比較，這叫做“位校驗”。若接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致，則出現(xiàn)“位出錯”，節(jié)點發(fā)出錯幀。
除發(fā)送節(jié)點和總線脫離節(jié)點外，其他節(jié)點均為接收節(jié)點。接收節(jié)點不停地接收總線上的傳輸報文，由此不停地監(jiān)測總線傳輸?shù)腻e誤狀態(tài)。
4、CAN節(jié)點的報文接收篩選機制
CAN控制器監(jiān)聽接收總線上的所有報文，只有通過CAN控制器的報文篩選器篩選的報文才能進入CAN的報文接收緩沖區(qū)，為該節(jié)點所接收并傳送給應用程序。
報文接收篩選器由接收碼寄存器和接收屏蔽寄存器組成。接收碼寄存器規(guī)定了擬接收報文中參與篩選比較的各位（主要是標識符）必須匹配的值，而接收屏蔽寄存器卻將接收碼寄存器中的某些位屏蔽為“無關位”，對應“無關位”的報文的位不參加篩選比較。
三、普通的單采集機方式
　　目前，在石油鉆錄井行業(yè)應用CAN總線進行數(shù)據(jù)采集的各類儀器中大多采用單采集機方式進行工作，即只有一臺計算機負責CAN總線的數(shù)據(jù)采集工作，其它計算機負責數(shù)據(jù)的處理及存儲工作。有時為了防止數(shù)據(jù)丟失，可能采用雙數(shù)據(jù)庫服務器存儲，達到備份數(shù)據(jù)的目的，但都要求采集機必須正常工作，一旦采集機中的CAN卡出現(xiàn)故障或采集機系統(tǒng)崩潰均會導致整個系統(tǒng)癱瘓。
四、雙機熱備份功能的提出
　　為了防止和避免單采集機工作方式帶來的不利影響，保證在一臺采集機崩潰的情況下仍能使整個系統(tǒng)正常工作，本文提出了基于CAN總線的雙機熱備份功能的實現(xiàn)方法，即采用雙采集機的工作方式，兩臺采集機都通過CAN總線三通連接到CAN總線上，共用同一組傳感器和節(jié)點，同時采集。
五、雙機熱備份功能的實現(xiàn)
　　根據(jù)CAN總線本身的特點，為了避免沖突，實現(xiàn)真正的雙機采集，我們把兩臺采集機分成了主采集機和輔采集機，在主輔采集機同時接收CAN節(jié)點定時發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀的情況下，只有主采集機能夠向總線上發(fā)送各種命令（包括進行搜索和設置CAN節(jié)點的命令），而輔采集機只能處于偵聽狀態(tài)。當主采集機死機或CAN卡工作不正常的時候，輔采集機就會自動切換成主采集機，擔當起對CAN節(jié)點的各項管理工作。當原主采集機恢復正常工作時，當前的主采集機就又會自動切換回輔采集機狀態(tài)，關閉各項設置功能，這就要求主輔采集機通過CAN總線進行必要的通訊。
1、硬件框圖

2、主輔采集機通訊
　　為了實現(xiàn)主輔采集機的正確通訊和及時準確切換，要求雙方通過CAN總線傳輸信號。我們采用了只主采集機發(fā)送通訊信號，輔采集機只接收通訊信號的方式，在主輔采集機都進行數(shù)據(jù)采集的同時，只要輔采集機能不間斷地接收到主采集機發(fā)來的通訊信號，就認為主采集機還存在并運行正常，一旦一段時間（10～30秒）收不到通訊信號，就認為主采集機已經(jīng)出現(xiàn)問題，將直接切換成主采集機（在軟件界面上有“主”、“輔”采集機標識）。
　　受CAN適配卡總線驅動能力的限制，在CAN總線上一般允許掛接64個節(jié)點，占用0～63號邏輯地址，為了使主輔采集機之間的通訊信號（即一個數(shù)據(jù)幀）不與任何節(jié)點（0～63號）沖突，我們采用邏輯地址之上的更高一位進行接收屏蔽，具體設置方法如下：

單機采集時CAN卡初始化設置：

雙機采集時輔采集機CAN卡初始化設置：

主采集機發(fā)送的主輔采集機通訊信號（數(shù)據(jù)幀）格式：
byte_len=SIX
id1=0x60　　//01100 + 0
id2=0x00
data[0]=0x00
data[1]=0x00
data[2]=0x00
data[3]=0x00
data[4]=0x00
data[5]=0x00

該數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段可任意值，這里默認為0。

需要注意的是，在輔采集機進行數(shù)據(jù)采集接收的過程中應將該通訊信號與“0”號地址節(jié)點（一般為絞車計數(shù)）區(qū)分開來，如果將該通訊信號也接收進數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，會使“0”號節(jié)點對應的傳感器數(shù)據(jù)為0。為了使該通訊信號有zui高的優(yōu)先權，將它的邏輯地址設成了“0”號，但它與“0”號節(jié)點是有區(qū)別的，區(qū)別在于6位邏輯地址的前一位上。因此在接收到該信號后應進行特殊處理。
3、軟件流程圖

六、基于CAN總線的雙機熱備份功能的優(yōu)點和特點
1、　　實現(xiàn)了CAN卡與CAN卡之間的雙向通訊；
2、　　與通過網(wǎng)絡等其它介質通訊相比，通過CAN總線直接通訊更快捷和準確，避免了因其它通訊介質或通訊設備故障而產(chǎn)生的誤報現(xiàn)象；
3、　　其中的一臺采集機出現(xiàn)故障并不影響整個系統(tǒng)的正常運行；
4、　　主輔采集機的正確通訊保證了CAN節(jié)點在同一時刻只有一個命令中心，防止了多方指揮的混亂狀態(tài)；
5、　　更加合理地利用節(jié)點和傳感器，兩個甚至更多個采集系統(tǒng)只需一套傳感器總成，減輕了鉆井現(xiàn)場的安裝和維護任務，并降低了成本；
6、　　及時準確地保存了現(xiàn)場的兩套數(shù)據(jù)，避免了因數(shù)據(jù)丟失造成的損失。

七、基于CAN總線的雙機熱備份功能的先進性和可擴展性
1、　　據(jù)了解目前還沒有其它任何一家鉆錄井儀器制造廠商真正實現(xiàn)基于CAN總線的雙機熱備份功能；
2、　　實現(xiàn)了直接利用CAN總線進行兩塊CAN卡之間的雙向通訊；
3、　　可擴展該功能，利用CAN總線實現(xiàn)分別裝有CAN卡的兩臺計算機之間的數(shù)據(jù)交換和消息傳遞。

八、參考資料
1、SBS SysExpanModule/CSM 技術手冊V3.4

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CAN總線雙機熱備份功能的實現(xiàn)

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