2 軟件設(shè)計(jì)

　　CAN 協(xié)議規(guī)范定義的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層并不完整， 雙CAN 冗余應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)總線狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)故障的診斷和標(biāo)識， 這就要通過添加軟件冗余模塊來實(shí)現(xiàn)。冗余模塊在程序主循環(huán)中調(diào)用， 根據(jù)不同總線錯(cuò)誤狀態(tài)執(zhí)行收發(fā)通道切換。CAN 總線錯(cuò)誤狀態(tài)分為3類： 錯(cuò)誤激活、錯(cuò)誤認(rèn)可、總線關(guān)閉。總線正常工作時(shí)處于錯(cuò)誤激活狀態(tài)，控制器檢測到錯(cuò)誤后將發(fā)送/接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值遞增， 當(dāng)值大于127時(shí)進(jìn)入錯(cuò)誤認(rèn)可， 大于255時(shí)總線關(guān)閉狀態(tài)， CAN 總線錯(cuò)誤檢測模塊通過讀取錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器作為總線故障的測試條件， 在錯(cuò)誤狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)調(diào)用冗余算法， 執(zhí)行總線切換操作。

　　通過實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)， 總線連接斷開且只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)不斷發(fā)送報(bào)文時(shí)產(chǎn)生發(fā)送錯(cuò)誤， 控制器進(jìn)入錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)， 但不進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)； 其它錯(cuò)誤均使錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器增加， 依次進(jìn)入錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)、總線關(guān)閉狀態(tài)， 后兩種狀態(tài)表明總線被嚴(yán)重干擾， 需要采取相應(yīng)措施。為簡化控制邏輯設(shè)計(jì)將錯(cuò)誤認(rèn)可和總線關(guān)閉合并為總線故障。

　　冗余算法使用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)送模式的切換， 根據(jù)不同總線故障選擇發(fā)送使用的總線。狀態(tài)切換流程圖如圖2所示， 程序首先讀取錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器獲得總線錯(cuò)誤狀態(tài)， 判斷當(dāng)前總線是否處于錯(cuò)誤激活模式， 若檢測到總線故障程序置相應(yīng)標(biāo)志位向其他程序模塊指示錯(cuò)誤。為提高報(bào)文發(fā)送效率， 發(fā)送程序一次將多個(gè)報(bào)文寫入發(fā)送郵箱由硬件控制自動(dòng)發(fā)送， 在切換總線時(shí)， 需先把故障總線發(fā)送郵箱中的報(bào)文中回讀， 通過備份總線優(yōu)先發(fā)送， 這一機(jī)制保證報(bào)文不會(huì)因總線切換而丟失。控制器向故障總線發(fā)送數(shù)據(jù)域?yàn)榭盏臏y試報(bào)文， 每成功發(fā)送1報(bào)文， 總線發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值遞減， 直至其值小于128總線恢復(fù)到錯(cuò)誤被動(dòng)狀態(tài)； 每隔一定時(shí)間冗余程序讀取錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器， 檢測故障總線是否恢復(fù)正常。

　　在2總線同時(shí)傳輸模式， 發(fā)送程序優(yōu)先寫入總線1郵箱， 當(dāng)總線1郵箱滿時(shí)寫入總線2的郵箱， 由于報(bào)文按優(yōu)先級仲裁發(fā)送， 若某一路發(fā)送郵箱經(jīng)常為空， 說明該路總線通信流量較小， 發(fā)送程序?qū)⑤^多報(bào)文轉(zhuǎn)由空閑總線發(fā)送， 實(shí)現(xiàn)報(bào)文的負(fù)載均衡。

圖2 總線狀態(tài)切換流程圖。

　　3 雙總線冗余的可靠性分析與測試

　　對雙CAN 冗余系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行定量分析， 引入平均無故障運(yùn)行時(shí)間（M ean T ime To Fa ilure, MTTF）的概念。MTTF描述一個(gè)系統(tǒng)從開始工作到發(fā)生故障的時(shí)間間隔， 也即平均壽命。為簡化分析作如下假設(shè)： 每路CAN總線的故障率相同； CAN 總線的損壞屬于物理損壞， 即不可修復(fù)的損壞。指數(shù)分布可以很好地用來描述電子元器件的壽命， 假設(shè)CAN總線的壽命分布服從指數(shù)分布， CAN 總線的可靠性模型如圖3所示。

圖3 CAN 總線可靠性模型圖

　　模型1為單總線的可靠性模型， 因?yàn)榭偩€壽命服從指數(shù)分布， 根據(jù)單一CAN總線無故障運(yùn)行時(shí)間MTTF1 = 1 /λ。模型2為雙CAN總線冗余可靠性模型， 系統(tǒng)由兩條獨(dú)立的總線并聯(lián)而成， 即只有當(dāng)這2條總線都失效時(shí)系統(tǒng)通信才會(huì)失敗， 于是系統(tǒng)的平均壽命MTTF2 = 3 /2。采用雙線冗余設(shè)計(jì)使CAN 通信的平均無故障時(shí)間增加了50%。