某武器系統(tǒng)的CAN通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

韓 薇，馬禮舉，溫 凱，郭 毅

(1中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065;2駐847廠軍事代表室，西安 710043)

0 引言

20世紀80年代以來，信息工程、計算機技術(shù)、電子技術(shù)等日新月異的發(fā)展不斷給軍工科技提供新的思路。武器系統(tǒng)需要共享傳輸?shù)男畔⒃絹碓蕉?，類型越來越?fù)雜，CAN總線具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、實時性強、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、互操作性好等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)總線的缺陷，是武器系統(tǒng)通訊的一種有效解決方案。

但是，導(dǎo)彈發(fā)射車的CAN網(wǎng)絡(luò)具有其獨特性:不僅車上有多個CAN節(jié)點，彈上也有多個CAN節(jié)點;導(dǎo)彈發(fā)射后，彈上部分節(jié)點與車上節(jié)點斷開，且彈上節(jié)點、車上節(jié)點各自繼續(xù)完成CAN通信。如何保證導(dǎo)彈在位時，在滿足實時性前提下系統(tǒng)CAN通信穩(wěn)定可靠;導(dǎo)彈發(fā)射后飛離導(dǎo)彈發(fā)射車時，導(dǎo)彈發(fā)射車上的CAN節(jié)點通信不受影響;導(dǎo)彈飛行過程中，彈上的CAN節(jié)點通信穩(wěn)定可靠，是文中研究的關(guān)鍵問題。

1 武器系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲類型

網(wǎng)絡(luò)拓撲有總線形、環(huán)形、星形、網(wǎng)形及這幾種結(jié)構(gòu)套用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，總線形是 CAN國際標準ISO11898推薦使用的拓撲。但由于總線形結(jié)構(gòu)對總線分支的長度要求(見圖1，d＜0.4m)，宜采用優(yōu)化的總線形結(jié)構(gòu)——菊花鏈形網(wǎng)絡(luò)(見圖2，d=0)。

圖1 總線形網(wǎng)絡(luò)

圖2 菊花鏈形網(wǎng)絡(luò)

環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)中，單個節(jié)點或一處線纜發(fā)生故障將會造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

星形結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點通過一個中央設(shè)備連接在一起，各節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央設(shè)備，再由中央設(shè)備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標節(jié)點。星形網(wǎng)絡(luò)中任何單根電纜只連接兩個設(shè)備(如一個節(jié)點和一個集線器)，因此單個電纜或節(jié)點發(fā)生故障，頂多影響兩個節(jié)點，不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的通信中斷;星形結(jié)構(gòu)中各節(jié)點可以很容易的移動、隔絕或與其他網(wǎng)絡(luò)連接，擴展性強。這些特點非常適合導(dǎo)彈特性，可以很好解決導(dǎo)彈飛離對CAN網(wǎng)絡(luò)的影響問題。

但星形網(wǎng)絡(luò)的缺點也很明顯:中央設(shè)備故障會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。另外，星形結(jié)構(gòu)所需的線纜和配置明顯多于環(huán)形或總線形網(wǎng)絡(luò)，但其總長度與環(huán)形或總線形網(wǎng)絡(luò)一樣受波特率、節(jié)點數(shù)量等因素制約。若節(jié)點數(shù)較多、波特率較高或系統(tǒng)實時性要求高，不適于用星形結(jié)構(gòu)。所以，導(dǎo)彈發(fā)射車系統(tǒng)(地面網(wǎng))顯然不適合星形結(jié)構(gòu)。

1.2 武器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

1.2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

某武器系統(tǒng)地面15個節(jié)點，彈上8個節(jié)點，若全部采用星形結(jié)構(gòu)，假設(shè)地面每個節(jié)點距“中央設(shè)備”的平均距離為3m、彈上每個節(jié)點距“中央設(shè)備”的平均距離為5m，則總線總長度為:

根據(jù)1.2.2 節(jié)的論述，此結(jié)果大于 134.2m，是不適用的，因此系統(tǒng)不能全部采用星形結(jié)構(gòu)。若全部采用菊花鏈形結(jié)構(gòu)，由于導(dǎo)彈發(fā)動機燃燒噴出的尾焰、導(dǎo)彈發(fā)射后的沖擊力都可能對菊花鏈的連接點產(chǎn)生影響，影響整個系統(tǒng)的通訊。所以，將8發(fā)導(dǎo)彈單獨組網(wǎng)并與地面網(wǎng)絡(luò)隔離是必要的，即采用“雙網(wǎng)”完成系統(tǒng)通訊。

地面各節(jié)點位置相對固定，適合采用菊花鏈型網(wǎng)絡(luò)?？偩€的主干網(wǎng)布好后，在聯(lián)試聯(lián)調(diào)中各節(jié)點移動、離開主干網(wǎng)，都不會影響其他節(jié)點的正常通訊。彈上網(wǎng)絡(luò)適合選擇星形結(jié)構(gòu)。

基于以上分析，最終的某武器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)及導(dǎo)彈發(fā)射車網(wǎng)絡(luò)(地面網(wǎng))組成，地面CAN網(wǎng)絡(luò)為菊花鏈形結(jié)構(gòu)，由屏蔽雙絞線加兩端的匹配電阻構(gòu)成，各部件節(jié)點掛接在網(wǎng)絡(luò)上;導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)為星形結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點通過接插件接在CANHUB上。網(wǎng)絡(luò)拓撲見圖3，圖3中虛線所示的連接，在導(dǎo)彈飛離發(fā)射架后斷開。

圖3 地面網(wǎng)與彈上網(wǎng)之間通訊示意圖

地面網(wǎng)與彈上網(wǎng)之間通訊，還需要轉(zhuǎn)接設(shè)備，目前使用發(fā)控裝置(圖3中節(jié)點3)進行轉(zhuǎn)接。發(fā)控裝置有兩個獨立的CAN口，一個與地面網(wǎng)絡(luò)連接，另一個與彈上網(wǎng)絡(luò)連接;發(fā)控裝置CPU對數(shù)據(jù)判讀，將兩個CAN口數(shù)據(jù)相互傳遞，實現(xiàn)地面數(shù)據(jù)上傳或彈上數(shù)據(jù)下傳。在實驗室摸底時，發(fā)控裝置計算機兩個CAN口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接的延遲不大于2ms。

在導(dǎo)彈發(fā)射前，地面網(wǎng)所有分系統(tǒng)已經(jīng)上電工作，彈上只有彈上計算機接收地面發(fā)控裝置裝定的諸元。導(dǎo)彈擊發(fā)并飛離發(fā)射架后，彈上計算機與發(fā)控裝置的連接斷開，導(dǎo)彈所有節(jié)點上電工作，形成導(dǎo)彈、導(dǎo)彈發(fā)射車兩個獨立的CAN網(wǎng)絡(luò)。增加或失去一個節(jié)點對CAN網(wǎng)絡(luò)通訊沒有明顯影響，而且導(dǎo)彈與武器站兩個網(wǎng)絡(luò)之間沒有直接連接，所以導(dǎo)彈是否在位不影響武器系統(tǒng)的通訊。

1.2.2 最大總線線路估算

根據(jù)各項參數(shù)及芯片特性，考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的特點，計算總線最大長度及兩個節(jié)點之間的最小距離有如下兩個公式:

其中:Lmax為可行的最大總線線路長度;tprop為最大的雙向傳播延遲;tloop.eff為有效的收發(fā)器循環(huán)延遲;tloop.eff.oth為其它元件(如 CAN 控制器、光耦等)的有效循環(huán)延遲;tp為總線電纜的特定延遲。

其中:ρmax為電纜的每個長度單位橫截面積的最大特征阻抗;Vdiff，out，min為顯性電平差動輸出電壓的最小值;Vth，max為接收器的最大顯性閥值電壓;Ksm為檢測顯性位的期望安全余差;RT，min為終端電阻的最小值;Rdiff，min為節(jié)點差動輸入阻抗的最小值;nmax為連接總線的最大節(jié)點數(shù)量。

芯片PCA82C250在高速模式下，tloop，eff=155ns;

根據(jù)式(1)，得:

同理，根據(jù)式(2)，可得:

綜合以上結(jié)果，Lmax選取不大于134.2m即可。實際網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)完畢后長度約34m，遠小于要求的最大長度。

2 系統(tǒng)通訊延時

2.1 系統(tǒng)流程分析

系統(tǒng)工作流程主要分為5個階段，其中只有傳遞對準階段數(shù)據(jù)量大、實時性要求高，其他時間段的通訊有的數(shù)據(jù)量大但實時性要求不高，有的實時性要求高但數(shù)據(jù)量不大。在傳遞對準階段，節(jié)點A將敏感到的傳遞對準信息通過CAN總線發(fā)送給發(fā)控裝置，發(fā)控裝置再轉(zhuǎn)發(fā)給彈上計算機;彈上計算機通過RS422將傳遞對準信息傳給節(jié)點B，節(jié)點B執(zhí)行傳遞對準任務(wù)。

2.2 傳遞延時計算

按照傳遞對準信息傳遞要求，有:

式中:B為波特率，T轉(zhuǎn)為發(fā)控裝置的兩個CAN口進行傳遞對準信息傳遞所需時間。T轉(zhuǎn)在電路上有微秒級的延遲，更多的延遲是進行打包轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)拼接所耗費的時間。經(jīng)過實驗室摸底，時間T轉(zhuǎn)＜2 ms。t0不大于5ms，則上式為:

2.2.1 波特率選250kbps

當波特率選擇250kbps時，式(3)為18.94ms＜20ms;此時總線負載預(yù)計為:

當總線數(shù)據(jù)量小于30%時，CAN總線才能穩(wěn)定可靠工作。波特率為250kbps時，CAN總線負載大于30%，不能滿足系統(tǒng)要求。

2.2.2 波特率選500kbps

當波特率為500kbps時，式(3)為17.08ms＜20ms;此時總線負載預(yù)計為:

能夠滿足CAN總線的要求。

2.2.3 小結(jié)

綜上所述，系統(tǒng)在進行傳遞對準時，如果沒有其他大數(shù)據(jù)量的信息傳遞，波特率選擇為500kbps時，傳遞對準信息傳遞時間小于20ms，總線負載小于30%，能夠滿足系統(tǒng)要求。

3 結(jié)論

由于武器系統(tǒng)的特殊性，其CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用菊花鏈與星形結(jié)構(gòu)相結(jié)合的拓撲結(jié)構(gòu)，且對系統(tǒng)通訊延時進行了詳細計算與實驗室摸底。

在樣機聯(lián)試與導(dǎo)彈飛行試驗中，武器系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定，能夠滿足系統(tǒng)要求，可為今后其他類似系統(tǒng)提供參考。

[1]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.

[2]張振德，崔玉龍，吳臨政.基于補償機制的星型CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2009(8):17－20.

[3]謝俊紅，林軼，陳三鑒，等.基于SAE J1939協(xié)議的車輛網(wǎng)絡(luò)集成方法[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009(5):8－10.

[4]史久根，張培仁，陳真勇.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004.

[5]Philips semiconductors PAC82C250 CAN controller interface datasheet[Z].1997.