冗余CAN总线远程数据采集系统设计与研究(2)

3.2 远程数据采集器设计

远程数据采集器设计为以C8051F0403 为处理器的智能采集通讯节点，C8051F040内部集成了数据采集系统所需要的几乎所有模拟和数字外设，包括ADC、DAC、电压比较器、定时器、以及CAN2.0B控制器等，这种高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠和高性能的采集系统统提供了方便。系统中远程数据采集器的硬件结构示意图见图2。远程数据采集器从功能上可分为冗余CAN总线接口、数据采集电路和看门狗超时电路，其中看门狗超时周期为1.6s。为实现冗余CAN总线接口，通过增加一片独立的CAN控制器SJA1000来实现。

图2 远程数据采集器硬件结构示意图

3.2.1 采集电路设计

采集电路结构如图3所示，外部模拟信号进入采集器后，先经低通滤波，对各种干扰信号进行一定的抑制后，送入放大器，再进入带有l2位ADC的C8051F040进行数据采样和增益转换。

图3 远程数据采集器示意图

在实际的工程应用中，由于被采集信号远离采集器，以致两者的地电位存在一定的电势差，不可避免地存在干扰和传输网络阻抗不对称引人的误差。因此。测量电路必须选择有较高的输入阻抗和共模抑制比的集成运放，同时可采用差动输入方式和无限增益电压负反馈放大。

3.2.2 冗余CAN总线接口设计

由于系统采用了冗余CAN总线通讯技术，因此冗余CAN总线接口设计是本系统的关键技术。

在各个数据采集器和信息处理单元之间设计两条CAN总线，在每个数据采集器中有2路独立的CAN通道，正常工作时只有一路CAN通道和一路CAN总线运行。远程数据采集器的冗余CAN总线结构如图2所示。系统中冗余CAN总线的基本设计思路如下：其中CAN控制器可以是独立的CAN控制器或者内嵌于MCU内部的CAN控制器。当出现总线通讯故障时，根据错误类型选择切换到另一路CAN通道或是另一路CAN总线。在任意时刻，只有一路CAN通道处于工作状态。

3.3 双冗余CAN总线管理

为了提高系统的可靠性，系统中两套总线采用热备份方式运行。按照CAN总线出现的错误类型，系统通讯故障可分为通道通讯故障和总线通讯故障，处理器利用CAN总线控制器的故障界定状态机制判断通讯故障，并向处理器发送故障状态。

在总线正常通讯过程中，处理器对CAN总线控制器的接收和发送错误计数器进行实时跟踪监控，一旦发送和接收出现故障，其错误类型及出错的各结点被赋予不同的计数值，这些计数值将根据是发送错误还是接收错误进行累加。总线通讯正常或有效接收及发送数据时，这些计数器将逐次递减至最小值0。

当发送错误计数器的值超过最大上限255时“总线关闭”。CAN控制器进入离线状态，CAN总线控制器产生一个总线错误和离线中断，处理器在收到中断信号的同时检测状态位得知系统出现通道通讯故障，通过“通道切换逻辑机制”切换CAN通讯通道，同时清除中断信号。当切换完成后，如果再次进入错误中断，则说明是总线故障，此时处理器再切换回以前的CAN通讯通道，并通过“总线切换逻辑机制”切换CAN通讯总线，同时清除中断信号。采用这种设计方法，当两路CAN通道或两路CAN总线同时出现故障时，通讯节点“总线关闭”并退出总线通讯，此时不会影响其他节点的正常通讯。