CAN總線在T/R組件故障檢測系統(tǒng)中的應用

洪 暢，王志剛，朱慶彬，曹 陽

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代雷達的總體架構(gòu)和各分機的設計及實現(xiàn)也愈加精細和復雜[1]，雷達系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。有源相控陣雷達系統(tǒng)復雜度高。作為相控陣雷達的基本構(gòu)造單元，T/R組件同時具有組件數(shù)量多、監(jiān)測指標多、維修困難等特點。目前，一般雷達系統(tǒng)中對T/R組件的故障檢測大多采用底層為以太網(wǎng)的通信方式。采取以太網(wǎng)的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)傳輸速度快、實時性好，但需要在雷達系統(tǒng)中增加交換機等網(wǎng)絡設備，而且一旦集中式交換機受損，整個系統(tǒng)中設備監(jiān)控將受到嚴重影響。針對雷達系統(tǒng)中少則幾十個、多則數(shù)千個的T/R組件，如果都采取以太網(wǎng)的方式將會帶來系統(tǒng)通信故障的風險，并會影響到雷達其他分系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信。CAN總線是一種現(xiàn)場總線，能夠有效地支持分布式通信和實時控制，具有可連接設備多、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點。同時，CAN總線通信鏈路連接簡單，無需額外的設備支持。因此，本文提出了一種基于CAN總線的T/R組件故障檢測系統(tǒng)，通過CAN總線技術(shù)將多個T/R組件構(gòu)成一個通信分系統(tǒng)，其中采用一個主節(jié)點輪詢其他分節(jié)點的方式獲取T/R組件的狀態(tài)指標，系統(tǒng)中主節(jié)點和上位機顯控臺通信。這樣就將眾多的組件狀態(tài)報文和雷達其他網(wǎng)絡報文隔離開來，既降低了系統(tǒng)的復雜度和成本又具有良好的可靠性。[2-4]

1 基于CAN總線的T/R組件故障檢測方法設計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設計的T/R組件故障檢測系統(tǒng)主要對有源T/R組件的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測。當組件工作發(fā)生故障時組件立即采取保護措施，系統(tǒng)迅速收集故障信息和狀態(tài)指標發(fā)送給顯控臺。系統(tǒng)中T/R組件作為從節(jié)點通過內(nèi)部ADC實時采集工作狀態(tài)指標，發(fā)生故障時內(nèi)部軟件系統(tǒng)將及時采取保護措施，確保組件工作安全。因此，檢主節(jié)點通過CAN與各個T/R組件通信，完成控制命令的下發(fā)和狀態(tài)指標的收集，最后匯總所有組件的狀態(tài)信息進行故障診斷。通過以太網(wǎng)將故障診斷結(jié)果和狀態(tài)指標發(fā)送給雷達顯控臺，最終在人機交互界面上顯示出來。

由于系統(tǒng)中各個節(jié)點共用一條CAN總線，總線受損將會導致整個CAN通信分系統(tǒng)喪失通信能力，因此系統(tǒng)中采用冗余設計的方式，采用完整的兩條CAN總線、兩個獨立的CAN驅(qū)動器和控制器，當其中一條總線發(fā)生故障時系統(tǒng)的通信不受影響。由于T/R組件數(shù)量多，監(jiān)測指標多，導致通信數(shù)據(jù)量比較大，因此軟件上采取主節(jié)點依次輪詢從節(jié)點的方式，規(guī)避了通信堵塞的風險，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。

1.2 硬件設計

在實際項目中，選用TI公司生產(chǎn)的TM4C129NCPDT芯片作為T/R組件和故檢主節(jié)點的ARM主控芯片。該芯片內(nèi)部集成了GPIO、UART、ADC、I2C、CAN、以太網(wǎng)等外設接口。在控制監(jiān)測電路中，GPIO模塊可以完成開關控制、讀取高低電平等工作；ADC模塊具有12位的轉(zhuǎn)換精度，可以對模擬源或內(nèi)部溫度傳感器進行快速采樣；I2C模塊完成對鐵電存儲器的讀寫操作；芯片內(nèi)部集成了兩個CAN控制器模塊，可自動處理CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路。以太網(wǎng)接口遵循IEEE 802.3規(guī)范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX標準，故檢主節(jié)點和顯控臺的通信采用以太網(wǎng)實現(xiàn)。外圍電路中CAN收發(fā)器選用SN65HVD1050D芯片。該芯片為CAN控制器和物理總線之間提供了一個接口，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為總線上的差分電平。

1.3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計涉及兩種模塊的軟件編程，一是對T/R組件編寫故障采集、檢測、傳輸和保護程序，二是對故檢模塊主節(jié)點編寫故障診斷、CAN數(shù)據(jù)接收以及網(wǎng)絡處理程序。軟件流程圖如圖2所示。

(1) T/R組件中ARM首先完成自檢和初始化后，通過GPIO讀取外部地址指示信號形成各自的設備ID。

(2) 對T/R組件的脈沖電流/電壓、反射功率、激勵功率、輸出功率和溫度等工作狀態(tài)指標模擬量進行AD轉(zhuǎn)換，打包形成組件的工作狀態(tài)信息。

(3) 對監(jiān)測指標設定合適的門限值，連續(xù)超出門限3次判定為有故障，點亮故障燈并采取保護措施，鎖存故障時的指標數(shù)據(jù)，此時組件的數(shù)據(jù)參量被鎖定，不再更新。

(4) 當接收到CAN輪詢報文后將該組件的狀態(tài)報文發(fā)送到CAN總線上。故檢模塊中的ARM在完成自檢和初始化后啟動一個定時器，每隔固定周期發(fā)送輪詢報文到CAN總線上；當主節(jié)點收到T/R組件反饋回來的故障和狀態(tài)報文后，按照組件設備ID進行排序，最后存儲到數(shù)據(jù)緩沖器中，最終將數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給上位機顯控臺。

2 工程應用

該系統(tǒng)應用于某雷達T/R組件故障檢測。系統(tǒng)中CAN總線波特率為1 Mbps，組件數(shù)量為16個，設置主節(jié)點定時器周期為100 ms，輪詢一次時間約1.6 s，滿足系統(tǒng)設計指標要求。系統(tǒng)中CAN總線還可以完成對組件的控制，如開關電、頻率變換、門限值更改、模式切換等。與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信方式相比，CAN總線布線簡單，僅需要兩條總線，采用差分傳輸，抗干擾能力較強，同時又減少了額外的網(wǎng)絡設備資源，更有利于系統(tǒng)擴容，在更大規(guī)模的應用場景中具有較大優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

T/R組件的工作狀態(tài)對于雷達的性能至關重要。關于雷達各分機以及T/R組件的故障檢測新技術(shù)正在深入研究。將CAN總線應用到有源相控陣雷達T/R組件的故障檢測中，降低了系統(tǒng)復雜度，減小了體積和成本。本設計已經(jīng)在工程應用中取得了預期的結(jié)果，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，在其他領域也具有良好的應用前景。