基于雙層CAN總線的聲納數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計

王 丹，華紅艷，趙 嵩

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，河南鄭州 450015)

隨著數(shù)字式聲納系統(tǒng)的發(fā)展，聲納基陣越來越大，系統(tǒng)功能日趨復(fù)雜，一部現(xiàn)代聲納要對幾十路甚至幾百路的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[1]，大容量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸成為聲納設(shè)計的重要課題。以往采用的以太網(wǎng)傳輸方式為超時重發(fā)機(jī)制，單點(diǎn)的故障容易擴(kuò)散，造成整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓[2]。由于 CAN總線傳輸距離遠(yuǎn)、速度快，有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，已成為國際上應(yīng)用最廣的現(xiàn)場總線之一。CAN為多主方式工作，其節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級，采用非破壞仲裁技術(shù)，報文采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)出錯率極低，節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下可自動關(guān)閉輸出。本系統(tǒng)利用雙層 CAN總線實(shí)現(xiàn)聲納數(shù)據(jù)通信，具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。

1 設(shè)計原理

本數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)要同時對多區(qū)域、多單元的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸及管理控制，因此采用分層、分區(qū)域的思想實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)采用單片機(jī)中間控制器作為各采集區(qū)域的核心控制器[3]，實(shí)現(xiàn)上下層間的數(shù)據(jù)交換。采集單元自身具有微控制器和存儲器，既可作為系統(tǒng)的重要組成部分，參與系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，也可作為獨(dú)立單元來完成數(shù)據(jù)采集功能，即在系統(tǒng)出現(xiàn)通信等故障的情況下，采集單元仍可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，提高了系統(tǒng)的可靠性。單片機(jī)中間控制器是數(shù)據(jù)通信的區(qū)域控制器，提供上層網(wǎng)絡(luò)和下層網(wǎng)絡(luò)通訊的雙接口。一方面通過底層網(wǎng)絡(luò)(Bot-CAN Bus)與各個采集單元進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對本區(qū)域數(shù)據(jù)的傳輸與處理；另一方面通過上層網(wǎng)絡(luò)(Top-CAN Bus)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對各個采集區(qū)域和采集單元的信息采集和控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 1所示。

圖1 聲納數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由上位機(jī)、單片機(jī)中間控制器PIC18F4580、CAN總線控制器 MCP2510、收發(fā)器TJA1040T、高速光耦 HCPL0600、各采集單元等組成。接口包括采集單元的 CAN總線接口、單片機(jī)中間控制器的雙 CAN總線接口和上位機(jī)的 CAN總線接口。采集單元的 CAN總線接口采用標(biāo)準(zhǔn)的 CAN總線接口[4]。上位機(jī)采用工業(yè)控制計算機(jī)，可通過 CAN適配卡連接到 CAN總線網(wǎng)絡(luò)上。單片機(jī)中間控制器的雙層 CAN總線接口電路是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，其原理框圖，如圖 2所示。

2.1 雙層 CAN總線接口電路

單片機(jī)中間控制器 PIC18F4580自身就集成了一路 CAN控制器，該路 CAN總線與各采集單元進(jìn)行通信。為了實(shí)現(xiàn)兩路獨(dú)立的 CAN總線，需要通過單片機(jī)的 SPI口向外擴(kuò)展一路 CAN控制器，該路 CAN總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。

圖2 兩級CAN總線接口原理框圖

外擴(kuò)展 CAN控制器選用 MicroChip生產(chǎn)的獨(dú)立可編程 CAN控制器芯片 MCP2510[5]，MCP2510是一種帶有 SPI接口的 CAN控制器，它支持 CAN2.0A/B協(xié)議，并能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。MCP2510通過 SPI接口與 PIC18F4580進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 5 MB/s，PIC18F4580可通過 MCP2510與 CAN總線上的其他 MCU單元通訊。MCP2510內(nèi)含 3個發(fā)送緩沖器、兩個接收緩沖器，同時還具有靈活的中斷管理能力，這些特點(diǎn)使得 MCU對 CAN總線的操作變得靈活簡便。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在 CAN控制器和 CAN收發(fā)器之間加入高速光耦 HCPL0600，其數(shù)據(jù)傳輸速率為 10MB/s，隔離電壓為 2 500 V。CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器選用 Philips公司生產(chǎn)的 TJA1040T，具有功耗低和電磁兼容性好的特點(diǎn)。使用 MCP2510擴(kuò)展CAN總線的接口電路原理圖，如圖 3所示。

圖3 MCP2510擴(kuò)展CAN總線部分原理圖

圖 3中，單片機(jī)只給出部分管腳來說明具體的設(shè)計方法。使用單片機(jī)的 RA5管腳來輸出 MCP2510的片選信號，單片機(jī)的INT1管腳作為接收到有效數(shù)據(jù)包時的中斷輸入腳，利用單片機(jī)的 SPI端口 SDO，SDI和 SCK與 MCP2510實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。為了增強(qiáng) CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，MCP2510的 TXCAN和 RXCAN并不是直接與 TJA1040的 TXD和 RXD相連，而是通過高速光耦 HCPL0600連接，這樣可實(shí)現(xiàn)總線上各 CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。另外，CAN總線兩端接有一個120Ω的電阻，其作用是匹配總線阻抗。實(shí)驗(yàn)證明，忽略匹配電阻的接入會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性以及可靠性降低，甚至無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

單片機(jī)與各采集單元之間的通信利用自身集成的CAN控制器實(shí)現(xiàn)，只需將高速光耦 HCPL0600與PIC18F4580的 CAN控制器部分直接接口即可，不再贅述。為方便系統(tǒng)測設(shè)，設(shè)置了 3個發(fā)光管指示燈，分別對 CPU狀態(tài)和兩層 CAN總線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示。

2.2 電源監(jiān)測與隔離電路

電源是通信系統(tǒng)的能量保證，電源電路的可靠性和穩(wěn)定性對系統(tǒng)能否正常工作起著至關(guān)重要的作用。為最大限度減小噪聲和干擾，光耦部分采用的兩個電源 VCC與 VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。

系統(tǒng)采用 ICL7665對 5 V電源進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)電源電壓在 4.8～5.2 V之間時，OUT1和 OUT2均輸出高電平；當(dāng)電源電壓高于 5.2 V時，OUT1輸出低電平，OUT2輸出高電平；當(dāng)電源電壓低于 4.8 V時，OUT1輸出高電平，OUT2輸出低電平。ICL7665的輸出信號通過光電耦合器 TLP281[6]接入 PIC18F4580的 I/O口，實(shí)現(xiàn)對電源電壓的監(jiān)控，使電源電壓誤差 ＜4%。TLP281通過電光和光電傳遞信號，在電氣上隔離信號的發(fā)送端和接收端。這種隔離作用能有效抑制噪聲，消除接地回路的干擾。電源監(jiān)測與隔離電路原理圖如圖 4所示。

2.3 軟件設(shè)計

通信程序主要包括節(jié)點(diǎn)初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、數(shù)據(jù)接收程序以及 CAN總線出錯處理程序等。為便于移植和資源共享，系統(tǒng)軟件設(shè)計采用 C語言實(shí)現(xiàn)，軟件遵循模塊化設(shè)計思想，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方案，使其具有良好的擴(kuò)展性。

在 CAN通信過程中，初始化包括設(shè)置 SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收過濾器和屏蔽器以及發(fā)送和接收中斷允許標(biāo)志位等。內(nèi)部和外部 CAN控制器在接收數(shù)據(jù)時采用中斷方式，發(fā)送數(shù)據(jù)時采用查詢方式。與內(nèi)部 CAN控制器不同的是，讀、寫 MCP2510的發(fā)送和接收緩沖器必須通過 SPI接口協(xié)議的讀寫命令來實(shí)現(xiàn)。寫指令首先被發(fā)送到 MCP2510的 SI引腳，并在 SCK的上升沿鎖存每個數(shù)據(jù)位，然后發(fā)送地址和數(shù)據(jù)。指令執(zhí)行完畢后，數(shù)據(jù)被寫進(jìn)指定的地址單元中，再通過 SPI接口協(xié)議的寫命令來設(shè)置發(fā)送位以啟動發(fā)送。讀操作時，首先將讀指令和地址發(fā)送到 MCP2510的 SI引腳，并在 SCK的上升沿鎖存每個數(shù)據(jù)位。同時把存貯在這個地址單元中的數(shù)據(jù)在 SCK的下降沿輸出到SO引腳。當(dāng)執(zhí)行讀寫操作時，CS引腳應(yīng)始終保持在低電平。外部擴(kuò)展 CAN總線軟件設(shè)計的流程圖，如圖 5所示。

3 系統(tǒng)測試

圖5 外部擴(kuò)展CAN總線軟件設(shè)計流程圖

CAN總線協(xié)議有很好的錯誤校驗(yàn)措施，當(dāng)硬件檢測到數(shù)據(jù)在傳送過程中發(fā)生錯誤時，會自動重新發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的錯誤嚴(yán)重時，總線會自動關(guān)閉該節(jié)點(diǎn)，且不影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及通信可靠性，分別對CAN總線上位機(jī)與各中間控制器節(jié)點(diǎn)、中間控制器與各采集單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時仿真測試。仿真通信介質(zhì)采用 100m長屏蔽電纜，采用多種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，選用總線速率為 20 kB/s，傳送數(shù)據(jù)域長度為 8 bit的數(shù)據(jù)幀。分別進(jìn)行上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)的單幀和多幀通信。從主控狀態(tài)顯示情況來看，無數(shù)據(jù)傳送出錯和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，性能穩(wěn)定，驗(yàn)證系統(tǒng)具有一定的可靠性。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合 CAN總線在航海領(lǐng)域的應(yīng)用狀況，在研究 CAN總線技術(shù)和 PIC單片機(jī)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于雙層 CAN總線的聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過結(jié)合 PIC18F4580內(nèi)置 CAN控制器及外擴(kuò)展 CAN控制器的方式，以具有雙 CAN總線接口的單片機(jī)中間控制器為核心，采用分級、分區(qū)域組合的思想實(shí)現(xiàn)兩級、多區(qū)域數(shù)據(jù)信息的采集。系統(tǒng)充分融合了 CAN總線傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)檢測，文中所提出的設(shè)計方案可行，完全滿足聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)高穩(wěn)定性、高可靠性的要求。系統(tǒng)不僅適用于船舶聲納數(shù)據(jù)的采集，而且可對 CAN總線在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

[1]何菲玲，陳清浪，張經(jīng)綸.高性能聲納數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[J].數(shù)據(jù)采集與處理，1998，13(2):159-162.

[2]Phlips Semiconductors.CAN Specification[Version2.0][S].Holand:Phlips Semiconductors，1991.

[3]趙政春，陸綺榮，孫秀桂.CAN總線的冷庫控制系統(tǒng)[J].計算機(jī)測量與控制，2006(10):1334-1337.

[4]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，1999.

[5]Microchip Technology Inc.MCP2510Data Sheet[Z].USA:Microchip Technology Inc，2002.

[6]Toshiba Company.TLP281，TLP281-4[Z].Japan:Toshiba Company，2002.