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、點對點RS232或多點RS485通信進行,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

CAN具有體系開放、采用廣播式通信機制的特點, 能夠有效支持分布式控制和實時數(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、實時要求高的系統(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。兩條信號線稱為CANH和CAN—L?？偩€空閑時兩線電壓均在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發(fā)送時,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)識區(qū),CAN2.0B是CAN協(xié)議的擴展部分,也叫PARTB,除了支持CAN2.0A11位標(biāo)識外,還定義了擴展的29位標(biāo)識區(qū)。CAN2.0B控制器能夠接收和發(fā)送擴展信息幀。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)建一個完整的CAN網(wǎng)絡(luò)必須具備這三個層次要素,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, 自動完成復(fù)雜的錯誤處理與限制、沖突規(guī)避和報文幀生成等,從而簡化軟件設(shè)計;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,同時保護本節(jié)點。

3本CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及特點

3.1 總線構(gòu)成

目前,主流水下航行器基本由幾個本體電子系統(tǒng)組成,同時包括多臺地面系統(tǒng)設(shè)備,具體包括控制系統(tǒng)、動力推進系統(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)備均通過一個或多個隔離節(jié)點連接到CAN總線上,構(gòu)成整個產(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)點硬件構(gòu)成

如上介紹,構(gòu)成節(jié)點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嵌入式計算機,擴展了一塊高速隔離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;其他設(shè)備均是臺式PC為宿主機,一般都使用PCI隔離CAN適配卡。

3.3 總線各節(jié)點功能及任務(wù)

由于各節(jié)點所屬的系統(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)一共包括三個節(jié)點:控制微機節(jié)點、在線仿真微機節(jié)點和航姿系統(tǒng)節(jié)點。其中,控制微機節(jié)點完成航行體控制系統(tǒng)工作參數(shù)的接收;聯(lián)調(diào)、實航過程中實時獲取其他節(jié)點的有關(guān)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài),并全域廣播或?qū)δ承┕?jié)點發(fā)送航行的有關(guān)控制信息和指令;對整個網(wǎng)絡(luò)信息和節(jié)點進行綜合管理和協(xié)調(diào)。實時在線仿真微機節(jié)點接收來自地面設(shè)備的參數(shù),執(zhí)行在線仿真功能時實時將航行信息按要求發(fā)送給地面設(shè)備進行顯示;航行過程中接收其他節(jié)點的數(shù)據(jù)信息并執(zhí)行記錄,同時答復(fù)其他節(jié)點發(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)備進行相關(guān)處理和保存。航姿系統(tǒng)節(jié)點功能單一,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),同時接收來自控制微機的有關(guān)指令。

3.3.2動力推進系統(tǒng)部分

該系統(tǒng)只有一個固定節(jié)點,即負(fù)責(zé)無級調(diào)速直流動力電機控制的DSP控制器節(jié)點。聯(lián)調(diào)、實航過程中實時接收控制微機節(jié)點發(fā)出的工作命令,并回答其他節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)問詢;在單獨調(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:在設(shè)定、聯(lián)調(diào)過程中向有關(guān)節(jié)點發(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: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:主要完成實時調(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

在實驗室調(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率大小與網(wǎng)絡(luò)的物理布置、終端匹配電阻以及節(jié)點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)點相連,有些節(jié)點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),干線兩個終端需接上阻值為120 Ω的終端電阻以避免信號振蕩,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)點根據(jù)所在總體位置就近通過支線接入,其中有2個節(jié)點(控制微機節(jié)點、在線仿真微機節(jié)點)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)點和動力系統(tǒng)控制電路節(jié)點分別位于電池段前部和電機段(尾段),產(chǎn)品本身空間緊湊,因而這些節(jié)點的支線也不大于70 cm,只有地面設(shè)備各節(jié)點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 自動切斷首段終端電阻,而改用地面一臺設(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)的總線錯誤為組合錯誤、幀格式錯誤、位“1”錯誤和位“0”錯誤,嚴(yán)重時會導(dǎo)致總線性能嚴(yán)重下降,無法正常通信。這些錯誤的產(chǎn)生通常和總線位定時參數(shù)的選擇有很大關(guān)系。CAN總線上每個位時間均可分為4部分,即同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2,位時間的范圍是8~25個時間份額,每段的時間份額的數(shù)目都是可以編程控制的。在某些情況下,CAN總線的位同步會修正由于位定時設(shè)置不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差,但無法完全避免出錯,且當(dāng)2個以上CAN節(jié)點同時發(fā)送時,采樣點發(fā)生錯誤將會使節(jié)點出現(xiàn)錯誤標(biāo)志,這樣該節(jié)點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)點每個位時間段的采樣位置和每段的時間份額。

5 運行情況

某型水下航行器CAN總線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷3個階段的運行試驗:第一階段是總裝間聯(lián)調(diào),在此過程中,進行了低速(250 kbit/s)功能性能的初步測試,完成了布線、總線節(jié)點參數(shù)設(shè)置、軟件調(diào)試等工作,總體運行良好;第二階段進入工程實際應(yīng)用,完成了動力系統(tǒng)電機馬力現(xiàn)場測試以及實航試驗,盡管總線附近存在各種干擾源(有時直接通過干擾源),如大功率逆變直流電源、動力電機大功率斬波調(diào)速器、PWM伺服電機、接觸器等,但試驗結(jié)果良好,無一例總線錯誤導(dǎo)致的系統(tǒng)運行故障,同時進一步完善和修改了CAN通信高層協(xié)議;第三階段在修改樣機設(shè)計后進行了總線提速,使其位速率達(dá)到500 kbit/s,經(jīng)歷多次實航試驗,驗證了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性,并且通過總線實現(xiàn)了實時在線仿真調(diào)試功能的數(shù)據(jù)可視化和狀態(tài)動態(tài)實時跟蹤顯示,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

實踐證明,該CAN總線系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定,具有很強的抗干擾性,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)還需要從理論和實踐上認(rèn)真地加以研究和驗證,后續(xù)工作仍需不斷改進和完善。

[參考文獻]

[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(自然科學(xué)版),2008(2):86-88.

《機電信息》2025年第21期第20篇