自動(dòng)操舵儀CAN智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 崗，陳永冰，孟云飛，徐務(wù)農(nóng)

(1.海軍工程大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，武漢430033;2.海軍902廠，上海200083)

傳統(tǒng)的自動(dòng)操舵儀內(nèi)部通信方式并不靈活，也不利于實(shí)現(xiàn)全船的網(wǎng)絡(luò)化。國(guó)內(nèi)自動(dòng)舵的研究側(cè)重于理論方面較多，很少針對(duì)性地解決工程實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，大部分自動(dòng)舵成品通信線路復(fù)雜。因此本文對(duì)通信總線采用CAN總線進(jìn)行設(shè)計(jì)。CAN總線能夠靈活地、實(shí)時(shí)地進(jìn)行通信，為自動(dòng)舵實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)、易于擴(kuò)展、實(shí)現(xiàn)全船網(wǎng)絡(luò)［1］化打下基礎(chǔ)。CAN總線工作于多主方式，構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性，而RS-485構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差。本文重點(diǎn)分析自動(dòng)舵信息傳遞的幾種形式，設(shè)計(jì)以C8051F500為核心的智能通信節(jié)點(diǎn)，將多種信號(hào)通過(guò)智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送到CAN網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信以及數(shù)據(jù)共享。

1 系統(tǒng)基本工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 自動(dòng)舵的基本工作原理

圖1 系統(tǒng)工作原理

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)自動(dòng)舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于擴(kuò)展，給檢修帶來(lái)了很多不便，采用CAN總線易于實(shí)現(xiàn)全船網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)共享，具有很好的應(yīng)用前景。其系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。羅經(jīng)、GPS、計(jì)程儀、VDR、顯示部件等設(shè)備節(jié)點(diǎn)掛接在總線上，將數(shù)據(jù)發(fā)送總線，需求信息的部件通過(guò)設(shè)置標(biāo)識(shí)符讀取總線上信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

在CAN總線終端并聯(lián)兩個(gè)電阻是為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，保證驅(qū)動(dòng)能力，且可以防止信號(hào)反射。CAN總線的引入，把船舶集中式控制系統(tǒng)向分散式系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。CAN智能節(jié)點(diǎn)掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管控一體化的綜合自動(dòng)化功能打下基礎(chǔ)。

2 C8051F500CAN控制器及驅(qū)動(dòng)器

系統(tǒng)選取C8051F500芯片進(jìn)行智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，C8051F500具有CAN控制器，用CAN協(xié)議進(jìn)行串行通信。Silicon Labs CAN控制器符合Bosch規(guī)范2.0A和2.0B，方便在CAN網(wǎng)絡(luò)上通信。

2.1 CAN控制器

CAN控制器包含一個(gè)CAN核、消息RAM(獨(dú)立于CIP-51的RAM)、消息處理狀態(tài)機(jī)和模塊接口構(gòu)成［3］。CAN核用于協(xié)議控制和消息串并轉(zhuǎn)換，消息處理器用于控制CAN核和消息RAM之間的數(shù)據(jù)傳輸，模塊接口用于CPU與整個(gè)CAN控制器交換數(shù)據(jù)。C8051F500的CAN控制器有32個(gè)消息對(duì)象，可以被配置為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。CAN控制器原理框圖見(jiàn)圖3。

圖3 CAN控制器原理

使用CAN控制器的重點(diǎn)和難點(diǎn)是對(duì)CAN控制器的寄存器的實(shí)用，其內(nèi)部寄存器的分類及其主要功能如下。

CAN控制器協(xié)議寄存器:CAN控制、中斷、錯(cuò)誤控制、總線狀態(tài)、測(cè)試方式。這些寄存器是:CAN控制寄存器(CAN0CN)、CAN時(shí)鐘配置寄存器(CAN0CFG)、CAN狀態(tài)寄存器(CAN0STA)、CAN測(cè)試寄存器(CAN0TST)、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)寄存器、位定時(shí)寄存器及波特率預(yù)分頻(BRP)擴(kuò)展寄存器。

消息對(duì)象接口寄存器，用于配置向CAN總線發(fā)送和從CAN總線接收數(shù)據(jù)的32個(gè)消息對(duì)象。消息對(duì)象可以被配置為發(fā)送或接收，并被分配消息標(biāo)識(shí)，以便所有CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接收過(guò)濾。消息對(duì)象保存在消息RAM中，用消息對(duì)象接口寄存器對(duì)其訪問(wèn)和配置。

消息處理寄存器為只讀寄存器，消息處理寄存器提供中斷、錯(cuò)誤、發(fā)送/接收請(qǐng)求和新數(shù)據(jù)信息。

在改革開(kāi)放四十周年之際，再次回顧這段歷史不難發(fā)現(xiàn)，中心城市大學(xué)的崛起，實(shí)際上是中國(guó)高等教育體制改革的先聲，給我國(guó)高等教育帶來(lái)諸多方面的影響。這些新辦院校在辦學(xué)體制上突破了中央、省兩級(jí)政府辦學(xué)的模式，開(kāi)啟了中心城市發(fā)展高等教育的先河；在機(jī)制上引入了董事會(huì)制度、教師管理制度、招生就業(yè)制度、人才培養(yǎng)制度，并且形成了辦學(xué)經(jīng)費(fèi)多元的資金籌措模式。中心城市大學(xué)運(yùn)動(dòng)也成為我國(guó)高等教育改革實(shí)踐進(jìn)程中有意義的探索，為1998年擴(kuò)招以后第二階段新大學(xué)的創(chuàng)立提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

2.2 CAN收發(fā)器

CAN總線收發(fā)器提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，是影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性、可靠性和電磁兼容性的主要內(nèi)容。本系統(tǒng)采用收發(fā)器PC82C250，它最初是為汽車中的高速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。82C250驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級(jí)對(duì)電源、地或負(fù)載短路，但不至于使輸出級(jí)損壞。若溫度超過(guò)160℃，則兩個(gè)發(fā)送器輸出斷極限電流將減小。由于發(fā)送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的升溫，器件的所有其它部分將繼續(xù)工作。82C250采用雙線差分驅(qū)動(dòng)，有助于抑制惡劣環(huán)境下的瞬變干擾。

3 CAN通用智能節(jié)點(diǎn)的電路實(shí)現(xiàn)

3.1 串口與CAN總線的轉(zhuǎn)換

羅經(jīng)、舵角、氣象儀、計(jì)程儀、組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)、VDR等相關(guān)智能設(shè)備送來(lái)的信息與系統(tǒng)主控模板之間實(shí)現(xiàn)信息的輸入和輸出，通信總線采用傳統(tǒng)的RS-485或RS-422總線。485或者422總線與主控模板通信，線路布局復(fù)雜，造成了資源的浪費(fèi)，同時(shí)也增大了電磁干擾。因此將串口信號(hào)通過(guò)智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送到CAN總線上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享［4］。這里以航向信號(hào)分析CAN報(bào)文的發(fā)送。

實(shí)際的航向信息是由羅經(jīng)得到的，由羅經(jīng)得到的航向信息轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，送給智能節(jié)點(diǎn)1。其數(shù)據(jù)輸出的格式為$CSHDT，XXX.X，T*hh，數(shù)據(jù)的輸出格式中，$為起始符，HDT表示艏向，XXX.X為航向信息，傳輸航向信息時(shí)，提取其中的XXXX四位數(shù)據(jù)信息，配置CAN寄存器后發(fā)送出去。RS-422A接口是異步標(biāo)準(zhǔn)串口，接口采用的是負(fù)邏輯，其邏輯電平與TTL電平不兼容。因此為了實(shí)現(xiàn)與TTL電路連接，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這里采用的芯片為MAX488，轉(zhuǎn)換的硬件框圖見(jiàn)圖4。

圖4 CAN/RS422A轉(zhuǎn)換模塊硬件電路

3.2 開(kāi)關(guān)量信號(hào)與CAN的通信

自動(dòng)舵的開(kāi)關(guān)量信號(hào)包括裝載情況、海況、工作模式轉(zhuǎn)換、泵組選擇等。以某型號(hào)為例，其裝載情況包括滿、中、空，這里用兩位數(shù)據(jù)就可以代表裝載的情況，海況為好、中、差，兩位即可，工作模式用三位，泵組選擇用兩位。CAN一幀數(shù)據(jù)可以發(fā)送八個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)配置格式見(jiàn)表1。

表1 信息段編碼定義

C8051F500實(shí)時(shí)的采集開(kāi)關(guān)量，開(kāi)關(guān)量發(fā)生變化后，配置成CAN數(shù)據(jù)幀格式，將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。由于一個(gè)數(shù)據(jù)幀就可以將數(shù)據(jù)量發(fā)送完，所以進(jìn)行發(fā)送初始化。設(shè)置命令掩碼寄存器CAN0IF1CM=0x00b3，WR/RD=1將選中的消息緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到命令請(qǐng)求寄存器尋址的消息對(duì)象。設(shè)置消息控制寄存器CAN0IF1MC=0x0088，EOB=1數(shù)據(jù)塊結(jié)束，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間希望一次傳輸更多的數(shù)據(jù)，則可以將多個(gè)消息對(duì)象組成數(shù)據(jù)傳送，而EOB指示數(shù)據(jù)塊是否結(jié)束。

3.3 脈沖信號(hào)和電平信號(hào)與CAN的通信

單片機(jī)檢測(cè)脈沖信號(hào)，通過(guò)處理檢測(cè)到的脈沖信號(hào)，將處理結(jié)果通過(guò)CAN發(fā)送到總線上，硬件電路見(jiàn)圖5。

圖5 脈沖信號(hào)與CAN總線通信模塊硬件電路

例如航程儀發(fā)出可以反映船舶速度的脈沖信號(hào)，200個(gè)脈沖代表1 n mile，脈沖信號(hào)經(jīng)單片機(jī)采集后換算成航速，又可以根據(jù)時(shí)間計(jì)算出航程，將速度和航程的信息發(fā)送到CAN總線上，顯示單元讀取CAN總線上的速度信息，能夠?qū)崟r(shí)掌握船舶的航行信息。

電平信號(hào)是自動(dòng)舵中眾多信號(hào)中的一種，有些艦船上的舵角指令以及反饋舵角的信息都是電位計(jì)產(chǎn)生的，電位計(jì)輸出的是電平信號(hào)。將得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，而后通過(guò)CAN控制部件將信息發(fā)到總線上，控制單元設(shè)置同樣的標(biāo)識(shí)符讀取總線上的舵角信息。其硬件電路圖見(jiàn)圖6。

圖6 電平信號(hào)與CAN總線通信模塊硬件電路

信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大、跟隨，而后被C8051F500芯片采集，將采集到的電壓信號(hào)通過(guò)配置CAN寄存器發(fā)送出去。

4 軟件實(shí)現(xiàn)及自動(dòng)舵CAN應(yīng)用協(xié)議方案

4.1 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件由CAN控制器初始化、CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收三部分組成。通過(guò)用硬件或軟件重置的方法對(duì)CAN控制寄存器中的Init位進(jìn)行設(shè)置來(lái)開(kāi)始軟件的初始化。設(shè)置了Init位以后，所有在CAN總線上進(jìn)行的消息傳輸都被停止，CAN總線的輸出CANTX位是隱性電平，錯(cuò)誤管理邏輯計(jì)數(shù)器保持不變。

初始化流程圖見(jiàn)圖7。

圖7 CAN初始化流程

在傳輸?shù)男畔⒅写蟛糠中畔⒍疾怀^(guò)8個(gè)字節(jié)，CAN的一個(gè)數(shù)據(jù)幀最多可以傳輸8個(gè)字節(jié)，因此一個(gè)數(shù)據(jù)幀足夠用。然而某些信息的信息量比較大，如某個(gè)時(shí)刻的CPS經(jīng)緯度信息為3 115.454 4，N和12 132.767 8，E。經(jīng)度的信息超過(guò)了8位。將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制，然后再進(jìn)行傳輸，一個(gè)數(shù)據(jù)幀能夠滿足要求。經(jīng)度信息為12 132.767 8，再將數(shù)據(jù)12 132.767 8×10 000=121 327 678，轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制為73B503E，用數(shù)據(jù)幀的7個(gè)字節(jié)就可以將經(jīng)度信息傳送出去，接收后轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，而后再除以10 000，即得到原來(lái)的經(jīng)度信息。

模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括串口通信程序和CAN通信程序，串口的數(shù)據(jù)格式為一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)停止位，其波特率為9 600 bit/s。CAN總線的傳輸波特率為500 kbit/s，采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式，有效數(shù)據(jù)位0～8個(gè)字節(jié)。軟件程序流程見(jiàn)圖8。

圖8 串口與CAN通信流程

4.2 標(biāo)識(shí)符分配

在CAN系統(tǒng)中，以ID來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的含義，ID決定了信息的優(yōu)先權(quán)和等待時(shí)間，同時(shí)也影響信息濾波。因而高效、合理的信息標(biāo)識(shí)符分配方案是實(shí)現(xiàn)CAN性能的首要條件。CAN2.0規(guī)范定義了兩種幀格式，即標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，在標(biāo)準(zhǔn)幀中格式中標(biāo)識(shí)符有11位，擴(kuò)展幀有29位。由于自動(dòng)舵所需的信號(hào)傳輸量不大，這里采用11位的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，其格式見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)信息標(biāo)識(shí)符分配表

高6位表示節(jié)點(diǎn)號(hào)，即總線上最多可以接64個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于自動(dòng)舵而言，信息數(shù)量足夠用了，低5位代表具體信息的含義，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以產(chǎn)生不同的信息內(nèi)容。為了方便以后設(shè)備的擴(kuò)展，分配采用節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和信息優(yōu)先級(jí)相結(jié)合，詳細(xì)劃分報(bào)文優(yōu)先權(quán)。這樣分配標(biāo)識(shí)符既方便識(shí)別，又確保了編碼的惟一性。

以某艦船為例，將標(biāo)識(shí)符分配如下。

節(jié)點(diǎn)號(hào)，0x00-報(bào)警單元，0x01-舵角單元，0x02-航向單元，0x03-操縱單元，0x04-羅經(jīng)單元，0x05-計(jì)程儀單元，0x06-GPS單元，0x07-顯示單元，……

數(shù)據(jù)場(chǎng)，00000-反饋舵角，00001-反饋航向，00010-舵角指令，00011-航向指令，00100-開(kāi)關(guān)量，00101-實(shí)時(shí)速度，00110-艦船位置，……。

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的基于C8051F500CAN總線的通信接口，實(shí)用性比較強(qiáng)。制作一個(gè)通用的電路板，硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，實(shí)現(xiàn)即插即用，同時(shí)也降低了硬件的復(fù)雜度，抗干擾能力比較強(qiáng)，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。易于形成網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，總線數(shù)據(jù)共享，也可為實(shí)現(xiàn)舵的模塊化結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

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