CN109617801A - 一种大力矩飞轮双路冗余can总线可靠通信方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种大力矩飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法和装置，包括配置基于FPGA的双路冗余CAN总线可靠通信电路；设置CAN总线控制器的FPGA处理实现方法，实现双路CAN总线冗余通信功能；设置飞轮CAN总线应用层通信协议流程；配置采用双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理方法，在大力矩反作用飞轮总线出现通信故障时进行自我诊断及设置针对故障模式的处理流程。本发明能够提高飞轮CAN总线通信通道的可选择性和可配置性，提升飞轮在线通信的故障修复能力。

Description

一种大力矩飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法和装置
技术领域
本发明涉及可靠通信技术领域，特别涉及一种大力矩飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法和装置。
背景技术
现有的常规卫星反作用飞轮控制器通信电路较多采用串口通信方案，该方案为保证可靠通信多使用异步半双工方式，并具有硬件配置简单成本较低特点因此应用广泛，但其通信速率较慢、误码率较高，在应用于大、中型卫星执行机构的大力矩反作用飞轮时，在可靠性及系统控制稳定度上存在局限性；此外现有反作用飞轮串口通信方案往往配置单路串口通信配置电路，不利于反作用飞轮与姿轨控计算机通信链路冗余可靠通信，而且在整星通信网络组成中存在组成连接线缆复杂，且无法实现在轨反作用飞轮地址配置及识别；最后，现有反作用飞轮串口通信方案通常不具备通信故障诊断及处理功能，使得卫星在轨故障自修复能力降低。为此，针对大、中型卫星具备快速姿态机动、高精度的控制需求，大力矩反作用飞轮采用冗余接口、多主通信及高可靠的电路通信方案更适于卫星发展趋势。
发明内容
本发明提供了一种大力矩飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法和装置，旨在提高通信通道的可选择和可配置性，提升飞轮在线通信的故障修复能力。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法，其特征在于包括以下步骤：
配置基于FPGA的双路冗余CAN总线可靠通信电路。
设置CAN总线控制器的FPGA处理实现方法，实现双路CAN总线冗余通信功能。
设置飞轮CAN总线应用层通信协议流程。
配置采用该双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理方法，在大力矩反作用飞轮总线出现通信故障时的进行自我诊断及设置针对故障模式的处理流程。
进一步的，所述基于FPGA的双路冗余CAN总线可靠通信配置电路包括：FPGA最小系统电路、双路CAN总线控制器配置电路、双路CAN总线接口通信电路，结合大力矩飞轮在空间实际工作环境特点，该FPGA最小系统电路特征在于使用高可靠的反熔丝型FPGA芯片，由其管理CAN总线控制器，实现总线通信数据交互处理；所述双路CAN总线控制器配置电路特征在于双路CAN总线控制器分别独立设置，并分别配置有晶体振荡电路；双路CAN总线接口电路采用CAN总线收发芯片PCA82C250T作为总线接口端。
进一步的，所述设置CAN总线控制器的FPGA处理实现方法包括：在FPGA芯片中实现CAN总线控制器控制处理，CAN通信协议流程处理状态机调用控制器初始化模块，设置CAN总线控制器的初始参数，当CAN接收中断信号有效时分别调用CAN总线数据接收模块和CAN总线数据发送处理模块用以实现通信协议数据收发，其中初始化模块及总线数据发送模块则通过多路底层驱动收发使能信号仲裁机制实现底层驱动收发子模块的分时复用。
进一步的，所述飞轮CAN总线应用层通信协议流程，将所述的CAN总线控制器的各模块进行协调集成，并实现各个模块的分时复用；当CAN总线通信正常工作时，飞轮按协议流程处理姿控数据同步广播帧、姿控转速控制指令帧以及总线通信模式控制帧。
进一步的，所述双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理方法，在所述的飞轮CAN总线应用层通信协议流程中增加总线通信故障情况辨识处理环节，以及针对所述故障模式所采用的CAN总线通信双路通道切换处理流程，当飞轮处于总线自主通信模式且CAN总线中断在预设的时间内的计数次数超过一定的次数后，飞轮将辨识为总线通信故障模式，设置CAN控制器初始化的参数后，完成双路通道间的切换。
为了实现上述发明目的，本发明还提供一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信装置，其特征在于包括：
基于FPGA的双路冗余CAN总线通信电路，每路设置单独的CAN总线控制器及CAN总线收发器。
CAN总线控制器的FPGA处理实现模块，实现双路CAN总线冗余通信功能。
飞轮CAN总线应用层通信协议流程设置模块。
采用该双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理方模块，在大力矩反作用飞轮总线出现通信故障时的自我诊断及设置针对故障模式的处理流程。
进一步的，所述基于FPGA的双路冗余CAN总线可靠通信配置电路包括：FPGA最小系统电路、双路CAN总线控制器配置电路、双路CAN总线接口通信电路，结合大力矩飞轮在空间实际工作环境特点，该FPGA最小系统电路特征在于使用高可靠的反熔丝型FPGA芯片，由其管理CAN总线控制器，实现总线通信数据交互处理；所述双路CAN总线控制器配置电路特征在于双路CAN总线控制器分别独立设置，并分别配置有晶体振荡电路；双路CAN总线接口电路采用CAN总线收发芯片PCA82C250T作为总线接口端。
进一步的，其中，所述CAN总线控制器的FPGA处理实现模块包括：底层驱动收发模块、控制器初始化模块、CAN总线数据接收处理模块、CAN总线数据发送处理模块和CAN通信应用层处理模块，在FPGA芯片中实现CAN总线控制器控制处理，由CAN通信协议流程处理状态机首先调用控制器初始化模块，将CAN总线控制器的初始参数设置完成，在设置接收中断标志等待状态机，当CAN接收中断信号有效时分别调用CAN总线数据接收模块和CAN总线数据发送处理模块用以实现通信协议数据收发，其中对初始化模块及总线数据发送模块则通过多路底层驱动收发使能信号仲裁机制实现底层驱动收发模块的分时复用。
进一步的，所述飞轮CAN总线应用层通信协议流程设置模块，将所述的CAN总线控制器的各个模块进行协调集成，并实现模块的分时复用，当CAN总线通信正常工作时，飞轮按协议流程处理姿控数据同步广播帧、姿控转速控制指令帧以及总线通信模式控制帧。
进一步的，所述双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理模块，在所述的飞轮CAN总线应用层通信协议流程设置模块中增加总线通信故障情况辨识处理模块，以及针对所述故障模式所采用的CAN总线通信双路通道切换处理模块，当飞轮处于总线自主通信模式且CAN总线中断在预设的时间内的计数次数超过一定的次数后，飞轮将辨识为总线通信故障模式，设置CAN控制器初始化的参数后，完成双路通道间的切换。
本发明的有益效果是：
1)本发明首先在硬件电路上可保证CAN总线通信链路双路冗余，提高通信通道的可选择性及可配置性，双路冗余CAN通信电路具备独立的电气联接，可充分保证大力矩反作用飞轮空间可靠生存能力。
2)本发明所述大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信技术除了必要硬件电路外，还具备基于FPGA的CAN总线自主通信故障诊断功能以及故障模式处理流程，故可进一步提升飞轮在线通信故障修复能力。
附图说明
图1是本发明双路冗余CAN总线通信电路示意图。
图2是本发明基于FPGA的CAN控制器处理模块状态机组图。
图3是本发明基于FPGA的CAN通信应用层处理实现框图。
图4是本发明针对大力矩飞轮通信协议及故障模式处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
本发明是一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线通信方法和装置，首先是双路冗余CAN总线通信配置电路，如图1所示，其包括：FPGA最小系统电路、双路CAN总线控制器配置电路、双路CAN总线接口通信电路，所述FPGA最小系统电路使用高可靠的反熔丝型FPGA芯片，由其管理CAN总线控制器，实现总线通信数据交互处理，所述双路CAN总线控制器配置电路特征在于双路CAN总线控制器分别独立设置，并分别配置有晶体振荡电路，选用PHILIPS公司的SJA1000T作为CAN总线控制器，并相应配置对应的晶振电路，主要是设置16MHz的晶体谐振器和两侧并联的负载电容C1＝C2＝15pF，双路冗余配置的SJA1000T控制器分别与主控芯片FPGA的IO连接，并使用CAN总线控制器的中断信号INT作为FPGA处理的触发信号，设置独立的双路CAN总线收发芯片PCA82C250T作为总线接口端。
在双路冗余CAN总线通信电路配置的基础上，给出了CAN总线控制器SJA1000T的FPGA控制方法，主要通过CAN总线处理流程实现双路CAN总线冗余通信功能；CAN总线控制器流程处理流程主要围绕CAN总线控制器SJA1000控制处理方法开展，主要功能模块分为SJA1000底层驱动收发模块、SJA1000控制器初始化模块、CAN总线数据接收处理模块、CAN总线数据发送处理模块和CAN通信应用层处理模块。
SJA1000底层驱动收发模块处理方法，如图2-a中所示，是通过模块使能信号can_wr_yes及can_rd_yes分别启动收发模块中的CAN控制器写数据驱动状态机和CAN控制器数据读取状态机，设计状态机的拍数是依据CAN总线控制器数据写入和读取时序时间来确定，并相应的设置读写的时序裕量,其中在由空闲状态IDILE跳转到ST1状态后，需要置位CAN总线控制器的地址锁存信号ale_sja1000_reg，此外设置条件保证双向端口地址与数据的无冲突交互，当接收状态机或发送状态机工作完成后，则对外传送接收完成rd_can_ok信号或发送完成wr_can_ok信号。
CAN总线数据接收模块处理方法，如图2-b中所示，是通过判读模块使能信号can_recep_yes有效时，在向模块的接收字节数信号recep_bytes写入循环次数的同时启动CAN总线数据轮收状态机从空闲状态IDILE跳转至ST1状态，同时向底层驱动模块发送接收读使能recep_rd_yes有效信号，在下一时钟周期时状态机跳转到ST2状态，并在该状态设置等待条件，即当底层驱动收发模块rd_can_ok写完成信号有效时完成一次接收字节计数器recep_byte_counter递增，且当该计数器等于recep_bytes数值时，清零接收字节计数器并将状态机跳转到空闲状态IDILE，同时对外置位recep_can_ok帧数据接收完成标志信号。
CAN总线数据发送处理模块，如图2-c中所示，通过判读模块使能信号can_trans_yes有效时，在向模块的发送字节数信号trans_bytes写入循环次数的同时启动数据发送处理模块地址/数据轮发状态机，并在IDILE状态时重置接收字节计数器，当状态机跳转至ST1时将数据发送写使能信号trans_wr_yes置位，并在下一个时钟周期时，状态机跳转到ST2状态，并在该状态设置等待条件，即当底层驱动收发模块wr_can_ok写完成信号有效时完成一次发送字节计数器trans_byte_counter递增，且当该计数器等于trans_bytes数值时，计数器清零并将轮发状态机跳转置空闲状态IDILE，同时对外置位trans_can_ok帧数据发送完成标志信号。
SJA1000控制器初始化模块流程，如图2-d中所示，是通过判读模块使能信号can_initial_yes有效时，启动初始化模块地址/数据轮发状态机，并在IDILE状态时重置发送字节计数器，当跳转至ST1状态时，则将初始化写使能信号initial_wr_yes置位，并在下一个时钟周期时，状态机跳转到ST2状态，并在该状态设置条件等待，即当底层驱动收发模块wr_can_ok写完成信号有效时且初始化轮发字节数满足条件后，轮发状态机跳转置空闲状态IDILE，同时对外置位initial_can_ok初始化完成标志信号。
CAN通信应用层处理模块是将以上各处理子模块协调集成，图3给出应用层中各子模块的组成关系框图，图4给出应用层中通信协议流程，在FPGA控制器工作后该模块在等待复位完成后，由CAN通信协议流程处理状态机首先调用SJA1000控制器初始化模块，将CAN总线控制器的初始参数设置完成，在设置接收中断标志等待状态机，当CAN接收中断信号有效时分别调用CAN总线数据接收模块和CAN总线数据发送处理模块用以实现通信协议数据收发，其中对初始化模块及总线数据发送模块则通过多路SJA1000底层驱动收发使能信号仲裁机制实现SJA1000底层驱动收发子模块的分时复用。
本发明在CAN总线控制器FPGA处理流程实现的基础上，针对飞轮在实际工况中可能存在的通信故障情况类型进行辨识及故障模式处理，如图4中所示，所述的CAN通信应用层处理模块大部分时间处于CAN总线中断等待处理时段，当CAN总线通信正常工作时，飞轮按协议流程处理姿控数据同步广播帧、姿控转速控制指令帧以及总线通信模式控制帧；而当飞轮处于总线自主通信模式且CAN总线中断等待0.25s定时计数超过24次后，飞轮将辨识为总线通信故障模式，该故障处理机制为先完成CAN控制器初始化后再完成A总线与B总线通道间的切换，这样可不断交替刷新双路CAN总线控制器，以提高双冗余CAN总线通信可靠性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)配置基于FPGA的双路冗余CAN总线可靠通信电路，每路设置单独的CAN总线控制器及CAN总线收发器；
(2)设置CAN总线控制器的FPGA处理实现方法，实现双路CAN总线冗余通信功能；
(3)设置飞轮CAN总线应用层通信协议流程；
(4)配置采用该双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理方法，在大力矩反作用飞轮总线出现通信故障时的进行自我诊断及设置针对故障模式的处理流程。
2.根据权利要求1所述大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法，其中，所述基于FPGA的双路冗余CAN总线通信电路包括：FPGA最小系统电路、双路CAN总线控制器配置电路、双路CAN总线接口通信电路，所述FPGA最小系统电路使用反熔丝型FPGA芯片，管理CAN总线控制器，交互处理总线通信数据；所述双路CAN总线控制器配置电路特征在于双路CAN总线控制器分别独立设置，分别配置有晶体振荡电路；双路CAN总线接口电路采用CAN总线收发芯片PCA82C250T作为总线接口端。
3.根据权利要求1所述的一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法，其中，所述设置CAN总线控制器的FPGA处理实现方法包括：在FPGA芯片中实现CAN总线控制器控制处理，CAN通信协议流程处理状态机调用控制器初始化模块，设置CAN总线控制器的初始参数，当CAN接收中断信号有效时分别调用CAN总线数据接收处理模块和CAN总线数据发送处理模块用以实现通信协议数据收发，其中初始化模块及总线数据发送处理模块则通过多路底层驱动收发使能信号仲裁机制实现底层驱动收发子模块的分时复用。
4.根据权利要求3所述的一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法，其中，所述飞轮CAN总线应用层通信协议流程，将所述的CAN总线控制器的各模块进行协调集成，并实现各个模块的分时复用；当CAN总线通信正常工作时，飞轮按协议流程处理姿控数据同步广播帧、姿控转速控制指令帧以及总线通信模式控制帧。
5.根据权利要求1所述的一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信方法，所述双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理方法，在所述的飞轮CAN总线应用层通信协议流程中增加总线通信故障情况辨识处理环节，针对所述故障模式，采用CAN总线通信双路通道切换处理流程，当飞轮处于总线自主通信模式且CAN总线中断在预设的时间内的计数次数超过一定的次数后，飞轮将辨识为总线通信故障模式，设置CAN控制器初始化的参数后，切换双路通道。
6.一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信装置，其特征在于包括：
(1)基于FPGA的双路冗余CAN总线通信电路，每路设置单独的CAN总线控制器及CAN总线收发器；
(2)CAN总线控制器的FPGA处理实现模块，实现双路CAN总线冗余通信功能；
(3)飞轮CAN总线应用层通信协议流程设置模块；
(4)采用该双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理模块，在大力矩反作用飞轮总线出现通信故障时时进行自我诊断及设置针对故障模式的处理流程。
7.根据权利要求6所述大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信装置，其中，所述基于FPGA的双路冗余CAN总线通信配置电路包括：FPGA最小系统电路、双路CAN总线控制器配置电路、双路CAN总线接口通信电路，该FPGA最小系统电路特征在于使用反熔丝型FPGA芯片，由其管理CAN总线控制器，实现总线通信数据交互处理；所述双路CAN总线控制器配置电路特征在于双路CAN总线控制器分别独立设置，分别配置有晶体振荡电路；双路CAN总线接口电路采用CAN总线收发芯片PCA82C250T作为总线接口端。
8.根据权利要求6所述的一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信装置，其中，所述CAN总线控制器的FPGA处理实现模块包括：底层驱动收发模块、控制器初始化模块、CAN总线数据接收处理模块、CAN总线数据发送处理模块和CAN通信应用层处理模块，在FPGA芯片中实现CAN总线控制器控制处理，CAN通信协议流程处理状态机调用控制器初始化模块，设置CAN总线控制器的初始参数，当CAN接收中断信号有效时分别调用CAN总线数据接收模块和CAN总线数据发送处理模块用以实现通信协议数据收发，其中初始化模块及总线数据发送模块则通过多路底层驱动收发使能信号仲裁机制实现底层驱动收发模块的分时复用。
9.根据权利要求8所述的一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信装置，其中，所述飞轮CAN总线应用层通信协议流程设置模块，将所述的CAN总线控制器的各个模块进行协调集成，并实现模块的分时复用，当CAN总线通信正常工作时，飞轮按协议流程处理姿控数据同步广播帧、姿控转速控制指令帧以及总线通信模式控制帧。
10.根据权利要求6所述的一种大力矩反作用飞轮双路冗余CAN总线可靠通信装置，所述双路冗余CAN总线方式的通信故障诊断及处理模块，在所述的飞轮CAN总线应用层通信协议流程设置模块中增加总线通信故障情况辨识处理模块，针对所述故障模式，采用CAN总线通信双路通道切换处理模块，当飞轮处于总线自主通信模式且CAN总线中断在预设的时间内的计数次数超过一定的次数后，飞轮将辨识为总线通信故障模式，设置CAN控制器初始化的参数后，切换双路通道。
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