基于双层CAN总线的声纳数据通信系统设计

随着数字式声纳系统的发展，声纳基阵越来越大，系统功能日趋复杂，一部现代声纳要对几十路甚至几百路的数据进行采集，大容量数据的远距离传输成为声纳设计的重要课题。以往采用的以太网传输方式为超时重发机制，单点的故障容易扩散，造成整个网络系统的瘫痪。由于CAN总线传输距离远、速度快，有较强的抗电磁干扰能力，已成为国际上应用最广的现场总线之一。CAN为多主方式工作，其节点分成不同的优先级，采用非破坏仲裁技术，报文采用短帧结构，数据出错率极低，节点在错误严重的情况下可自动关闭输出。本系统利用双层CAN总线实现声纳数据通信，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

1 设计原理
    本数据通信系统要同时对多区域、多单元的数据信息进行传输及管理控制，因此采用分层、分区域的思想实现通信。系统采用单片机中间控制器作为各采集区域的核心控制器，实现上下层间的数据交换。采集单元自身具有微控制器和存储器，既可作为系统的重要组成部分，参与系统功能的实现，也可作为独立单元来完成数据采集功能，即在系统出现通信等故障的情况下，采集单元仍可以独立实现数据采集功能，并进行数据存储，提高了系统的可靠性。单片机中间控制器是数据通信的区域控制器，提供上层网络和下层网络通讯的双接口。一方面通过底层网络(Bot-CAN Bus)与各个采集单元进行通讯，实现对本区域数据的传输与处理；另一方面通过上层网络(Top-CAN Bus)与上位机进行数据通讯，实现上位机对各个采集区域和采集单元的信息采集和控制。系统结构原理框图如图1所示。

2 系统设计
    系统主要由上位机、单片机中间控制器PIC18F4580、CAN总线控制器MCP2510、收发器TJA1040T、高速光耦HCPL0600、各采集单元等组成。接口包括采集单元的CAN总线接口、单片机中间控制器的双CAN总线接口和上位机的CAN总线接口。采集单元的CAN总线接口采用标准的CAN总线接口。上位机采用工业控制计算机，可通过CAN适配卡连接到CAN总线网络上。单片机中间控制器的双层CAN总线接口电路是系统设计的关键，其原理框图，如图2所示。
2．1 双层CAN总线接口电路
    单片机中间控制器PIC18F4580自身就集成了一路CAN控制器，该路CAN总线与各采集单元进行通信。为了实现两路独立的CAN总线，需要通过单片机的SPI口向外扩展一路CAN控制器，该路CAN总线实现与上位机的通信。
    外扩展CAN控制器选用MieroChip生产的独立可编程CAN控制器芯片MCP2510，MCP2510是一种带有SH接口的CAN控制器，它支持CAN2．0A／B协议，并能够发送和接收标准及扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。MCP2510通过SPI接口与PIC18F4580进行数据传输，最高数据传输速率可达5 MB／s，PIC18F4580可通过MCP2510与CAN总线上的其他MCU单元通讯。MCP2510内含3个发送缓冲器、两个接收缓冲器，同时还具有灵活的中断管理能力，这些特点使得MCU对CAN总线的操作变得灵活简便。为提高系统的抗干扰能力，在CAN控制器和CAN收发器之间加入高速光耦HCPL0600，其数据传输速率为10 MB／s，隔离电压为2 500 V。CAN数据收发器选用Philips公司生产的TJA1040T，具有功耗低和电磁兼容性好的特点。使用MCP2510扩展CAN总线的接口电路原理图，如图3所示。

    图3中，单片机只给出部分管脚来说明具体的设计方法。使用单片机的RA5管脚来输出MCP2510的片选信号，单片机的INT1管脚作为接收到有效数据包时的中断输入脚，利用单片机的SPI端口SDO，SDI和SCK与MCP251O实现数据的接收与发送。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，MCP2510的TXCAN和RXCAN并不是直接与TJA1040的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦HCPL0600连接，这样可实现总线上各CAN节点间的电气隔离。另外，CAN总线两端接有一个120 Ω的电阻，其作用是匹配总线阻抗。实验证明，忽略匹配电阻的接入会使数据通信的抗干扰性以及可靠性降低，甚至无法实现数据通信。
    单片机与各采集单元之间的通信利用自身集成的CAN控制器实现，只需将高速光耦HCPL0600与PIC18F4580的CAN控制器部分直接接口即可，不再赘述。为方便系统测设，设置了3个发光管指示灯，分别对CPU状态和两层CAN总线网络运行状态进行显示。
2．2 电源监测与隔离电路
    电源是通信系统的能量保证，电源电路的可靠性和稳定性对系统能否正常工作起着至关重要的作用。为最大限度减小噪声和干扰，光耦部分采用的两个电源VCC与VDD必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。
    系统采用ICL7665对5 V电源进行监测，当电源电压在4．8～5．2 V之间时，OUT1和OUT2均输出高电平；当电源电压高于5．2 V时，OUT1输出低电平，OUT2输出高电平；当电源电压低于4．8 V时，OUT1输出高电平，OUT2输出低电平。ICL7665的输出信号通过光电耦合器TLP281接入PIC18F4580的I／O口，实现对电源电压的监控，使电源电压误差<4％。TLP281通过电光和光电传递信号，在电气上隔离信号的发送端和接收端。这种隔离作用能有效抑制噪声，消除接地回路的干扰。电源监测与隔离电路原理图如图4所示。

2．3 软件设计
    通信程序主要包括节点初始化程序、数据发送程序、数据接收程序以及CAN总线出错处理程序等。为便于移植和资源共享，系统软件设计采用C语言实现，软件遵循模块化设计思想，采用结构化程序设计方案，使其具有良好的扩展性。
    在CAN通信过程中，初始化包括设置SPI接口的数据传输速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收过滤器和屏蔽器以及发送和接收中断允许标志位等。内部和外部CAN控制器在接收数据时采用中断方式，发送数据时采用查询方式。与内部CAN控制器不同的是，读、写MCP2510的发送和接收缓冲器必须通过SPI接口协议的读写命令来实现。写指令首先被发送到MCP2510的SI引脚，并在SCK的上升沿锁存每个数据位，然后发送地址和数据。指令执行完毕后，数据被写进指定的地址单元中，再通过SPI接口协议的写命令来设置发送位以启动发送。读操作时，首先将读指令和地址发送到MCP2510的SI引脚，并在SCK的上升沿锁存每个数据位。同时把存贮在这个地址单元中的数据在SCK的下降沿输出到SO引脚。当执行读写操作时，CS引脚应始终保持在低电平。外部扩展CAN总线软件设计的流程图，如图5所示。

3 系统测试
    CAN总线协议有很好的错误校验措施，当硬件检测到数据在传送过程中发生错误时，会自动重新发送数据，当某一节点的错误严重时，总线会自动关闭该节点，且不影响其他节点的数据传送。
    为了验证系统数据采集及通信可靠性，分别对CAN总线上位机与各中间控制器节点、中间控制器与各采集单元节点进行实时仿真测试。仿真通信介质采用100 m长屏蔽电缆，采用多种数据帧结构，选用总线速率为20 kB／s，传送数据域长度为8 bit的数据帧。分别进行上位机与节点的单帧和多帧通信。从主控状态显示情况来看，无数据传送出错和数据丢失现象，性能稳定，验证系统具有一定的可靠性。

4 结束语
    本文结合CAN总线在航海领域的应用状况，在研究CAN总线技术和PIC单片机功能的基础上，设计了一种基于双层CAN总线的声纳数据传输系统。本系统通过结合PIC18F4580内置CAN控制器及外扩展CAN控制器的方式，以具有双CAN总线接口的单片机中间控制器为核心，采用分级、分区域组合的思想实现两级、多区域数据信息的采集。系统充分融合了CAN总线传输距离远，传输速率高，抗干扰能力强的特点，通过实验检测，文中所提出的设计方案可行，完全满足声纳数据传输系统高稳定性、高可靠性的要求。系统不仅适用于船舶声纳数据的采集，而且可对CAN总线在航空领域的应用提供参考。