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CAN總線雙機(jī)熱備份功能的實(shí)現(xiàn)

　更新時(shí)間：2009-06-03　點(diǎn)擊量：2560
一、CAN總線簡(jiǎn)介
1、概述
CAN（Controller Area Network）zui初是由德國(guó)Bosch公司在80年代初期，為了解決汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，1993年成為標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898：道路車(chē)輛的高速控制器局域網(wǎng)數(shù)字交換系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)）。CAN總線是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)多主總線，總線上的各節(jié)點(diǎn)都有權(quán)隨時(shí)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，總線沖突時(shí)通過(guò)總線仲裁方式?jīng)Q定占用總線的節(jié)點(diǎn)。CAN的通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光纖。它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境下遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
2、主要特點(diǎn)
CAN總線的主要特點(diǎn)概括如下：
1、　　CAN總線上任一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)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(dāng)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送報(bào)文（message）時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送（仲裁丟失），而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；
3、　　CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，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(yuǎn)可達(dá)10km，通信zui高速可達(dá)1Mbit/s；
5、　　CAN將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)打包成報(bào)文發(fā)送，每一個(gè)報(bào)文的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)。這種小報(bào)文方式有傳輸時(shí)間短，實(shí)時(shí)性高，減少因受干擾而重發(fā)報(bào)文的機(jī)率等優(yōu)點(diǎn)；
6、　　CAN采用位校驗(yàn)、填充位校驗(yàn)、循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）和數(shù)據(jù)幀格式校驗(yàn)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)概率在10-15以下；
7、　　CAN節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)次數(shù)大于一定數(shù)量時(shí)，可自動(dòng)退出總線操作，使錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的干擾降到zui低；
3、傳輸距離與傳輸速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系
CAN系統(tǒng)內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離與該距離下zui大位速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)下表：


CAN總線的諸多優(yōu)勢(shì)，促使其在各個(gè)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，成為*的zui有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
二、CAN工作機(jī)制
1、CAN的報(bào)文（message）類型
CAN系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)以報(bào)文方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。CAN的報(bào)文有4種類型，即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀、過(guò)載幀，每種幀均有其相應(yīng)的幀格式。其中與應(yīng)用層關(guān)系z(mì)ui密切的是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。
2、CAN節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)
CAN總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)總處于“錯(cuò)誤主動(dòng)（Error Active）”，“錯(cuò)誤被動(dòng)（Error Passive）”和“總線脫離（Bus Off）”三種狀態(tài)之一。
　　處于錯(cuò)誤主動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線上有錯(cuò)誤傳輸時(shí)，將向總線上發(fā)“主動(dòng)出錯(cuò)幀”；處于錯(cuò)誤被動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線上有錯(cuò)誤傳輸時(shí)，將向總線上發(fā)“被動(dòng)出錯(cuò)幀”。當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線脫離狀態(tài)時(shí)，將*退出總線操作。
3、CAN節(jié)點(diǎn)的總線仲裁與監(jiān)聽(tīng)機(jī)制
CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按字節(jié)的高位到低位的順序進(jìn)行串行發(fā)送，在發(fā)送的同時(shí)進(jìn)行接收，同時(shí)將收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)逐位進(jìn)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(diǎn)停止發(fā)送，退出總線，這就是仲裁丟失，因而，標(biāo)識(shí)符二進(jìn)制數(shù)值低的報(bào)文具有更高的優(yōu)先權(quán)。仲裁丟失的節(jié)點(diǎn)等到總線空閑時(shí)，再重新進(jìn)行報(bào)文發(fā)送。在總線仲裁階段之后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)仍將發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)逐位進(jìn)行比較，這叫做“位校驗(yàn)”。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(cuò)”，節(jié)點(diǎn)發(fā)出錯(cuò)幀。
除發(fā)送節(jié)點(diǎn)和總線脫離節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)均為接收節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)不停地接收總線上的傳輸報(bào)文，由此不停地監(jiān)測(cè)總線傳輸?shù)腻e(cuò)誤狀態(tài)。
4、CAN節(jié)點(diǎn)的報(bào)文接收篩選機(jī)制
CAN控制器監(jiān)聽(tīng)接收總線上的所有報(bào)文，只有通過(guò)CAN控制器的報(bào)文篩選器篩選的報(bào)文才能進(jìn)入CAN的報(bào)文接收緩沖區(qū)，為該節(jié)點(diǎn)所接收并傳送給應(yīng)用程序。
報(bào)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?qǐng)?bào)文中參與篩選比較的各位（主要是標(biāo)識(shí)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(wú)關(guān)位”，對(duì)應(yīng)“無(wú)關(guān)位”的報(bào)文的位不參加篩選比較。
三、普通的單采集機(jī)方式
　　目前，在石油鉆錄井行業(yè)應(yīng)用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的各類儀器中大多采用單采集機(jī)方式進(jìn)行工作，即只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)CAN總線的數(shù)據(jù)采集工作，其它計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理及存儲(chǔ)工作。有時(shí)為了防止數(shù)據(jù)丟失，可能采用雙數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)，達(dá)到備份數(shù)據(jù)的目的，但都要求采集機(jī)必須正常工作，一旦采集機(jī)中的CAN卡出現(xiàn)故障或采集機(jī)系統(tǒng)崩潰均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。
四、雙機(jī)熱備份功能的提出
　　為了防止和避免單采集機(jī)工作方式帶來(lái)的不利影響，保證在一臺(tái)采集機(jī)崩潰的情況下仍能使整個(gè)系統(tǒng)正常工作，本文提出了基于CAN總線的雙機(jī)熱備份功能的實(shí)現(xiàn)方法，即采用雙采集機(jī)的工作方式，兩臺(tái)采集機(jī)都通過(guò)CAN總線三通連接到CAN總線上，共用同一組傳感器和節(jié)點(diǎn)，同時(shí)采集。
五、雙機(jī)熱備份功能的實(shí)現(xiàn)
　　根據(jù)CAN總線本身的特點(diǎn)，為了避免沖突，實(shí)現(xiàn)真正的雙機(jī)采集，我們把兩臺(tái)采集機(jī)分成了主采集機(jī)和輔采集機(jī)，在主輔采集機(jī)同時(shí)接收CAN節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)幀的情況下，只有主采集機(jī)能夠向總線上發(fā)送各種命令（包括進(jìn)行搜索和設(shè)置CAN節(jié)點(diǎn)的命令），而輔采集機(jī)只能處于偵聽(tīng)狀態(tài)。當(dāng)主采集機(jī)死機(jī)或CAN卡工作不正常的時(shí)候，輔采集機(jī)就會(huì)自動(dòng)切換成主采集機(jī)，擔(dān)當(dāng)起對(duì)CAN節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)管理工作。當(dāng)原主采集機(jī)恢復(fù)正常工作時(shí)，當(dāng)前的主采集機(jī)就又會(huì)自動(dòng)切換回輔采集機(jī)狀態(tài)，關(guān)閉各項(xiàng)設(shè)置功能，這就要求主輔采集機(jī)通過(guò)CAN總線進(jìn)行必要的通訊。
1、硬件框圖


2、主輔采集機(jī)通訊
　　為了實(shí)現(xiàn)主輔采集機(jī)的正確通訊和及時(shí)準(zhǔn)確切換，要求雙方通過(guò)CAN總線傳輸信號(hào)。我們采用了只主采集機(jī)發(fā)送通訊信號(hào)，輔采集機(jī)只接收通訊信號(hào)的方式，在主輔采集機(jī)都進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，只要輔采集機(jī)能不間斷地接收到主采集機(jī)發(fā)來(lái)的通訊信號(hào)，就認(rèn)為主采集機(jī)還存在并運(yùn)行正常，一旦一段時(shí)間（10～30秒）收不到通訊信號(hào)，就認(rèn)為主采集機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題，將直接切換成主采集機(jī)（在軟件界面上有“主”、“輔”采集機(jī)標(biāo)識(shí)）。
　　受CAN適配卡總線驅(qū)動(dòng)能力的限制，在CAN總線上一般允許掛接64個(gè)節(jié)點(diǎn)，占用0～63號(hào)邏輯地址，為了使主輔采集機(jī)之間的通訊信號(hào)（即一個(gè)數(shù)據(jù)幀）不與任何節(jié)點(diǎn)（0～63號(hào)）沖突，我們采用邏輯地址之上的更高一位進(jìn)行接收屏蔽，具體設(shè)置方法如下：

單機(jī)采集時(shí)CAN卡初始化設(shè)置：


雙機(jī)采集時(shí)輔采集機(jī)CAN卡初始化設(shè)置：


主采集機(jī)發(fā)送的主輔采集機(jī)通訊信號(hào)（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(rèn)為0。

需要注意的是，在輔采集機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集接收的過(guò)程中應(yīng)將該通訊信號(hào)與“0”號(hào)地址節(jié)點(diǎn)（一般為絞車(chē)計(jì)數(shù)）區(qū)分開(kāi)來(lái)，如果將該通訊信號(hào)也接收進(jìn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，會(huì)使“0”號(hào)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)為0。為了使該通訊信號(hào)有zui高的優(yōu)先權(quán)，將它的邏輯地址設(shè)成了“0”號(hào)，但它與“0”號(hào)節(jié)點(diǎn)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(hào)后應(yīng)進(jìn)行特殊處理。
3、軟件流程圖


六、基于CAN總線的雙機(jī)熱備份功能的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)
1、　　實(shí)現(xiàn)了CAN卡與CAN卡之間的雙向通訊；
2、　　與通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等其它介質(zhì)通訊相比，通過(guò)CAN總線直接通訊更快捷和準(zhǔn)確，避免了因其它通訊介質(zhì)或通訊設(shè)備故障而產(chǎn)生的誤報(bào)現(xiàn)象；
3、　　其中的一臺(tái)采集機(jī)出現(xiàn)故障并不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行；
4、　　主輔采集機(jī)的正確通訊保證了CAN節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻只有一個(gè)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(diǎn)和傳感器，兩個(gè)甚至更多個(gè)采集系統(tǒng)只需一套傳感器總成，減輕了鉆井現(xiàn)場(chǎng)的安裝和維護(hù)任務(wù)，并降低了成本；
6、　　及時(shí)準(zhǔn)確地保存了現(xiàn)場(chǎng)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(jī)熱備份功能的先進(jìn)性和可擴(kuò)展性
1、　　據(jù)了解目前還沒(méi)有其它任何一家鉆錄井儀器制造廠商真正實(shí)現(xiàn)基于CAN總線的雙機(jī)熱備份功能；
2、　　實(shí)現(xiàn)了直接利用CAN總線進(jìn)行兩塊CAN卡之間的雙向通訊；
3、　　可擴(kuò)展該功能，利用CAN總線實(shí)現(xiàn)分別裝有CAN卡的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)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(shù)手冊(cè)V3.4
 
 

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