数字总线网络在水下航行器上的应用研究

1水下航行器系统构建的总线网络化发展需求

传统水下航行器所有电子系统的构成,特别是信息交换、信号处理和控制执行等过程基本上都是基于模拟量传输、并行I/O指令方式、点对点RS232或多点RS485通信进行,这些方式系统构成复杂,占用较多的系统资源,且精度及EMC性能差,无法做到数据、信息资源共享,一定程度上制约了整个产品的性能。近些年来,各种标准的现场总线的发展和广泛工程化应用,迅速影响并改变了许多传统设计思想,由于现场总线采用数字化、网络化新技术,这些系统的信息交互迅速向分布式网络信息系统转变。当前,有数种特点鲜明的现场总线技术影响力日趋增大,并在某些工程领域显示出 自己独特的优势,其中CAN (ControllerAreaNetwork,控制器局域网)因其具有高性能、高可靠性,已受到重视和大量应用。

2水下航行器网络系统的要求

2.1 性能特点

CAN具有体系开放、采用广播式通信机制的特点, 能够有效支持分布式控制和实时数据传输的串行通信网络,由于其采用两线差分串行传输,单工或半双工工作模式,速度快(≤1 Mbit/s),非常适用于中小型、实时要求高的系统。

2.2电特性

CAN总线是以差分方式串行传送数据的,可以达到抗共模干扰的效果。两条信号线称为CANH和CAN—L。总线空闲时两线电压均在2.5 V左右,接近平均电压电平,差值近似为0,此时总线状态表示为逻辑“1”,通常称作隐性;用CAN—H比CAN—L高表示逻辑“0”,称为显性,此时通常电压值CAN—H约为3.5V,CAN—L约为1.5V,差分电压约为2V。根据CAN规范,显性位和隐性位同时发送时,最后总线将为显性。CAN总线上的位电平如图1所示。

2.3 协议和规范

目前较为常用的CAN总线标准有两种:CAN2.0A和CAN2.0B(符合ISO11898规范),CAN2.0A是CAN协议的PARTA部分,此部分定义了11位标识区,CAN2.0B是CAN协议的扩展部分,也叫PARTB,除了支持CAN2.0A11位标识外,还定义了扩展的29位标识区。CAN2.0B控制器能够接收和发送扩展信息帧。CAN总线协议只取OSI(开放系统互联)七层模型中的物理层、数据链路层和应用层[1]。CAN物理层选择灵活,没有特殊要求,可以采用共地的单线制、双线制,介质可以是同轴电缆、双绞线、光纤等。

2.4 网络的基本构成及实现

CAN采用ISO/OSI网络层定义中的三层网络结构,因此,构建一个完整的CAN网络必须具备这三个层次要素,它们之间的层次关系如图2所示。在器件方面有三种不同的器件对应相应的层,对应物理层的是收发器,主要功能是位编码解码、位定时及同步等,另外包括网络接线、接插件、终端阻抗匹配电阻等;对应数据链路层的器件是CAN控制器,在其硅芯片上直接集成了CAN协议, 自动完成复杂的错误处理与限制、冲突规避和报文帧生成等,从而简化软件设计;应用层上主要是用户软件,用户根据系统需要编制,基于微处理器,面向CAN控制器,完成网络系统初始化、信息接收和发送以及执行网络监测等任务,该软件应包括应用高层协议的编制。

目前,CAN控制器的选择可以采用单独的功能芯片或者采用集成于微处理器中作为功能外设的CAN控制单元。对于较为复杂的系统或有多系统连接的网络,需要在收发器物理接口处采取隔离方法来降低可能产生的干扰,同时保护本节点。

3本CAN总线网络构成及特点

3.1 总线构成

目前,主流水下航行器基本由几个本体电子系统组成,同时包括多台地面系统设备,具体包括控制系统、动力推进系统、地面发控/调试检查仪、地面内测数据处理设备以及各种现场调试设备,各系统或设备均通过一个或多个隔离节点连接到CAN总线上,构成整个产品CAN总线数据信息网络,如图3所示。

3.2各节点硬件构成

如上介绍,构成节点必须具备至少两部分硬件:CAN控制器和CAN收发器。由于整个产品包含系统多,其中包含的处理器类型也很多,如DSP、MCU、x86(PC104)等,其中大部分处理器都集成了CAN控制器(部分电路使用独立SJA1000CAN控制器),电路中只需增加CAN收发器。除地面设备外,产品上所有节点均采用PCA82C250 CAN收发芯片与高速光耦以及DC—DC隔离电源。地面节点则根据具体情况配置不同的硬件电路:发控/调试检查仪由于采用PC104嵌入式计算机,扩展了一块高速隔离CAN板卡接入总线;而内测数据处理系统由一台便携式电脑组成,本研究采用一块PCMCIACAN智能光隔卡构成节点;其他设备均是台式PC为宿主机,一般都使用PCI隔离CAN适配卡。

3.3 总线各节点功能及任务

由于各节点所属的系统不同,因此具备不同的信息发送和接收功能。一般在设计中,大多以控制系统为中心,完成航行体信息的综合判断和逻辑处理,协调其他各系统的动作流程,因此在CAN总线网络中,控制系统担任了总控制器的角色。

3.3.1控制系统部分

控制系统一共包括三个节点:控制微机节点、在线仿真微机节点和航姿系统节点。其中,控制微机节点完成航行体控制系统工作参数的接收;联调、实航过程中实时获取其他节点的有关数据和工作状态,并全域广播或对某些节点发送航行的有关控制信息和指令;对整个网络信息和节点进行综合管理和协调。实时在线仿真微机节点接收来自地面设备的参数,执行在线仿真功能时实时将航行信息按要求发送给地面设备进行显示;航行过程中接收其他节点的数据信息并执行记录,同时答复其他节点发出的数据问询;航行结束后,数据回收过程中,将所有记录数据传送给地面设备进行相关处理和保存。航姿系统节点功能单一,主要将所有航行姿态数据发送给产品各系统,同时接收来自控制微机的有关指令。

3.3.2动力推进系统部分

该系统只有一个固定节点,即负责无级调速直流动力电机控制的DSP控制器节点。联调、实航过程中实时接收控制微机节点发出的工作命令,并回答其他节点发出的数据问询;在单独调试状态下接收地面设备的有关命令并传送工作数据,如电压、电流、内外轴转速等。

3.3.3地面设备

发控/调试检查仪节点:在设定、联调过程中向有关节点发送调试指令,并接收数据信息,航行后数据回收过程中,获取航行数据。内测数据处理系统节点:航行后数据回收过程中,获取航行数据。其他调试设备节点:主要完成实时调试数据、信息、指令的接收和发送。

4 关键问题及解决

4.1网络布线

在实验室调试和总装间联调过程中,本研究发现CAN总线网络通信正常与否以及出错率大小与网络的物理布置、终端匹配电阻以及节点分支情况有较大的联系。一般CAN总线网络布线分为干线与分支,分支与节点相连,有些节点能与干线直接相连而没有分支线。根据物理规范,本研究使用特征阻抗为120 Ω、截面积为0.75 mm2 的屏蔽双绞线为干线和分支线构成线形网络拓扑结构,干线两个终端需接上阻值为120 Ω的终端电阻以避免信号振荡,保证通信能够稳定。根据产品的总体结构和布线要求综合考虑,本研究将干线一末端放置于产品尾段,另一末端设置在首段电路组件底板上,节点根据所在总体位置就近通过支线接入,其中有2个节点(控制微机节点、在线仿真微机节点)位于电路组件内,所以它们支线距离一般小于30 cm;航姿系统节点和动力系统控制电路节点分别位于电池段前部和电机段(尾段),产品本身空间紧凑,因而这些节点的支线也不大于70 cm,只有地面设备各节点形成的支线可能大于2m,若地面设备较多或需要远程数据共享和监测控制,则 自动切断首段终端电阻,而改用地面一台设备的电阻终端,确保支线与干线的最好匹配。根据经验和规范,位速率(Mbit/s)×总线长度(m)<60,在500kbit/s速率下,干线长度小于30 m,支线不超过5 m,满足这些条件的情况下,通过实际测试,本研究认为通信是完全可靠的。

4.2总线位速率参数设置

在网络性能初期调试过程中,本研究发现经常出现的总线错误为组合错误、帧格式错误、位“1”错误和位“0”错误,严重时会导致总线性能严重下降,无法正常通信。这些错误的产生通常和总线位定时参数的选择有很大关系。CAN总线上每个位时间均可分为4部分,即同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2,位时间的范围是8~25个时间份额,每段的时间份额的数目都是可以编程控制的。在某些情况下,CAN总线的位同步会修正由于位定时设置不当而产生的误差,但无法完全避免出错,且当2个以上CAN节点同时发送时,采样点发生错误将会使节点出现错误标志,这样该节点就无法获取总线上任何操作。因此,必须根据总线的通信波特率,优化各节点每个位时间段的采样位置和每段的时间份额。

5 运行情况

某型水下航行器CAN总线网络经历3个阶段的运行试验:第一阶段是总装间联调,在此过程中,进行了低速(250 kbit/s)功能性能的初步测试,完成了布线、总线节点参数设置、软件调试等工作,总体运行良好;第二阶段进入工程实际应用,完成了动力系统电机马力现场测试以及实航试验,尽管总线附近存在各种干扰源(有时直接通过干扰源),如大功率逆变直流电源、动力电机大功率斩波调速器、PWM伺服电机、接触器等,但试验结果良好,无一例总线错误导致的系统运行故障,同时进一步完善和修改了CAN通信高层协议;第三阶段在修改样机设计后进行了总线提速,使其位速率达到500 kbit/s,经历多次实航试验,验证了CAN总线网络的可靠性,并且通过总线实现了实时在线仿真调试功能的数据可视化和状态动态实时跟踪显示,以及各种调试设备的数据共享,改善了调试方法和手段,提高了效率。

6 结束语

实践证明,该CAN总线系统工作可靠、稳定,具有很强的抗干扰性,各功能和性能均已达到了预期的目标。需要认识到的是,基于总线的数字网络在水下航行器上的应用是一项复杂的系统工程,大量的技术细节还需要从理论和实践上认真地加以研究和验证,后续工作仍需不断改进和完善。

[参考文献]

[1]赵海燕.基于理想CAN总线的消息调度研究[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2008(2):86-88.

《机电信息》2025年第21期第20篇