【应用】耐辐射CAN总线串行通信在航天飞行中的应用

时间： 2018-03-09 来源：RENESAS(世强编辑整理) 作者：我的电脑

本文探讨了CAN总线在航空航天中的应用，包括CAN串行通信协议的基础知识，使用CAN进行卫星通信的优点以及耐辐射CAN收发器所需的特殊要求。

CAN协议基础

图1显示了一个典型的CAN总线网络框图。它由两个差分信号线组成，分别为CANH和CANL。电子控制单元（ECU）设备连接到差分数据线并通过差分总线相互通信。

图1：CAN总线网络框图

典型的ECU通常如图2所示。

图2：ECU设备框图

CAN收发器差分信号

CAN差分信号在协议中是唯一的。图3显示了当CAN收发器的数字（D）输入端有隐性位（逻辑1）或显性位（逻辑0）时，CAN收发器在CANH和CANL总线上的信号和电平的表示。

图3：CAN差分信号电平示意图

CAN标准数据帧和帧格式

CAN设备通过CAN总线网络以帧或消息的形式发送数据，CAN控制器负责将数据包转换为正确的格式进行传输，同时负责接收数据包并对其进行过滤以检索发送的数据消息。图4显示了标准的CAN帧格式。

图4：标准的CAN帧格式

协议集成总线竞争处理

CAN总线是一个串行的、多主站的广播总线，每个收发器的总线驱动器都连接到它的接收器，然后连接到传输线上的每一个接收器。因此，一次只能有一个ECU节点传输数据。CAN协议提供了一个自动位仲裁方案，以便在两个或多个ECU试图同时传输时，消息的内容决定了它们的优先级。这是通过使用显性和隐性位来完成。CAN消息由称为消息标识符号的一串比特串开始，每个ECU的消息标识符都是唯一的。消息优先级由消息标识符中的位模式建立，自动发生仲裁，而不会丢失数据，也不会增加总线延迟。

这种仲裁方案的主要优点是允许CAN总线作为子系统运行，而不需要主机来引导总线通信。相比之下，大多数RS-485系统被配置成主-从节点结构，由于决策和控制处于系统中的较高层次，所以延迟时间增加，而使用CAN总线，节点可以在数据准备好之后立即尝试传输。而且，在RS-485中，由于节点的所有位都不处于高阻状态，所以必须禁用其驱动器，以防止阻塞总线。在能够传输之前，主机必须指示节点控制器启用驱动器，增加了延迟。仲裁的CAN系统允许多个设备轻松连接到总线，而无需任何碰撞检测。

CAN总线的优点

下面列出了CAN协议的主要特性和优点：

1）简单的双线总线拓扑减少了布线，并且通过消除笨重的线束来节省空间和成本。

2）CAN控制器和CAN收发器的ISO 11898标准确保了由不同制造商生产的ECU在放入CAN网络时可以一起工作。

3）ECU设备可以同时与多个设备通信。

4）收发器驱动器输出电流高，可驱动双端电缆和长电缆。以高达1Mbps的数据速率驱动多达120个设备。

5）仲裁CAN系统可以轻松将多个设备连接到总线，而无需任何额外的冲突检测。仲裁自动发生，不会丢失数据，也不会增加总线延迟。

6）宽CMR，最小范围为-2V至+ 7V。CAN允许网络在节点可能有较大地面差异的恶劣环境中驱动长电缆。

7）协议中内置了错误检测功能，以实现可靠的通信。

CAN在空间应用中的优势

以下概述了与传统的MIL-STD-1553和RS-485点对点接口解决方案相比，在空间系统中使用CAN总线通信网络进行数据处理的优势。图5显示了当前常规拓扑与CAN双线广播拓扑之间的比较，几个节点可以被添加到一个总线，这显著降低了系统/电缆成本，同时提供了一个高性价比的增加功能的方式。据ESA称，卫星的重量/质量可以减少10%至18%。重量/质量与整体卫星和发射成本成比例：

1）CAN多主站/多站点拓扑显著减少了接线和连接器的数量。

2）替换旧的、更昂贵的通信协议。

3）与传统的MIL-STD-1553系统相比，CAN的功耗更低。

4）数据优先和数据争用比其他协议更具优势。

5）增加价值数百万美元的功能。

6）CAN支持可扩展的总线架构，提高可靠性、可观察性和可控性。

图5：CAN网络大大减少了接线

耐辐射CAN收发器的特殊要求

用于太空应用的CAN收发器必须能够承受太空中恶劣的辐射环境，并在满足空间总线对故障检测的要求的同时支持系统冗余。

耐辐射性

空间辐射对电子设备的影响是系统设计时必须考虑的因素。它们可能会导致从操作故障到设备严重物理损坏等问题。

Intersil的ISL7202xSEH系列CAN收发器的TID测试在偏置和接地条件下以0.01rad（Si）/s完成，可达到75krad（Si），随后如在MIL-STD-883测试方法1019中概述的那样，在100℃下进行偏置退火168小时，没有遇到SMD参数限制被排斥。这些耐辐射装置具有75krads的低剂量率保证。

总线故障检测

空间CAN收发器必须满足ECSS-E-ST-50-15C（2015年5月1日）第5.3.3节中有关空间应用的“总线故障检测”要求。Intersil与ESA合作制定了《Intersil CAN总线串行通信在航天飞行中的应用》白皮书第5.3.3节中概述的要求，ISL7202xSEH CAN收发器符合这些要求。

冗余和冷备份功能

为了实现高可靠性通信系统，ECU节点将并行使用两个CAN收发器，一个收发器将处于活动状态，另一个收发器处于断电状态，作为冷备用。如果主收发器发生故障，则使用冗余冷备用收发器。在断电状态下，ISL7202xSEH CAN收发器不会影响总线上的通信，并呈现高阻抗总线与系统电源轨之间的电阻＞2MΩ（典型值）。

结论

随着符合QML-V的ISL7202xSEH耐辐射CAN总线收发器的到来，空间通信工程师可以将CAN总线网络用于航天器上的通信和控制。CAN总线系统将允许工程师用CAN双线总线网络替换旧的、复杂的布线通信体系结构，如MIL-STD-1553，减少电线数量和重量，以及降低功耗，将为航天器制造商节约大量成本。

技术顾问：程增木

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全部评论（2）

小猪 Lv5. 技术专家 2018-10-20

好用
serena Lv7. 资深专家 2018-03-09

CAN现在太强大了

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2018.06 - RENESAS - 技术文档

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型号- ISL72028SEHEVAL1Z,5000,5001,5002,RC0805JR-070RL,ERJ-6ENF60R4V,S-2262,5004,68000-236HLF,5788792-1,ISL72026SEH,ISL72028SEH,ISL7202XSEHF,CR0805-8W-1002FT,69190-202HLF,ISL72027SEHEVAL1Z,ISL7202XSEHEVAL1Z,31-5329-52RFX,2204 (.250 OD),C0805C104K5RACTU,ISL7202XEVAL1ZREVAPCB,ISL72026SEHEVAL1Z,ERJ-6ENF4992V,ISL72027SEH,C2012X5R1E106K,ISL72028,ISL72027,575-4,ISL72026

October 26, 2015 - RENESAS - 用户指南 - Rev 0.00 查看更多版本

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LX Semicon电机驱动器&MCU选型表包含32位通用MCU、2ch H-桥电机驱动器、三相电机驱动器三个品类，主要包含以下参数，Operating Temperature(℃)：-40℃ ~ 85℃；Power (V)：3.9 to 5.5V、2.7 to 5.5V、Max.20V、Max.28V；competitor：Toshiba、Renesas、TI。

产品型号	品类	封装/外壳/尺寸	Power (V)	Grade certification standard	competitor	External High Speed OSC(MHz)	External Low Speed OSC(KHz)	Operating Temperature(℃)	Maximum Frequency(MHz)	SRAM（Kbyte）
SW31100	32位通用MCU	LQFP 64 (10*10, 0.5pitch)	3.9 to 5.5V	IEC 60730 supported	Toshiba	10MHz	32.768kHz	-40℃ ~ 85℃	35MHZ	12 Kbyte