無人水下航行器控制系統(tǒng)CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與測試＊

徐 襲 石 敏

（1.91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022）（2.水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湛江 524022）

1 引言

無人水下航行器UUV（Unmanned Underwater Vehicle）控制系統(tǒng)采用控制局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）為系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)UUV精準(zhǔn)、高效地運(yùn)動控制，能較好模擬水下運(yùn)動物體的目標(biāo)特征。在UUV水下運(yùn)動目標(biāo)模擬中，隨著特征模擬復(fù)雜度的不斷提高，需增加多種特征模擬設(shè)備，以使其模擬相似度更高。增加如噪聲、振動等特征模擬設(shè)備，某些只具備簡單的RS485（232）等串口通信控制接口，接入UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)不便，無法準(zhǔn)確的匹配整個系統(tǒng)的運(yùn)行模擬，影響了模擬水下運(yùn)動物體特征的準(zhǔn)確性，因此需解決部分設(shè)備的CAN網(wǎng)絡(luò)接口問題。本文在UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，采用CAN總線協(xié)議控制芯片SJA1000，利用STC89單片機(jī)，設(shè)計(jì)了CAN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了特征模擬設(shè)備的CAN網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，有利于提高UUV模擬水下運(yùn)動目標(biāo)特征的準(zhǔn)確性。

2 CAN原理

CAN即控制器局域網(wǎng)，最早由德國BOSCH公司提出，目前已形成國際標(biāo)準(zhǔn)，其主要特點(diǎn)如下［1～2］：

1）通信方式靈活。為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從；

2）采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，節(jié)省總線沖突仲裁時間，不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況；

3）CAN直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（傳輸速率5Kb／s以下），通信速率最高可達(dá)1Mb／s；

4）節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)110個，報文標(biāo)識符可達(dá)2032種，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的報文標(biāo)識符幾乎不受限制；

5）通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

由于大多數(shù)特征模擬設(shè)備具備RS485（232）接口，結(jié)合UUV控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)需求，提高設(shè)備與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，需實(shí)現(xiàn)RS485（232）到CAN總線的傳輸轉(zhuǎn)換功能。

3 系統(tǒng)功能

某UUV控制系統(tǒng)用CAN實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制，需增加特征模擬設(shè)備接入該網(wǎng)絡(luò)提高模擬逼真度。本文設(shè)計(jì)的CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)可將具備RS485（232）接口的設(shè)備直接轉(zhuǎn)化為CAN網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備CAN網(wǎng)絡(luò)連接，易于UUV控制系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)對該設(shè)備的控制，設(shè)備也可接收并處理CAN網(wǎng)絡(luò)傳遞的指令，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備內(nèi)控［3～4］。

圖1 CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)在UUV控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

該轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)RS485（RS232）到CAN總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換。可實(shí)現(xiàn)單個RS485（RS232）端口到單個CAN端口的轉(zhuǎn)換；CAN實(shí)現(xiàn)CAN2.0B協(xié)議；CAN速率可達(dá)500Kb／s；RS485速率可達(dá)9.6Kb／s，具備較強(qiáng)抗干擾能力，CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)在UUV控制系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

UUV控制系統(tǒng)CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功能，其本質(zhì)就是一個網(wǎng)關(guān)的功能，實(shí)現(xiàn)不同傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。本文CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，以CAN協(xié)議控制器SJA1000、單片機(jī)STC89S58和MAX485（232）接口芯片為主，可快速便捷地構(gòu)成UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。

4.1 硬件部分

UUV控制系統(tǒng)CAN轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)現(xiàn)方式有多種，市場上目前有兩類器件可實(shí)現(xiàn)CAN總線至串口轉(zhuǎn)換功能：一類是兼容性控制器，即微處理和CAN協(xié)議控制功能相結(jié)合，具備串口通信接口，如某些型號DSP、ARM芯片；另一類是獨(dú)立CAN控制器和獨(dú)立串口通信芯片［5］。本文采用第二類，使用獨(dú)立CAN控制器可方便靈活選擇處理器，組成多樣化系統(tǒng)［6～8］。硬件組成示意圖如圖2所示：

圖2 CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1）CAN接口模塊：該模塊含總線控制器和收發(fā)器兩部分。CAN總線控制器SJA1000是NXP公司研制和推出的CAN通信控制器，輔助有接口管理邏輯、緩沖發(fā)送、FIFO接收端口、濾波器等，PCA82C250作為收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口；

2）處理控制模塊：要實(shí)現(xiàn)對CAN協(xié)議信息的管理，須選擇合適微處理芯片，STC89S58芯片可實(shí)現(xiàn)對CAN協(xié)議芯片SJA1000的控制與管理。SJA1000的AD0～AD7與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，P2.7引腳作為SJA1000的片選使能端，由ALE，WR，RD控制SJA1000的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；

3）串行通信接口模塊：該模塊采用 MAX485（232）芯片作為收發(fā)器，滿足RS485（232）串行協(xié)議的要求，符合RS485（232）串行協(xié)議電氣規(guī)范。為提高可靠性，在單片機(jī)與RS485（232）之間增加光耦隔離，消除干擾和雜波；

4）抗干擾措施：高速光耦6N137可提高節(jié)點(diǎn)抗干擾能力，CANH和CANL與地之間并聯(lián)小電容，可濾除總線上高頻干擾。

節(jié)點(diǎn)硬件電路部分原理圖如圖3所示。

圖3 CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)電路原理圖（局部）

4.2 軟件部分

CAN接口器件實(shí)現(xiàn)了其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，應(yīng)用層功能則需編制應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。單片機(jī)程序編制采用Keil uVision2，使用C語言進(jìn)行節(jié)點(diǎn)功能的程序編寫、編譯和調(diào)試。其運(yùn)行程序通過調(diào)用驅(qū)動程序提供的接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。該驅(qū)動程序含：CAN控制器初始化、報文發(fā)送、報文接收及出錯處理程序等。程序處理流程如圖4所示。RS485（232）串口通信程序的編寫直接調(diào)用對應(yīng)接口程序即可。

按照該程序控制流程，轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的微處理器將從串行接口獲得的信息數(shù)據(jù)，添加發(fā)送標(biāo)識，發(fā)送到緩沖區(qū)，然后通過指令對寄存器發(fā)送傳輸請求，啟動 CAN的模塊自行將發(fā)送緩沖中的數(shù)據(jù)讀取出來，并且按照CAN的協(xié)議編寫成符合CAN的信息，同時通過接收其發(fā)往總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)送，反之亦然［9］。

4.3 節(jié)點(diǎn)測試

該轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，需驗(yàn)證其實(shí)際可用性與可靠性，采用相應(yīng)的裝置可完成對所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的測試，以驗(yàn)證其性能［10～11］。

1）測試方案

采用RS485（232）協(xié)議轉(zhuǎn)換器，RS485（232）控制軟件、測試計(jì)算機(jī)，USBCAN II，CANoe測試軟硬件等構(gòu)成節(jié)點(diǎn)軟硬件測試平臺，測試平臺構(gòu)成如圖5所示。

圖4 CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)軟件CAN驅(qū)動流程圖

圖5 CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)測試平臺示意圖

2）測試方法

（1）使用串口通信軟件控制USB－RS485（232）設(shè)備發(fā)送串口數(shù)據(jù)，利用USBCAN進(jìn)行觀測，確定該轉(zhuǎn)換發(fā)送功能是否正常；

（2）使用ZLGTEST軟件控制 USBCAN II設(shè)備發(fā)送CAN網(wǎng)絡(luò)信息，利用串口通信控制軟件觀測，確定該轉(zhuǎn)換接收功能是否正常；

（3）使用多個節(jié)點(diǎn)，且同時采用上述兩方式測試，檢查CAN網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)工作是否正常；

（4）將特征模擬設(shè)備連接鉆換節(jié)點(diǎn)，組成CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與設(shè)備控制測試，驗(yàn)證其組網(wǎng)狀態(tài)下工作的可靠性；

（5）結(jié)合CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量大小，利用測試分析軟件CANoe進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸時效性測試，確定滿足UUV控制網(wǎng)絡(luò)CAN的需求。

以上測試方法與步驟，應(yīng)對各設(shè)備CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)及串行通信參數(shù)設(shè)置正確，確保測試有效。

3）測試結(jié)果［14］

使用節(jié)點(diǎn)測試平臺測試所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)，通過獨(dú)立驗(yàn)證部分傳輸功能及聯(lián)合測試節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸效能，該節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求，可應(yīng)用于UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)換接入，組網(wǎng)性能測試與數(shù)據(jù)幀分析軟件CANoe界面如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析窗口

5 結(jié)語

UUV模擬水下運(yùn)動物體目標(biāo)特性，需增加部分重要模擬設(shè)備，以提高其目標(biāo)模擬性能。為解決設(shè)備與UUV系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)互連問題，本文采用CAN協(xié)議芯片SJA1000與單片機(jī)為主要硬件，利用C語言編制驅(qū)動程序，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了RS485（232）與CAN轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了節(jié)點(diǎn)測試平臺，并對設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了測試驗(yàn)證，測試表明轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)滿足UUV控制系統(tǒng)CAN要求，可對非CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入該網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)UUV模擬水下運(yùn)動物體特征的準(zhǔn)確性提供支持。

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