一种新型CAN总线冗余电路设计与研究

摘要：设计并实现一种新颖的CAN总线双冗余节点电路，增强了冗余切换的灵活性。基于对冗余数学模型运用概率论分析冗余提高可靠性的理论，并指出双冗余的性价比最好，设计出了一种节点电路，给出了硬件连接原理图，阐述了程序设计的思想，最后指出了这种电路切换应考虑的各种事项。
0 引言
CAN(Controller Area Network)总线是上世纪80年代德国Bosch公司开发的一种串行数据总线，属于现场总线的范畴。CAN总线主要特点如下：
(1)CAN总线系统导线少(两线电源线，两根信号线)，维护和安装便捷；
(2)CAN协议采用8字节的短帧结构，保证了传输的正确性和低误码率；
(3)CAN协议对通信数据进行编码，使得网络的节点数不受限制且无主从之分；采用广播方式，不同的节点可以同时接收到相同的数据；
(4)采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证数据通信的可靠性。
CAN总线具有突出的灵活性、实时性和可靠性，已广泛应用到机器人、汽车、数控机床、自动化仪表等领域的现场通信中。虽然CAN协议本身具有强大的纠错能力，但是在实际应用中由于硬件电路接口连接不牢和传输介质容易受到损坏，因此在电力机车、船舶机舱和航空航天等对可靠性要求很高的领域，往往采用冗余设计来提高硬件的可靠性。

1 冗余设计可靠性分析

采用CAN总线冗余设计，主要是为了提高系统的可靠性。已实际应用的有双总线冗余和三总线冗余等。总线冗余相当于系统并联，以双总线冗余设计为例进行分析。双总线通信模型如图2所示，原模型如图1所示。文献只分析了双总线，这里借鉴其方法进一步分析已有实际应用的三总线的可靠性，指出双总线的效率最好，是本文要采用的冗余方案。

不妨设每条总线的可靠度均为R，则模型l的可靠度为：
R1=R
采用双总线冗余设计的模型2的可靠度为：
R2=1-(1-R)(1-R)
同理，采用三总线冗余设计的可靠度为：
R3=1-(1-R)(1-R)(1-R)
另外，假设每路CAN总线通信可靠度均为，则上述模型的可靠度为：

若定义平均无故障时间为，则三种模型的平均无故障时间分别为：

由，即采用冗余设计使平均无故障时间增加。由此可见，采用冗余设计确实能提高通信可靠性。
但是，由或，即采用双总线冗余设计使平均无故障时间的相对增加量比采用三总线高。由此类推可得，采用双总线冗余设计效率最高。因此，工程中只需采用双总线冗余即可。

2 节点电路设计

CAN节点一般采取CAN控制器或CAN接口芯片和总线驱动器构成。具体有三种构成形式：a．独立CAN通信控制器和驱动器构成，如SJAl000+PCA82C250；b．带控制功能的I／0器件和CAN驱动器构成， 如P82C150+PCA82C250；C．带在片CAN微控制器和CAN驱动器构成，如P80C592+PCA82C250。本文采用第三种形式，有利于简化电路设计，在冗余设计时便于程序控制。