適用于主動(dòng)拖曳發(fā)射陣的通信總線設(shè)計(jì)

王鑫淦，杜選民，尹子源

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適用于主動(dòng)拖曳發(fā)射陣的通信總線設(shè)計(jì)

王鑫淦，杜選民，尹子源

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

主動(dòng)拖曳發(fā)射陣工作環(huán)境苛刻，對(duì)功率模塊的可靠性要求較高，需要合適的通信總線對(duì)發(fā)射陣內(nèi)各功率模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。文章提出了一種適用于主動(dòng)拖曳發(fā)射陣的通信總線方案，該總線方案能在復(fù)雜電磁環(huán)境下無誤碼通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)各功率模塊的狀態(tài)監(jiān)控。通過拖曳發(fā)射陣湖上和海上性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了該總線方案的可行性和穩(wěn)健性。

主動(dòng)拖曳發(fā)射陣；功率模塊監(jiān)控；通信總線；RS485網(wǎng)絡(luò)

0 引言

主動(dòng)發(fā)射陣是主動(dòng)拖曳式聲吶中的重要組成部分，其內(nèi)部含有數(shù)十個(gè)功率放大模塊，用來驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，如圖1所示[1]。

由于發(fā)射陣受拖曳這一形式的限制，其可用空間小、散熱環(huán)境差。然而功率模塊屬于大功率電子設(shè)備，在如此惡劣的環(huán)境下工作，其可靠性對(duì)整個(gè)發(fā)射陣的正常運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。為此，有必要對(duì)功率模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一般情況下，主動(dòng)拖曳發(fā)射陣中功率模塊的個(gè)數(shù)在幾十到上百不等，因此需要設(shè)計(jì)一種合適的通信總線對(duì)各功率模塊進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 主動(dòng)拖曳式聲吶示意圖

1 網(wǎng)絡(luò)選擇

現(xiàn)行的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可分為三類：HART(Highway Addressable Remote Transducer)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和RS485網(wǎng)絡(luò)。

HART網(wǎng)絡(luò)：HART是由艾默生提出的一個(gè)過渡性總線標(biāo)準(zhǔn)[2]，主要在4~20 mA電流信號(hào)上面疊加數(shù)字信號(hào)，物理層采用BELL2022頻移鍵控技術(shù)。但此協(xié)議不是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難、成本高等原因，其應(yīng)用前景呈逐年下滑的態(tài)勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一[2]。它是一種數(shù)字化、串行、多站式的通信網(wǎng)絡(luò)，用來實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場(chǎng)的儀表與控制室內(nèi)的控制設(shè)備間的數(shù)據(jù)連接。其關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信。

RS485網(wǎng)絡(luò)：RS485是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式，常采用MODBUS串行通信協(xié)議，其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)、能進(jìn)行長(zhǎng)距離通信等特點(diǎn)，在工程上得到廣泛應(yīng)用[2]。

本文結(jié)合工程實(shí)際，采用了RS485網(wǎng)絡(luò)作為通信總線，對(duì)拖曳發(fā)射陣中各功率模塊進(jìn)行監(jiān)控。

2 總線設(shè)計(jì)

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文RS485總線采用了菊花鏈的聯(lián)網(wǎng)方式，如圖2所示。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，發(fā)送接收器通過較短的網(wǎng)絡(luò)分支連接到總線上。

圖2 RS485總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于拖曳發(fā)射陣空間有限，內(nèi)部走線較多，為此本文采用半雙工工作模式，只需一對(duì)信號(hào)線即可，如圖3所示。此時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)必須分時(shí)進(jìn)行，同時(shí)要確保在任何時(shí)候掛接在總線上的發(fā)送器只有一個(gè)處于使能狀態(tài)。

圖3 RS485半雙工工作模式

2.2 抗干擾設(shè)計(jì)[3-8]

圖4 RS485總線終端處理

其次，每個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)到總線的距離必須小于發(fā)送端輸出信號(hào)上升時(shí)間對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/10[3]，如式(1)所示。

對(duì)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，各節(jié)點(diǎn)在接地位置存在電位差，這將增大共模噪聲。將遠(yuǎn)程各節(jié)點(diǎn)的地相連，同樣會(huì)引起大的地環(huán)路電流，導(dǎo)致共模噪聲耦合到信號(hào)線上。當(dāng)共模噪聲增大到超過接收器的輸入共模抑制范圍時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致通信失敗。

在遠(yuǎn)距離通信中為了避免接地電位差橫跨RS485總線，有效的方法是將收發(fā)器的信號(hào)線、供電線與本地的信號(hào)、電源隔離。此時(shí)，電源隔離器、信號(hào)隔離器能避免電流在遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)間的流動(dòng)，即避免了環(huán)路電流。圖6給出了多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程通信下采用隔離型收發(fā)器的示意圖。除了第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都通過隔離器與總線相連。第一個(gè)非隔離收發(fā)器給總線提供了單端參考地。

圖6 遠(yuǎn)程通信下多節(jié)點(diǎn)隔離收發(fā)工作

本文采用了美國(guó)ADI公司開發(fā)的增強(qiáng)型RS485隔離收發(fā)器ADM2587。ADM2587在單個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)三通道隔離器、一個(gè)三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)差分輸入接收器和一個(gè)isoPower隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)和電源完全隔離。該器件同時(shí)具有限流和熱關(guān)斷特性，可防止發(fā)生輸出短路以及總線競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致功耗過大的情況。

3 軟件設(shè)計(jì)[9-10]

本文采用了單址查詢模式，主節(jié)點(diǎn)采取輪詢的方式對(duì)各從機(jī)進(jìn)行查詢，從節(jié)點(diǎn)收到命令并處理請(qǐng)求后，向主節(jié)點(diǎn)返回一串消息，即從機(jī)應(yīng)答。該模式中主節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)獨(dú)一無二的地址，從而可以被尋址到。

3.1 通信協(xié)議

通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)無差錯(cuò)的雙向傳輸，這里的基本通信單位是幀。一個(gè)完整的信息幀由連續(xù)的字節(jié)序列組成，有明確的開始和結(jié)束標(biāo)志。

本文所采用的幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 幀結(jié)構(gòu)

表1中包頭確定了一幀的開始；發(fā)方地址為發(fā)送信息一方的地址，當(dāng)主機(jī)查詢從機(jī)時(shí)，發(fā)方地址為主機(jī)地址，當(dāng)從機(jī)應(yīng)答主機(jī)反饋信息時(shí)，發(fā)方地址為從機(jī)地址；收方地址為接收信息一方的地址，當(dāng)主機(jī)查詢從機(jī)時(shí)，收方地址為從機(jī)地址，當(dāng)從機(jī)應(yīng)答主機(jī)反饋信息時(shí)，收方地址為主機(jī)地址；數(shù)據(jù)為收發(fā)雙方進(jìn)行交互的信息，包括命令數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)等；此外為了保證數(shù)據(jù)傳輸無差錯(cuò)，本文采用了CRC校驗(yàn)對(duì)傳輸?shù)男畔M(jìn)行校驗(yàn)。CRC校驗(yàn)碼由發(fā)送方生成，添加在幀尾，隨信息幀一同發(fā)送。當(dāng)接收方收到信息幀后，按同樣的算法進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)碼不同，則視為數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

3.2 軟件流程

本文采用微控制器對(duì)RS485收發(fā)器進(jìn)行控制，程序中采用中斷方式接收串口數(shù)據(jù)。當(dāng)從機(jī)接收到數(shù)據(jù)以后，首先將數(shù)據(jù)幀中的地址信息與本機(jī)地址進(jìn)行比對(duì)，如果地址匹配，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。如果校驗(yàn)正確，從機(jī)立即進(jìn)行反饋應(yīng)答；如果校驗(yàn)不正確，請(qǐng)求主機(jī)重新發(fā)送信息。圖7給出了從機(jī)節(jié)點(diǎn)的程序流程圖。

從機(jī)反饋給主機(jī)的信息包含拖曳發(fā)射陣內(nèi)各功率模塊的狀態(tài)信息，包括工作電壓、工作電流、保護(hù)標(biāo)志等。各從機(jī)對(duì)拖曳發(fā)射陣內(nèi)對(duì)應(yīng)功率模塊的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，當(dāng)確定需要對(duì)主機(jī)進(jìn)行反饋應(yīng)答時(shí)，從機(jī)將功率模塊的狀態(tài)信息反饋給主機(jī)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。然后通過上位機(jī)軟件將獲取的各功率模塊狀態(tài)信息顯示出來，從而能夠直觀地了解功率模塊的工作狀態(tài)。

圖7 從機(jī)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 結(jié)論

本文從硬件和軟件兩部分對(duì)拖曳發(fā)射陣內(nèi)通信總線的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。通過拖曳發(fā)射陣湖上和海上的性能實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了本文提出的RS485總線的可靠性和穩(wěn)健性。在實(shí)驗(yàn)過程中，主從機(jī)通信正常無誤碼，上位機(jī)軟件能實(shí)時(shí)顯示各功率模塊的狀態(tài)信息。由此可見，本文提出的RS485通信總線方案非常適用于拖曳發(fā)射陣監(jiān)控領(lǐng)域，當(dāng)然也可廣泛應(yīng)用于其他電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用領(lǐng)域。

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Design of communication bus for active towed transmitting array

WANG Xin-gan, DU Xuan-min, YIN Zi-yuan

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

Because of the harsh working conditions for active towed transmitting array, the transmitting power modules require high reliability. Therefore, the right communication bus is neededful to carry on the real-time monitoring to the power modules in transmitting array. This article presents a solution of communication bus for active towed transmitting array, which ensures that no transmission error happens in complex electromagnetic environment, and that the real-time monitoring to the working state of power modules is realized. Through the experiments on lake and sea, the feasibility and robustness of this solution is verified.

active towed transmitting array;power monitoring module; communication bus; RS485 internet

TN911.7

A

1000-3630(2017)-01-0023-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.01.005

2016-04-01;

2016-07-16

王鑫淦(1987－), 男, 江蘇南通人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。

王鑫淦, E-mail: jerry871217@163.com