基于CAN總線的光纖陀螺自動(dòng)測試系統(tǒng)

李 彥， 王慶濤

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程系，北京 100191)

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基于CAN總線的光纖陀螺自動(dòng)測試系統(tǒng)

李 彥， 王慶濤

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程系，北京 100191)

星載光纖陀螺的測試項(xiàng)目多，耗時(shí)長，同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控陀螺狀態(tài)。針對上述問題，提出了一種采用控制器局域網(wǎng)(CAN)總線與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)相結(jié)合的方案?；赩erilog語言設(shè)計(jì)下位機(jī)采集程序，VC6.0的微軟基礎(chǔ)類(MFC)框架編寫上位機(jī)采集程序，設(shè)計(jì)自動(dòng)測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試功能，可以實(shí)時(shí)采集并自動(dòng)存儲(chǔ)陀螺的輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控光纖陀螺的工作電壓、電流和環(huán)境溫度，在出現(xiàn)過壓、欠壓、過流和溫度異常情況下開啟故障保護(hù)功能并報(bào)警，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，可靠地保障光纖陀螺測試的順利進(jìn)行。

光纖陀螺； 控制器局域網(wǎng)總線； 自動(dòng)測試

0 引 言

光纖陀螺從研制到生產(chǎn)需要經(jīng)過大量的性能測試，測試項(xiàng)目多、測試時(shí)間長、工作量大一直是測試人員面臨的主要問題，并且在單調(diào)、冗長的測試過程中，很可能會(huì)由于疏忽和經(jīng)驗(yàn)缺乏對測試結(jié)果產(chǎn)生不良影響[1]?，F(xiàn)階段陀螺測試系統(tǒng)功能比較單一，僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)的采集，并且需要工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控測試過程中出現(xiàn)的故障，耗費(fèi)大量的人力。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)供電電源故障，可能損壞光纖陀螺。因此，對光纖陀螺供電電源進(jìn)行監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)記錄電源的輸出電壓、電流，有利于分析陀螺的工作狀態(tài)[2]。具備較少人工干預(yù)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理、自主故障診斷等特點(diǎn)的自動(dòng)測試系統(tǒng)對光纖陀螺的研制和生產(chǎn)是十分必要的。

首先對自動(dòng)測試系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種基于控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線的自動(dòng)測試技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓、電流和環(huán)境溫度，從硬件和軟件兩方面保護(hù)光纖陀螺，并對光纖陀螺數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，定時(shí)開關(guān)電源，從而簡化光纖陀螺測試環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試。最后,通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)功能。

1 光纖陀螺自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

設(shè)計(jì)的光纖陀螺自動(dòng)測試系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：1)能有效地解決供電電源可能產(chǎn)生的故障，保護(hù)光纖陀螺安全測試；2)可以同時(shí)測試多個(gè)陀螺，也可以在測試中添加其他的陀螺或者設(shè)備節(jié)點(diǎn)，互不影響；3)通過CAN總線采集光纖陀螺數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出陀螺方差、零漂和零偏等參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)界面中；4)測試完成后，自動(dòng)保存陀螺數(shù)據(jù)并關(guān)閉電源，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的光纖陀螺自動(dòng)測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 光纖陀螺自動(dòng)測試系統(tǒng)框圖

針對+28 V供電的星載光纖陀螺，相應(yīng)地，自動(dòng)測試系統(tǒng)的輸入設(shè)定為+28 V，以避免額外的電源供電。自動(dòng)測試系統(tǒng)主要由固態(tài)繼電器及其控制電路、過載保護(hù)電路、電流電壓溫度采集電路、AD采樣電路、FPGA芯片、CAN總線電路構(gòu)成。

1.2.1 過載保護(hù)原理

電源的電壓在18～32 V，電流在0～1 A波動(dòng)時(shí)，不會(huì)對光纖陀螺造成損傷。因此，過載保護(hù)芯片選取MAXIM公司的MAX14572，高精度可調(diào)節(jié)過載電壓和過載電流的集成芯片(IC)[3]，可承受高達(dá)±40 V的輸入電壓，內(nèi)置開關(guān)FETs導(dǎo)通時(shí)電阻RON低于100 mΩ。MAX14572引腳UVLO,OVLO,SET1分別設(shè)置欠壓、過壓和限流值。當(dāng)UVLO和OVLO引腳接地時(shí)，MAX14572將采用默認(rèn)的VUVLO欠壓值19.2 V,VOVLO過壓值32 V。限流公式

R=11 500/ILIM

(1)

式中ILIM(mA)限流值為1 A，即R值選取11.5 kΩ。

1.2.2 檢測電路原理

電流和電壓采集的精度為0.01，環(huán)境溫度采集的精度為0.1 ℃。電流檢測采用Maxim公司生產(chǎn)的雙向、精密電流傳感放大器MAX471實(shí)現(xiàn)，內(nèi)置35 mΩ精密傳感電阻器，可測量電流的上下限為±3 A，通過外接2 kΩ電阻器將被測電流按1∶1轉(zhuǎn)換為對地的電壓[4]，即輸出為0～1 V，再經(jīng)過放大器放大2倍。最終輸入到AD的電壓為0～2 V。A/D轉(zhuǎn)換器分辨率：2N-1=AF/AMIN=(2-0)/0.01,N≈8。電壓檢測電路采用高精度、低溫漂1 MΩ電阻器和56 kΩ電阻器串聯(lián)分壓。分壓后輸入給AD的電壓為0～1.69 V，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率：2N-1=AF/AMIN=(1.69-0)/(0.01),N≈8。A/D轉(zhuǎn)換器要在8位以上，考慮到存在量化誤差，以及噪聲、溫漂等其他誤差。因此，電壓和電流采樣中的A/D轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換速率達(dá)65 MSPS的12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9235。AD9235為差分傳輸，可以抵消干擾，提高電路整體性能。由FPGA提供外部輸入時(shí)鐘。

DS18B20數(shù)字溫度實(shí)時(shí)檢測模塊[5]，為測量范圍-45～+125 ℃的12位數(shù)字溫度傳感器，溫度值計(jì)算公式

T=(-1)n11(26n10+25n9+24n8+23n7+22n6+21n5+ 20n4+2-1n3+2-2n2+2-3n1+2-4n0)

(2)

從上式計(jì)算其精度為0.062 5 ℃。信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此，從FPGA到DS18B20僅需要連接一條信號線。

1.2.3 CAN總線電路

CAN是一種具有高可靠性，有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[6～8]。選取FPGA作為CAN模塊控制器，CAN控制器SJA1000[9]，CAN收發(fā)器PCA82C250。PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，對物理總線提供差動(dòng)發(fā)送能力[10]。設(shè)計(jì)中有兩點(diǎn)需要特別注意：1)FPGA并沒有與SJA1000直接相連。這是因?yàn)閷τ谠O(shè)計(jì)選取的FPGA-Spartan6，其接口電平不支持5 V TTL的I/O標(biāo)準(zhǔn)，如果與5V I/O標(biāo)準(zhǔn)的SJA1000直接相連，可能導(dǎo)致FPGA管腳電流過大，造成器件鎖死或者燒毀[11]。為此采用雙向電平轉(zhuǎn)換芯片74LVX3245，將SJA1000的5 V TTL電平信號轉(zhuǎn)換成3.3 V I/O標(biāo)準(zhǔn)信號，連接到FPGA的引腳上。2)在CAN控制器與收發(fā)器之間不采用光電隔離。光電隔離雖然能增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，但會(huì)增加CAN總線有效回路信號的傳輸延遲，導(dǎo)致通信速率或距離減少。

CAN總線采用兩路CAN_A和CAN_B備份形式，分別接到計(jì)算機(jī)上。計(jì)算機(jī)保證其中一路處于工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與控制計(jì)算機(jī)通信。

1.2.4 FPGA控制電路

系統(tǒng)中除了應(yīng)用過載保護(hù)芯片MAX14572硬件上保護(hù)光纖陀螺，F(xiàn)PGA編程控制固態(tài)繼電器，從軟件上保障光纖陀螺更可靠的運(yùn)行[12]。固態(tài)繼電器對比電磁繼電器而言，沒有機(jī)械零部件，固態(tài)器件完成觸點(diǎn)功能，壽命長、可靠性高,沒有輸入線圈，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，減少了電磁干擾和開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)?？刂齐妷捍笥? V，輸入電流大于5 mA時(shí)，固態(tài)繼電器處于導(dǎo)通狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)測得固態(tài)繼電器導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生0.6 V的壓降。

當(dāng)供電電源出現(xiàn)過壓、欠壓或過流等故障時(shí)，電壓、電流采樣電路將數(shù)據(jù)輸入FPGA，通過CAN總線發(fā)送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析采集到的數(shù)據(jù)，通過FPGA控制固態(tài)繼電器切斷電源，過程中會(huì)產(chǎn)生微小的延時(shí)。所以，過載保護(hù)芯片會(huì)首先切斷光纖陀螺的電源，軟件切斷固態(tài)繼電器作為后續(xù)保障。在故障排除后，計(jì)算機(jī)發(fā)送指令控制繼電器導(dǎo)通，同時(shí)復(fù)位過載保護(hù)芯片，光纖陀螺再次工作。

1.3 CAN總線即插即用協(xié)議設(shè)計(jì)

在CAN總線中，計(jì)算機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)中的主節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)備和光纖陀螺設(shè)為從節(jié)點(diǎn)。為區(qū)分不同的CAN從節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在每一個(gè)CAN從節(jié)點(diǎn)設(shè)備定義一個(gè)唯一的MAC地址，地址長度為4個(gè)字節(jié)。

節(jié)點(diǎn)正常上電后，處于未配置狀態(tài)，主節(jié)點(diǎn)無法與從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，需要進(jìn)行即插即用配置。配置過程如下：

1)節(jié)點(diǎn)自舉 ：從節(jié)點(diǎn)發(fā)送自舉幀，首先通過CAN_A通道發(fā)送自舉幀，如果3 s后從節(jié)點(diǎn)仍未識別，則通過CAN_A通道再次發(fā)送自舉幀，通過CAN_A通道最多允許發(fā)送5次自舉幀，如果仍未識別，則采用CAN_B通道發(fā)送自舉幀;同樣，通過CAN_B通道最多允許發(fā)送5次自舉幀。如果通過CAN_A和CAN_B通道均成功識別，則一直等待計(jì)算機(jī)發(fā)送探測幀，或重新上電。

2)節(jié)點(diǎn)自主發(fā)現(xiàn)：從節(jié)點(diǎn)如果收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的探測幀，則檢查自身MAC地址片是否與約束地址一致:如果匹配,則發(fā)送探測應(yīng)答幀;不匹配,則不需要應(yīng)答，主節(jié)點(diǎn)識別一個(gè)節(jié)點(diǎn)共需要發(fā)送8次探測幀[13]。

3)節(jié)點(diǎn)配置：從節(jié)點(diǎn)如果收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的配置幀，則檢查自身MAC地址是否與配置幀中的MAC地址匹配,如果匹配，則從該幀中獲取主節(jié)點(diǎn)為其分配的8位節(jié)點(diǎn)地址nID，并發(fā)送配置應(yīng)答幀，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)置為已識別。

從節(jié)點(diǎn)即插即用處理流如圖2所示。

圖2 從節(jié)點(diǎn)即插即用處理流程

新增節(jié)點(diǎn)添加到CAN總線網(wǎng)絡(luò)后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)為其分配節(jié)點(diǎn)地址，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信。由于添加了CAN總線即插即用協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)陀螺同時(shí)測試，也可以在陀螺測試中添加其他的陀螺或者設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

1.4 計(jì)算機(jī)采集軟件設(shè)計(jì)

微軟基礎(chǔ)類(Microsoft foundation classes,MFC)操作系統(tǒng)界面簡潔，占用資源少，操作方便，因此，采用MFC設(shè)計(jì)采集軟件、CAN通信的程序[14,15]。采集軟件處理流程如圖3所示。

圖3 采集軟件處理流程

測試開始打開軟件后，陀螺數(shù)據(jù)需要在陀螺接收到相應(yīng)計(jì)算機(jī)指令才會(huì)被發(fā)送，而電壓、電流及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)以2 Hz頻率自主發(fā)送。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，計(jì)算機(jī)通過CAN總線自動(dòng)發(fā)送ShutDown命令給FPGA，切斷電源。若沒有出現(xiàn)異常，達(dá)到設(shè)置測試時(shí)間，計(jì)算機(jī)發(fā)送TestEnd指令，結(jié)束測試，自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。根據(jù)初始設(shè)置自動(dòng)斷電或進(jìn)行下一次循環(huán)測試，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試。

2 實(shí) 驗(yàn)

在光纖陀螺正常工作時(shí)開啟采集程序，自動(dòng)測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)地測出陀螺數(shù)據(jù)、電壓、電流和溫度并顯示在程序中。CAN 總線解決總線競爭的仲裁方案與以太網(wǎng)所采用的CSMA/CD 仲裁機(jī)制十分相似，即對報(bào)文的標(biāo)識符按位進(jìn)行逐位仲裁。將光纖陀螺報(bào)文設(shè)置為高優(yōu)先級，保證陀螺數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸。

在電路實(shí)際測試中，過載保護(hù)芯片MAX14572的欠壓值為19.02 V，過壓值為31.79 V，限流值為0.97 A，基本滿足陀螺的供電要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果與實(shí)際值相比較，可以看出精度達(dá)到了預(yù)期要求，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，自動(dòng)測試系統(tǒng)控制系統(tǒng)關(guān)閉電源，可靠地保護(hù)光纖陀螺。與其他光纖陀螺測試系統(tǒng)相比，系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1)實(shí)時(shí)監(jiān)控陀螺供電電源輸出的電壓、電流和環(huán)境溫度。一旦出現(xiàn)過壓、欠壓或者過流等故障，立即自動(dòng)切斷供電電源，并向測試人員發(fā)出報(bào)警，自動(dòng)測試系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面保護(hù)光纖陀螺；2)使用FPGA設(shè)計(jì)CAN總線和即插即用上層協(xié)議，不需要人為配置節(jié)點(diǎn)地址，可同時(shí)測試多個(gè)陀螺；3)使用VC6.0開發(fā)上位機(jī)用戶界面，可實(shí)現(xiàn)光纖陀螺數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，定時(shí)自動(dòng)開關(guān)電源，并可對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，保證光纖陀螺安全工作。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于FPGA和CAN總線的光纖陀螺自動(dòng)測試系統(tǒng)，經(jīng)過驗(yàn)證：系統(tǒng)可靠地保障了光纖陀螺電源自動(dòng)供給和陀螺數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，滿足了光纖陀螺自動(dòng)測試的需求。

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FOG automatic test system based on CAN-bus

LI Yan, WANG Qing-tao

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Lots of test projects of consume a large amount of time and need real-time monitoring.Aiming at the above problems,the spaceborne FOG automatic test system adopts program of controller area network(CAN)and FPGA is proposed,which bases on Verilog designing collecting lower computer(PC) program and based on Microsoft foundation classes(MFC)of VC6.0 designing upper PC program.The system can real-time acquire and automaticly store FOG data.Meanwhile,monitor working voltage,current and environmental temperature of FOG.In case of overvoltage,undervoltage,over current and abnormal temperature,the system opens fault protection function and alarm.The system achieves expected technical index,and successfully guarantees the test go well.

spaceborne fiber-optic gyroscopes; controller area network(CAN); automatic test system

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0082—03

2016—08—31

TP 273.5

A

1000—9787(2017)08—0082—03

李 彥(1975-)，女，博士，講師，主要從事光纖傳感研究工作。

王慶濤(1991-)，男，通訊作者，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w陀螺自動(dòng)測試技術(shù)，E—mail:w_qingtao@buaa.edu.cn。