1水下航行器系統(tǒng)構(gòu)建的總線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需求

傳統(tǒng)水下航行器所有電子系統(tǒng)的構(gòu)成,特別是信息交換、信號(hào)處理和控制執(zhí)行等過程基本上都是基于模擬量傳輸、并行I/O指令方式、點(diǎn)對點(diǎn)RS232或多點(diǎn)RS485通信進(jìn)行,這些方式系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜,占用較多的系統(tǒng)資源,且精度及EMC性能差,無法做到數(shù)據(jù)、信息資源共享,一定程度上制約了整個(gè)產(chǎn)品的性能。近些年來,各種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線的發(fā)展和廣泛工程化應(yīng)用,迅速影響并改變了許多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想,由于現(xiàn)場總線采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化新技術(shù),這些系統(tǒng)的信息交互迅速向分布式網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。當(dāng)前,有數(shù)種特點(diǎn)鮮明的現(xiàn)場總線技術(shù)影響力日趨增大,并在某些工程領(lǐng)域顯示出 自己獨(dú)特的優(yōu)勢,其中CAN (ControllerAreaNetwork,控制器局域網(wǎng))因其具有高性能、高可靠性,已受到重視和大量應(yīng)用。

2水下航行器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求

2.1 性能特點(diǎn)

CAN具有體系開放、采用廣播式通信機(jī)制的特點(diǎn), 能夠有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇型ㄐ啪W(wǎng)絡(luò),由于其采用兩線差分串行傳輸,單工或半雙工工作模式,速度快(≤1 Mbit/s),非常適用于中小型、實(shí)時(shí)要求高的系統(tǒng)。

2.2電特性

CAN總線是以差分方式串行傳送數(shù)據(jù)的,可以達(dá)到抗共模干擾的效果。兩條信號(hào)線稱為CANH和CAN—L?？偩€空閑時(shí)兩線電壓均在2.5 V左右,接近平均電壓電平,差值近似為0,此時(shí)總線狀態(tài)表示為邏輯“1”,通常稱作隱性;用CAN—H比CAN—L高表示邏輯“0”,稱為顯性,此時(shí)通常電壓值CAN—H約為3.5V,CAN—L約為1.5V,差分電壓約為2V。根據(jù)CAN規(guī)范,顯性位和隱性位同時(shí)發(fā)送時(shí),最后總線將為顯性。CAN總線上的位電平如圖1所示。

2.3 協(xié)議和規(guī)范

目前較為常用的CAN總線標(biāo)準(zhǔn)有兩種:CAN2.0A和CAN2.0B(符合ISO11898規(guī)范),CAN2.0A是CAN協(xié)議的PARTA部分,此部分定義了11位標(biāo)識(shí)區(qū),CAN2.0B是CAN協(xié)議的擴(kuò)展部分,也叫PARTB,除了支持CAN2.0A11位標(biāo)識(shí)外,還定義了擴(kuò)展的29位標(biāo)識(shí)區(qū)。CAN2.0B控制器能夠接收和發(fā)送擴(kuò)展信息幀。CAN總線協(xié)議只取OSI(開放系統(tǒng)互聯(lián))七層模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層[1]。CAN物理層選擇靈活,沒有特殊要求,可以采用共地的單線制、雙線制,介質(zhì)可以是同軸電纜、雙絞線、光纖等。

2.4 網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)

CAN采用ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)層定義中的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此,構(gòu)建一個(gè)完整的CAN網(wǎng)絡(luò)必須具備這三個(gè)層次要素,它們之間的層次關(guān)系如圖2所示。在器件方面有三種不同的器件對應(yīng)相應(yīng)的層,對應(yīng)物理層的是收發(fā)器,主要功能是位編碼解碼、位定時(shí)及同步等,另外包括網(wǎng)絡(luò)接線、接插件、終端阻抗匹配電阻等;對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層的器件是CAN控制器,在其硅芯片上直接集成了CAN協(xié)議, 自動(dòng)完成復(fù)雜的錯(cuò)誤處理與限制、沖突規(guī)避和報(bào)文幀生成等,從而簡化軟件設(shè)計(jì);應(yīng)用層上主要是用戶軟件,用戶根據(jù)系統(tǒng)需要編制,基于微處理器,面向CAN控制器,完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初始化、信息接收和發(fā)送以及執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等任務(wù),該軟件應(yīng)包括應(yīng)用高層協(xié)議的編制。

目前,CAN控制器的選擇可以采用單獨(dú)的功能芯片或者采用集成于微處理器中作為功能外設(shè)的CAN控制單元。對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)或有多系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡(luò),需要在收發(fā)器物理接口處采取隔離方法來降低可能產(chǎn)生的干擾,同時(shí)保護(hù)本節(jié)點(diǎn)。

3本CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及特點(diǎn)

3.1 總線構(gòu)成

目前,主流水下航行器基本由幾個(gè)本體電子系統(tǒng)組成,同時(shí)包括多臺(tái)地面系統(tǒng)設(shè)備,具體包括控制系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、地面發(fā)控/調(diào)試檢查儀、地面內(nèi)測數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及各種現(xiàn)場調(diào)試設(shè)備,各系統(tǒng)或設(shè)備均通過一個(gè)或多個(gè)隔離節(jié)點(diǎn)連接到CAN總線上,構(gòu)成整個(gè)產(chǎn)品CAN總線數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò),如圖3所示。

3.2各節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成

如上介紹,構(gòu)成節(jié)點(diǎn)必須具備至少兩部分硬件:CAN控制器和CAN收發(fā)器。由于整個(gè)產(chǎn)品包含系統(tǒng)多,其中包含的處理器類型也很多,如DSP、MCU、x86(PC104)等,其中大部分處理器都集成了CAN控制器(部分電路使用獨(dú)立SJA1000CAN控制器),電路中只需增加CAN收發(fā)器。除地面設(shè)備外,產(chǎn)品上所有節(jié)點(diǎn)均采用PCA82C250 CAN收發(fā)芯片與高速光耦以及DC—DC隔離電源。地面節(jié)點(diǎn)則根據(jù)具體情況配置不同的硬件電路:發(fā)控/調(diào)試檢查儀由于采用PC104嵌入式計(jì)算機(jī),擴(kuò)展了一塊高速隔離CAN板卡接入總線;而內(nèi)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由一臺(tái)便攜式電腦組成,本研究采用一塊PCMCIACAN智能光隔卡構(gòu)成節(jié)點(diǎn);其他設(shè)備均是臺(tái)式PC為宿主機(jī),一般都使用PCI隔離CAN適配卡。

3.3 總線各節(jié)點(diǎn)功能及任務(wù)

由于各節(jié)點(diǎn)所屬的系統(tǒng)不同,因此具備不同的信息發(fā)送和接收功能。一般在設(shè)計(jì)中,大多以控制系統(tǒng)為中心,完成航行體信息的綜合判斷和邏輯處理,協(xié)調(diào)其他各系統(tǒng)的動(dòng)作流程,因此在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中,控制系統(tǒng)擔(dān)任了總控制器的角色。

3.3.1控制系統(tǒng)部分

控制系統(tǒng)一共包括三個(gè)節(jié)點(diǎn):控制微機(jī)節(jié)點(diǎn)、在線仿真微機(jī)節(jié)點(diǎn)和航姿系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。其中,控制微機(jī)節(jié)點(diǎn)完成航行體控制系統(tǒng)工作參數(shù)的接收;聯(lián)調(diào)、實(shí)航過程中實(shí)時(shí)獲取其他節(jié)點(diǎn)的有關(guān)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài),并全域廣播或?qū)δ承┕?jié)點(diǎn)發(fā)送航行的有關(guān)控制信息和指令;對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合管理和協(xié)調(diào)。實(shí)時(shí)在線仿真微機(jī)節(jié)點(diǎn)接收來自地面設(shè)備的參數(shù),執(zhí)行在線仿真功能時(shí)實(shí)時(shí)將航行信息按要求發(fā)送給地面設(shè)備進(jìn)行顯示;航行過程中接收其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息并執(zhí)行記錄,同時(shí)答復(fù)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)問詢;航行結(jié)束后,數(shù)據(jù)回收過程中,將所有記錄數(shù)據(jù)傳送給地面設(shè)備進(jìn)行相關(guān)處理和保存。航姿系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功能單一,主要將所有航行姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給產(chǎn)品各系統(tǒng),同時(shí)接收來自控制微機(jī)的有關(guān)指令。

3.3.2動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)部分

該系統(tǒng)只有一個(gè)固定節(jié)點(diǎn),即負(fù)責(zé)無級(jí)調(diào)速直流動(dòng)力電機(jī)控制的DSP控制器節(jié)點(diǎn)。聯(lián)調(diào)、實(shí)航過程中實(shí)時(shí)接收控制微機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的工作命令,并回答其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)問詢;在單獨(dú)調(diào)試狀態(tài)下接收地面設(shè)備的有關(guān)命令并傳送工作數(shù)據(jù),如電壓、電流、內(nèi)外軸轉(zhuǎn)速等。

3.3.3地面設(shè)備

發(fā)控/調(diào)試檢查儀節(jié)點(diǎn):在設(shè)定、聯(lián)調(diào)過程中向有關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送調(diào)試指令,并接收數(shù)據(jù)信息,航行后數(shù)據(jù)回收過程中,獲取航行數(shù)據(jù)。內(nèi)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn):航行后數(shù)據(jù)回收過程中,獲取航行數(shù)據(jù)。其他調(diào)試設(shè)備節(jié)點(diǎn):主要完成實(shí)時(shí)調(diào)試數(shù)據(jù)、信息、指令的接收和發(fā)送。

4 關(guān)鍵問題及解決

4.1網(wǎng)絡(luò)布線

在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和總裝間聯(lián)調(diào)過程中,本研究發(fā)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信正常與否以及出錯(cuò)率大小與網(wǎng)絡(luò)的物理布置、終端匹配電阻以及節(jié)點(diǎn)分支情況有較大的聯(lián)系。一般CAN總線網(wǎng)絡(luò)布線分為干線與分支,分支與節(jié)點(diǎn)相連,有些節(jié)點(diǎn)能與干線直接相連而沒有分支線。根據(jù)物理規(guī)范,本研究使用特征阻抗為120 Ω、截面積為0.75 mm2 的屏蔽雙絞線為干線和分支線構(gòu)成線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),干線兩個(gè)終端需接上阻值為120 Ω的終端電阻以避免信號(hào)振蕩,保證通信能夠穩(wěn)定。根據(jù)產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)和布線要求綜合考慮,本研究將干線一末端放置于產(chǎn)品尾段,另一末端設(shè)置在首段電路組件底板上,節(jié)點(diǎn)根據(jù)所在總體位置就近通過支線接入,其中有2個(gè)節(jié)點(diǎn)(控制微機(jī)節(jié)點(diǎn)、在線仿真微機(jī)節(jié)點(diǎn))位于電路組件內(nèi),所以它們支線距離一般小于30 cm;航姿系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和動(dòng)力系統(tǒng)控制電路節(jié)點(diǎn)分別位于電池段前部和電機(jī)段(尾段),產(chǎn)品本身空間緊湊,因而這些節(jié)點(diǎn)的支線也不大于70 cm,只有地面設(shè)備各節(jié)點(diǎn)形成的支線可能大于2m,若地面設(shè)備較多或需要遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享和監(jiān)測控制,則 自動(dòng)切斷首段終端電阻,而改用地面一臺(tái)設(shè)備的電阻終端,確保支線與干線的最好匹配。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范,位速率(Mbit/s)×總線長度(m)<60,在500kbit/s速率下,干線長度小于30 m,支線不超過5 m,滿足這些條件的情況下,通過實(shí)際測試,本研究認(rèn)為通信是完全可靠的。

4.2總線位速率參數(shù)設(shè)置

在網(wǎng)絡(luò)性能初期調(diào)試過程中,本研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)的總線錯(cuò)誤為組合錯(cuò)誤、幀格式錯(cuò)誤、位“1”錯(cuò)誤和位“0”錯(cuò)誤,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致總線性能嚴(yán)重下降,無法正常通信。這些錯(cuò)誤的產(chǎn)生通常和總線位定時(shí)參數(shù)的選擇有很大關(guān)系。CAN總線上每個(gè)位時(shí)間均可分為4部分,即同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2,位時(shí)間的范圍是8~25個(gè)時(shí)間份額,每段的時(shí)間份額的數(shù)目都是可以編程控制的。在某些情況下,CAN總線的位同步會(huì)修正由于位定時(shí)設(shè)置不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差,但無法完全避免出錯(cuò),且當(dāng)2個(gè)以上CAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí),采樣點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤將會(huì)使節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤標(biāo)志,這樣該節(jié)點(diǎn)就無法獲取總線上任何操作。因此,必須根據(jù)總線的通信波特率,優(yōu)化各節(jié)點(diǎn)每個(gè)位時(shí)間段的采樣位置和每段的時(shí)間份額。

5 運(yùn)行情況

某型水下航行器CAN總線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷3個(gè)階段的運(yùn)行試驗(yàn):第一階段是總裝間聯(lián)調(diào),在此過程中,進(jìn)行了低速(250 kbit/s)功能性能的初步測試,完成了布線、總線節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置、軟件調(diào)試等工作,總體運(yùn)行良好;第二階段進(jìn)入工程實(shí)際應(yīng)用,完成了動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)馬力現(xiàn)場測試以及實(shí)航試驗(yàn),盡管總線附近存在各種干擾源(有時(shí)直接通過干擾源),如大功率逆變直流電源、動(dòng)力電機(jī)大功率斬波調(diào)速器、PWM伺服電機(jī)、接觸器等,但試驗(yàn)結(jié)果良好,無一例總線錯(cuò)誤導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行故障,同時(shí)進(jìn)一步完善和修改了CAN通信高層協(xié)議;第三階段在修改樣機(jī)設(shè)計(jì)后進(jìn)行了總線提速,使其位速率達(dá)到500 kbit/s,經(jīng)歷多次實(shí)航試驗(yàn),驗(yàn)證了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性,并且通過總線實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線仿真調(diào)試功能的數(shù)據(jù)可視化和狀態(tài)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤顯示,以及各種調(diào)試設(shè)備的數(shù)據(jù)共享,改善了調(diào)試方法和手段,提高了效率。

6 結(jié)束語

實(shí)踐證明,該CAN總線系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定,具有很強(qiáng)的抗干擾性,各功能和性能均已達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。需要認(rèn)識(shí)到的是,基于總線的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)在水下航行器上的應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,大量的技術(shù)細(xì)節(jié)還需要從理論和實(shí)踐上認(rèn)真地加以研究和驗(yàn)證,后續(xù)工作仍需不斷改進(jìn)和完善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙海燕.基于理想CAN總線的消息調(diào)度研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(2):86-88.

《機(jī)電信息》2025年第21期第20篇