基于MB90F543微控制器的双CAN冗余设计

一、引言

在工业控制、汽车电子、轨道交通等对系统可靠性要求极高的领域，通信系统的稳定性直接关系到整个系统的正常运行。CAN（Controller Area Network）总线作为一种广泛应用的现场总线，以其高可靠性、实时性和抗干扰能力强的特点，在这些领域得到了大量使用。然而，单一CAN总线在面对复杂电磁环境、传输介质损坏、总线驱动器故障等情况时，仍存在通信中断的风险。为进一步提升系统的可靠性，双CAN冗余设计成为一种有效的解决方案。MB90F543微控制器凭借其内置的两个独立CAN控制器，为双CAN冗余设计提供了理想的硬件平台。本文将详细阐述基于MB90F543微控制器的双CAN冗余设计方案，包括优选元器件型号、器件作用、选择原因、功能特性以及系统整体设计等内容。

二、MB90F543微控制器介绍

MB90F543是富士通（现英飞凌）公司推出的一款16位微控制器，属于F²MC - 16LX系列。该微控制器具有强大的功能和丰富的外设资源，尤其适合应用于对实时性和可靠性要求较高的场合。以下是MB90F543的主要特性：

1. 处理器核心

MB90F543采用16位的F²MC - 16LX内核，主频可达16MHz，能够快速处理复杂的控制任务。其指令集设计合理，具有较高的执行效率，可满足实时控制系统的需求。

2. 存储器资源

该微控制器拥有128KB的闪存（Flash）程序存储器，可用于存储用户程序和常量数据。同时，还配备了6KB的随机存取存储器（RAM），为程序的运行提供了足够的临时数据存储空间。此外，MB90F543还支持外部存储器接口（EBI/EMI），可扩展外部存储器，进一步增加系统的存储容量。

3. CAN控制器

MB90F543内置了两个独立的CAN控制器，这是其最为突出的特点之一。每个CAN控制器都集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，能够独立完成CAN总线的通信任务。具体来说，CAN控制器具有以下特性：

• 符合CAN协议标准：支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，可与各种符合CAN标准的设备进行通信。

• 多种帧类型支持：支持数据帧和远程帧的发送和接收，能够满足不同应用场景下的通信需求。

• 丰富的信息缓冲器：拥有16个收发信息缓冲器，支持11位或29位标识符，并支持多级信息缓冲器结构。这使得系统能够同时处理多个不同优先级和标识符的CAN消息，提高了通信的效率和灵活性。

• 灵活的验收标识选择：支持满位比较、满位屏蔽和位屏蔽验收三种验收标识选择方式，用户可以根据实际需求灵活配置，以确保只有符合特定标识的消息才能被接收，提高了通信的安全性和可靠性。

• 可编程波特率：波特率范围从10Kbps到1Mbps可编程设置，用户可以根据通信距离、传输速率和系统要求等因素进行合理选择，以满足不同应用场景的需求。

4. 其他外设

除了CAN控制器外，MB90F543还集成了多种其他外设，如串行通信接口（SCI）、通用异步收发传输器（UART/USART）等，方便系统与其他设备进行数据交换和通信。同时，该微控制器还具备上电复位（POR）和看门狗定时器（WDT）等功能，可提高系统的稳定性和可靠性。

三、双CAN冗余系统设计原理

双CAN冗余设计的核心思想是通过两套完全独立的CAN总线系统，实现物理介质、物理层、数据链路层及应用层的全面冗余。在基于MB90F543微控制器的双CAN冗余系统中，两套CAN总线分别称为CAN0和CAN1，每套总线都包含独立的总线电缆、总线驱动器和总线控制器。系统采用热备份方式运行，即一个CAN控制器作为系统上电后默认的主CAN（例如CAN0），另一个作为备用CAN（CAN1）。系统正常工作时，主CAN总线投入运行，负责数据的发送和接收；当主CAN总线发生故障时，备用CAN总线自动投入运行，接替主CAN总线的工作，保证整个系统的通信功能正常运行。此外，系统还可以根据实际需求，通过软件设定采取冗余方式或非冗余方式运行。在非冗余方式下，系统只采用主CAN总线运行，备用CAN总线处于备用状态。

四、优选元器件型号及作用

在基于MB90F543微控制器的双CAN冗余系统中，除了核心的微控制器外，还需要选择一些其他元器件来构建完整的系统。以下是优选的元器件型号及其作用：

1. CAN总线驱动器 - PCA82C250

• 作用：CAN总线驱动器是CAN控制器与物理总线之间的接口，用于提升总线的差动发送和接收能力。在双CAN冗余系统中，每个CAN控制器都需要配备一个独立的CAN总线驱动器，以实现与各自总线的连接。

• 选择原因：PCA82C250是一款广泛应用的CAN总线驱动器，具有以下优点：

• 高速通信能力：支持高达1Mbps的通信速率，能够满足大多数CAN总线应用的需求。

• 强大的驱动能力：能够提供足够的驱动电流，确保CAN总线上的信号传输质量，即使在长距离传输或负载较多的情况下也能稳定工作。

• 完善的保护功能：具有过温保护、过压保护和静电放电（ESD）保护等功能，能够有效保护CAN控制器和总线设备免受损坏。

• 兼容性好：与各种CAN控制器兼容，易于集成到不同的系统中。

2. 总线终端匹配电阻 - RT（100Ω或120Ω）

• 作用：总线终端匹配电阻用于抑制信号发射干扰，提高CAN总线的信号质量。在CAN总线系统中，为了减少信号反射，需要在总线的两端各连接一个终端匹配电阻，使总线的特性阻抗与终端电阻匹配。

• 选择原因：在CAN总线标准中，通常规定终端匹配电阻的阻值为120Ω。然而，在实际应用中，由于传输介质的特性阻抗可能会存在一定的差异，因此有时也会选择100Ω的终端匹配电阻。选择合适的终端匹配电阻可以有效减少信号反射，提高总线的通信可靠性和稳定性。

3. 通信介质 - 屏蔽双绞线

• 作用：屏蔽双绞线作为CAN总线的通信介质，用于传输CAN信号。它能够有效地屏蔽外界电磁干扰，减少信号衰减，保证信号的稳定传输。

• 选择原因：与普通双绞线相比，屏蔽双绞线在外层增加了一层金属屏蔽层，能够更好地屏蔽外界电磁干扰，提高信号的抗干扰能力。在工业控制、汽车电子等对电磁环境要求较高的场合，使用屏蔽双绞线作为CAN总线的通信介质可以显著提高系统的可靠性。

4. 电源模块

• 作用：为MB90F543微控制器、CAN总线驱动器以及其他外围设备提供稳定的电源。

• 选择原因：电源模块的稳定性直接影响到整个系统的正常运行。在选择电源模块时，需要考虑其输出电压精度、负载调整率、纹波噪声等指标。同时，为了确保系统在各种工作条件下都能稳定运行，电源模块应具备过压保护、过流保护和短路保护等功能。例如，可以选择一款输出电压为5V、输出电流能够满足系统需求的线性稳压器或开关电源模块。

5. 晶振

• 作用：为MB90F543微控制器提供稳定的时钟信号，确保微控制器能够按照预定的频率正常工作。

• 选择原因：晶振的频率稳定性和精度直接影响到微控制器的运行速度和性能。在选择晶振时，应根据微控制器的工作频率要求选择合适的晶振频率。对于MB90F543微控制器，通常选择16MHz的晶振，以满足其16MHz的主频要求。同时，为了确保晶振的频率稳定性，应选择温度稳定性好、频率精度高的晶振产品。

五、系统硬件设计

基于上述优选的元器件，以下是基于MB90F543微控制器的双CAN冗余系统的硬件设计：

1. 微控制器电路

MB90F543微控制器作为系统的核心，负责整个系统的控制和管理。其引脚连接如下：

• 将CAN0和CAN1控制器的相关引脚分别连接到对应的CAN总线驱动器PCA82C250上。

• 连接电源引脚，为微控制器提供稳定的5V电源。

• 连接晶振引脚，将16MHz的晶振连接到微控制器的时钟输入引脚上，为微控制器提供时钟信号。

• 根据实际需求，连接其他外设引脚，如SCI、UART等，以实现系统与其他设备的数据交换和通信。

2. CAN总线驱动电路

每个CAN总线驱动器PCA82C250的连接方式如下：

• 将PCA82C250的TXD引脚连接到MB90F543微控制器对应CAN控制器的TX引脚上，用于发送CAN信号。

• 将PCA82C250的RXD引脚连接到MB90F543微控制器对应CAN控制器的RX引脚上，用于接收CAN信号。

• 将PCA82C250的CANH和CANL引脚分别连接到CAN总线的两根信号线上，并通过终端匹配电阻RT（100Ω或120Ω）连接到地，以实现总线的终端匹配。

• 为PCA82C250提供稳定的5V电源，并在电源引脚附近添加适当的去耦电容，以减少电源噪声对芯片的影响。

3. 电源电路

电源电路的设计应确保为系统中的各个元器件提供稳定的电源。可以采用线性稳压器或开关电源模块将输入电源转换为稳定的5V电源，为MB90F543微控制器、CAN总线驱动器等元器件供电。在电源电路中，应添加适当的滤波电容和电感，以减少电源噪声和纹波，提高电源的质量。

4. 其他外围电路

根据实际需求，还可以设计一些其他外围电路，如状态指示灯电路、调试接口电路等。状态指示灯电路可以用于显示系统的运行状态，如主CAN总线工作状态、备用CAN总线工作状态等。调试接口电路可以方便对系统进行调试和编程，例如使用JTAG接口或SWD接口连接调试器，实现对微控制器的程序下载和调试。

六、系统软件设计

系统软件设计是双CAN冗余系统的关键部分，主要包括CAN初始化程序、CAN发送程序、CAN接收程序、故障检测与自动切换程序以及总线管理程序等。以下是系统软件设计的详细介绍：

1. CAN初始化程序

CAN初始化程序用于对MB90F543微控制器的两个CAN控制器进行初始化设置，包括设置CAN控制器的工作模式、波特率、验收标识过滤器等参数。具体步骤如下：

• 设置CAN控制器的工作模式为正常工作模式，使能CAN控制器的发送和接收功能。

• 根据系统需求设置CAN总线的波特率，确保主CAN和备用CAN的波特率一致。

• 配置验收标识过滤器，根据实际应用场景选择合适的验收标识方式（满位比较、满位屏蔽或位屏蔽验收），并设置相应的验收标识寄存器，以确保只有符合特定标识的消息才能被接收。

• 使能CAN控制器的中断，包括发送完成中断、接收完成中断和节点状态改变中断等，以便在相应事件发生时能够及时进行处理。

2. CAN发送程序

CAN发送程序用于将需要发送的数据按照CAN协议的格式封装成数据帧或远程帧，并通过CAN控制器发送到CAN总线上。在双CAN冗余系统中，为了提高系统的可靠性，采用查询发送方式。具体步骤如下：

• 将需要发送的数据按照CAN协议的格式封装成数据帧或远程帧，设置好标识符、数据长度和数据内容等参数。

• 查询CAN控制器的发送缓冲器状态，判断是否有空闲的发送缓冲器可供使用。

• 如果有空闲的发送缓冲器，则将封装好的数据帧或远程帧写入发送缓冲器，并启动发送操作。

• 等待发送完成，通过查询发送完成标志位或发送完成中断来判断发送是否成功。如果发送成功，则继续执行后续任务；如果发送失败，则记录发送错误信息，并根据系统设置采取相应的措施，如重发或切换到备用CAN总线。

3. CAN接收程序

CAN接收程序用于接收CAN总线上传输的数据帧或远程帧，并对接收到的数据进行解析和处理。在双CAN冗余系统中，采用中断接收方式，以提高系统的实时性。具体步骤如下：

• 当CAN控制器接收到一个完整的数据帧或远程帧时，会产生接收完成中断。

• 在接收完成中断服务程序中，读取CAN控制器的接收缓冲器，获取接收到的数据帧或远程帧的信息，包括标识符、数据长度和数据内容等。

• 根据接收到的数据的标识符，判断数据的来源和类型，并将数据传递给相应的处理模块进行进一步处理。

• 清除接收完成中断标志位，准备接收下一个数据帧或远程帧。

4. 故障检测与自动切换程序

故障检测与自动切换程序是双CAN冗余系统的核心部分，用于实时监测主CAN总线和备用CAN总线的工作状态，当检测到主CAN总线发生故障时，自动切换到备用CAN总线继续工作。具体步骤如下：

• 实时监测CAN控制器的节点状态，CAN2.0协议规定节点处于错误激活态、忽略错误态、脱离总线态三种状态之一，MB90500系列还规定了警告态（发送/接收错误计数器的值超过96）。通过读取CAN控制器的节点状态寄存器，获取当前节点的状态信息。

• 当检测到主CAN总线的节点状态发生改变时，判断是否为故障状态。例如，如果CANH与CANL短路、CANH或CANL断开、CANH与地短路、CANL与电源短路、总线驱动器损坏等故障发生时，会导致发送/接收错误计数器不断增加。当错误计数器增加到128时，节点处于忽略错误态；当错误计数器增加到256时，节点处于总线脱离态。当检测到节点处于忽略错误态或总线脱离态时，判定为主CAN总线发生故障。

• 当判定主CAN总线发生故障时，停止主CAN总线的工作，启动备用CAN总线。具体操作包括禁用主CAN控制器的发送和接收功能，使能备用CAN控制器的发送和接收功能，并将系统的通信任务切换到备用CAN总线上继续执行。

• 在切换到备用CAN总线后，记录故障信息，并根据系统设置采取相应的报警措施，如点亮故障指示灯、发送故障报警信息等，以便操作人员及时了解系统故障情况并进行处理。

5. 总线管理程序

总线管理程序用于对双CAN冗余系统中的各个节点进行管理，包括在线节点统计、离线节点识别和处理等。在系统中，所有节点分为主节点和从节点，主节点具有总线管理功能，从节点没有该功能。主节点只设一个，允许多个从节点。总线管理程序的具体步骤如下：

• 主节点定时向总线上所有从节点发送一远程帧，请求从节点上报自己的节点编号。

• 从节点收到主节点发送的远程帧后，将自己的节点编号放在一数据帧中发送给主节点。

• 主节点根据收到的从节点发送的数据帧中的节点编号，判断是否有节点故障离线。如果所有节点都在线，则认为总线正常；如果有节点未回复或回复的节点编号与预设的不一致，则判定该节点故障离线。

• 对于离线的节点，主节点采取相应的处理措施，如记录离线节点信息、发送离线报警信息等，并根据系统设置决定是否尝试重新连接离线节点。

七、系统调试与优化

在完成基于MB90F543微控制器的双CAN冗余系统的硬件设计和软件编程后，需要进行系统调试和优化，以确保系统能够稳定、可靠地运行。以下是系统调试与优化的主要步骤：

1. 硬件调试

• 检查硬件连接：仔细检查系统中各个元器件的连接是否正确，包括微控制器与CAN总线驱动器的连接、CAN总线驱动器与CAN总线的连接、电源电路的连接等。确保所有连接牢固可靠，无短路、断路等故障。

• 测试电源质量：使用示波器等仪器测试系统电源的电压稳定性和纹波噪声情况。确保电源电压在规定的范围内，纹波噪声较小，以满足各个元器件对电源质量的要求。

• 检查晶振工作：使用示波器观察晶振的输出波形，检查晶振是否正常工作。确保晶振的输出频率准确，波形稳定，为微控制器提供稳定的时钟信号。

2. 软件调试

• 单步调试：使用调试器（如JTAG调试器或SWD调试器）对系统软件进行单步调试，逐步执行程序代码，检查程序的执行流程是否正确，各个变量的值是否符合预期。通过单步调试，可以及时发现程序中存在的逻辑错误和语法错误。

• 中断调试：重点调试CAN控制器的中断服务程序，确保中断能够正确触发和响应。在调试过程中，可以使用示波器观察中断引脚的电平变化，检查中断标志位是否能够正确设置和清除。同时，检查中断服务程序中的代码是否能够正确处理中断事件，避免出现中断嵌套或中断丢失等问题。

• 通信调试：进行CAN总线的通信调试，检查主CAN总线和备用CAN总线是否能够正常发送和接收数据。可以使用CAN分析仪等工具对CAN总线上的数据进行实时监测和分析，检查数据的传输是否正确，是否存在丢帧、错帧等问题。同时，模拟主CAN总线故障情况，检查系统是否能够自动切换到备用CAN总线继续工作。

3. 系统优化

• 软件优化：对系统软件进行优化，提高代码的执行效率和可靠性。例如，优化CAN发送和接收程序的算法，减少程序的执行时间；合理使用中断资源，避免中断冲突和中断响应时间过长等问题；对关键代码段进行注释和说明，提高代码的可读性和可维护性。

• 硬件优化：根据系统调试过程中发现的问题，对硬件设计进行优化。例如，如果发现电源噪声较大，可以增加滤波电容和电感的容量，提高电源的滤波效果；如果发现CAN总线的信号质量不佳，可以检查总线终端匹配电阻的阻值是否合适，调整终端匹配电阻的阻值以改善信号质量。

八、结论

基于MB90F543微控制器的双CAN冗余设计通过采用两套完全独立的CAN总线系统，实现了物理介质、物理层、数据链路层及应用层的全面冗余，大大提高了系统的可靠性和稳定性。在硬件设计方面，选用了MB90F543微控制器、PCA82C250 CAN总线驱动器、屏蔽双绞线等优选元器件，构建了一个完整的双CAN冗余系统硬件平台。在软件设计方面，实现了CAN初始化、发送、接收、故障检测与自动切换以及总线管理等功能，通过合理的软件算法和程序流程，确保了系统在各种情况下都能够稳定、可靠地运行。通过系统调试和优化，进一步提高了系统的性能和可靠性。该双CAN冗余设计方案可广泛应用于工业控制、汽车电子、轨道交通等对系统可靠性要求极高的领域，为这些领域的通信系统提供了一种可靠的解决方案。在实际应用中，用户可以根据具体需求对该方案进行适当的修改和扩展，以满足不同应用场景的要求。