基于CANopen協議的雷達故障診斷系統設計

楊亞波，喬大雷

(1.91404部隊，河北 秦皇島 066001；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

基于CANopen協議的雷達故障診斷系統設計

楊亞波1，喬大雷2

(1.91404部隊，河北 秦皇島 066001；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

現代雷達系統的發展對雷達故障檢測提出了新的要求。在深入研究CANopen協議棧的基礎上，設計并實現了一個基于CANopen協議的雷達故障診斷系統，給出了該故障診斷系統的主站、從站硬件設計方案和主要軟件設計思路，以及故障診斷過程中智能專家系統的實現方法。

CANopen；雷達故障診斷；CanFestival；專家系統

0 引 言

隨著電子技術的迅猛發展，現代雷達的總體架構和各分機的設計及實現也愈加精細和復雜[1]，對雷達的可靠性也提出了更高的挑戰。因此，實時監測雷達整機的工作狀態以及快速定位和排除故障已成為保證雷達可靠、穩定工作的重要條件。雷達故障診斷系統可以在線對雷達的工作狀態、故障檢測點進行實時監測和故障診斷。目前，一般的雷達故障診斷系統采用CAN總線或以太網絡作為底層傳輸通道，而應用層協議自行編程的實現缺乏統一的標準，難以滿足現代雷達系統對故障診斷自身的實時性、可靠性，特別是可擴展性的需求。

針對以上問題，本文在對雷達故障診斷系統的研究和設計過程中引入了CANopen高層協議，并給出了該故障診斷系統的總體設計思路和具體的軟硬件實現方法。

1 雷達故障診斷系統體系結構

1.1 系統總體架構

本文設計的雷達故障診斷系統由CANopen從站節點、主站節點和雷達顯控臺人機界面組成，總體結構如圖1所示。圖中，CANopen從站作為故障檢測板負責雷達整機、各分系統以及有源T/R組件的工作狀態和運行參數的采集，CANopen主站完成故障推理和決策等智能診斷功能，最終的故障診斷結果在雷達顯控臺人機界面上完成圖形化顯示。

圖1 故障診斷系統總體架構圖

1.2 基于CANopen的網絡通信技術分析

CANopen協議是CiA(CAN in Automation)協會在CAN總線的物理層、數據鏈路層基礎上定義的應用層規范，其與標準OSI參考模型的對應關系如圖2所示。CANopen協議充分利用了面向對象的思想[2]，其核心是利用對象字典對控制節點功能進行標準化，并通過多種通信方式來實現控制網絡的實時數據交互。作為一種開放的CAN總線應用層協議，CANopen協議允許在不同廠商的CANopen設備間以統一的方式進行通信，增強了不同設備之間的互操作性，并可以持續進行擴展。

圖2 CANopen與OSI對應關系

CANopen在協議的應用層詳細描述了4種不同類型的通信對象(COB)，分別是：

(1) 過程數據對象(PDO消息)，最大傳輸8字節數據，網絡負載較輕，具有較好的實時性；

(2) 服務數據對象(包括SDO服務器消息和SDO客戶端)，實現對其他CANopen設備對象字典的讀寫操作；

(3) 網絡管理對象，用來控制NMT(Network Management)狀態機和監測設備(包括心跳、啟動報文等)；

(4) 預定義對象(包括時間、同步和緊急報文等)。

2 關鍵技術和實現方法

2.1 CANopen從站節點設計

CANopen從站硬件上選用Atmel公司ARM7架構的微控制器AT91SAM7X256 作為主控芯片，并在其上移植嵌入式實時操作系統μCOS-II以及CanFestival開源協議棧的CANopen從站功能。

2.1.1 CAN硬件電路設計

AT91SAM7X256 內置CAN控制器，可以自動處理CAN 總線的數據鏈路層和部分物理層，為微控制器提供了完整的關于CAN協議中 Part A和Part B的功能，故只需采用高速TJA1050收發器作為AT91SAM7X256的 CAN控制器和屏蔽雙絞線之間的接口[3]。為避免信號反射在CAN_H和CAN_L兩端分別加上60 Ω電阻然后通過47 nF電容接地。將AT91SAM7X256的CANTX和CANRX分別通過高速光耦6N137光隔后與TJA1050相連，其中6N137的電源VCC和VCAN由一個5 V隔離DC/DC電源實現完全隔離。

圖3 CANopen底層通信接口

2.1.2 μCOS-II下CANopen協議棧

AT91SAM7X256上移植的μCOS-II是一個搶占式的實時多任務操作系統，具有開放源代碼、可固化、可裁剪、高穩定和高可靠性等特點。本文選用的CanFestival 是一個具備完整功能的CANopen 開源協議棧[4]，能在微控制器上實現主站和從站功能。CanFestival協議棧使用標準的C語言編寫，完全支持CANopen 的CiA 301規范，具有良好的可移植性。

CanFestival協議棧在底層提供了對AT91SAM7X256的支持，./drivers/AT91文件夾下的can_AT91.c和timer_AT91.c可以直接使用。為最大限度地提高系統的實時性，本文在實現時將can_AT91.c中的FIFO處理的CAN數據改為DMA方式接收和發送，并屏蔽掉CAN報文濾波功能，定義報文標識號區分不同類型的報文。μCOS-II和CanFestival在正常工作時均需使用硬件定時器作為各自的時鐘節拍。為避免混亂，本文采用AT91SAM7X256的周期間隔定時器(PIT)和1個16位定時計數器產生的定時中斷輸出作為μCOS-II和CanFestival的時鐘節拍。μCOS-II操作系統上的CanFestival軟件整體結構如圖4所示。μCOS-II通過動態調用CAN底層驅動程序和CanFestival庫文件實現對整個CANopen協議棧功能的嵌入。

2.1.3 CANopen對象字典設計

CANopen網絡中每個設備都有一個對象字典(Object Dictionary，OD)，定義為一個有序的對象組[2]。對象字典利用對象來描述對象設備的全部功能，通過其可以對設備所有的數據、配置參數和功能等進行訪問。對象字典中的對象采用一個已知的16位索引值進行尋址。對象可以是變量、數組或結構，其中數組或結構中的單個元素又可以通過8位的子索引進行訪問[4]。CanFestival協議棧中對象字典的主索引結構體定義如下：

typedef struct td_indextable

{

subindex* pSubindex;

UINT8 bSubCount;

UINT16 index;

} indextable;

其中子索引的結構體定義如下：

typedef struct td_subindex

{

UINT8 bAccessType;

UINT8 bDataType;

UINT32 size;

void* pObject;

} subindex;

本文在CANopen從站的對象字典設計過程中使用./objdictgen目錄下的ObjdictEdit可視化編輯工具進行設置，將最終生成的.c文件導入即可。此外，CANopen從站還接收和使用主站發送過來的SDO對其對象字典進行配置。

2.2 CANopen主站節點設計

CANopen主站基于標準VPX架構的PowerPC主機板開發。該主機板CPU為飛思卡爾的雙核處理器MPC8640D。在該平臺在VxWorks 6.8實時操作系統下移植了開源的嵌入式實時數據庫SQLite以及CanFestival協議棧的CANopen主站功能，并完成基于專家系統的故障診斷算法和人機界面軟件的實現。CANopen主站上的CAN底層通信接口設計、對象字典設計和CanFestival協議棧在VxWorks下的移植過程等與從站類似。

2.2.1 VxWorks下嵌入式SQLite數據庫

SQLite作為一個面向嵌入式系統的輕量級數據庫，使用時直接嵌入到使用它的應用程序中。它與應用程序共用同一個進程空間，而不是各自獨立的進程，但在進程內部SQLite是完整且自包含的數據庫引擎[5]。

SQLite數據庫在設計過程中已充分考慮了可移植性，目前已支持Windows、Mac OS X 和Linux等操作系統。將SQLite移植到VxWorks 6.8實時操作系統的過程中參照SQLite源代碼中已有Linux平臺下的配置代碼完成，在生成庫代碼libsqlite時作如下配置： “DEFINES:-DOS_VXWORKS=1-D_HAVE_SQLITE_CONFIG_H-DSQLITE_THREADSAFE=1”，其中預處理宏“OS_VXWORKS =1”指定使用VxWorks操作系統，“_HAVE_SQLITE_CONFIG_H”指定使用配置文件“config.h”，“DSQLITE_THREADSAFE=1”定義允許互斥，確保SQLite達到線程安全。同時在config.h頭文件中做如下定義：

(1) #include

(2) #include

(3) #define HAVE_UTIME /* 使用utime函數 */

(4) #define SQLITE_OMIT_LOAD_EXTENSION 1 /* 無需動態庫支持 */

(5) #define SQLITE_4_BYTE_ALIGNED_MALLOC 1 /* 內存4字節對齊 */

(6) #define SQLIT_HOMEGROWN_RECURSIVE_MUTEX 1 /* 不使用POSIX互斥信號量遞歸接口 */

2.2.2 CANopen網絡管理系統

CANopen主站除了具備從站的基本功能外還具備網絡管理系統(NMT)主機的功能[2]。NMT主要完成網絡的啟動和設備的監控，在CANopen網絡中只允許有一個活動的NMT主站作為整個網絡的管理控制中心。通常CANopen從站的狀態轉換是受主站控制的，必要時也可由其內部事件觸發。每個CANopen從站設備都內置一個有限狀態機，共有初始化(Initializing)、預操作(Preoperational)、操作(Operational)和停止(Stopped)4種狀態。NMT的所有狀態及狀態間轉換關系如圖5所示。

圖5 NMT運行狀態圖

故障診斷系統充分利用NMT中CANopen網絡節點狀態的自監測功能來實現對CANopen從站(故障檢測板)自身狀態的監控：從站節點在上電初始化后向主站節點發送“boot-up”信息，自動完成網絡的構建；CANopen主站節點通過心跳信息(從站廣播的心跳報文格式：COB-ID+NODE-ID+1位“Status”碼)來監測從站節點的狀態，及時發現系統中通訊異常的CANopen從站節點。

2.2.3 基于專家系統的故障診斷實現

本文設計的雷達故障診斷系統采用理論上相對成熟的專家系統來實現故障診斷過程的智能化[6]，在實現過程中引入機器學習機制。故障診斷軟件框架如圖6所示。對專家系統中的知識庫、推理機制和數據庫進行了具體實現：

(1) 將雷達裝備研制廠所的專家知識和艦員、維修人員的維修經驗統一編為知識庫(包括數據、事實、規則等)，并建立“雷達整機-分系統-板卡-電路模塊”的故障診斷樹模型；

(2) 采用正向推理機制，即由事實向結論方向進行推理的方法。具體設計時按照規則由故障診斷樹模型的根節點遞歸查詢滿足條件的葉子節點(結論)；

(3) 故障診斷過程中采集的故障監測點數據、推理過程中產生的中間數據以及相應的結論均存放在SQLite實時數據庫內。

圖6 基于專家系統的故障診斷軟件框架

故障診斷軟件在故障決策與故障推理、知識庫的交互中引入了機器學習機制，采用神經網絡-模糊推理技術對已有的知識庫作為先驗信息進行監督學習，通過建立的人工神經網絡模糊決策模型(ANNFDM)完成故障診斷過程中的故障預測和分類，使得診斷的準確率和效率有了顯著的提高。

3 運行界面與性能分析

雷達故障診斷系統的診斷結果在海軍標準顯控臺人機界面上顯示。人機顯示界面軟件采用VC++.NET 2008進行設計，運行界面如圖7所示。由于CAN總線驅動能力的限制，如應用于對有源T/R組件進行監測和故障診斷時，要求從站節點數大于127個，只需增加CAN中繼器以增加CAN總線的驅動能力即可。

圖7 雷達故障診斷系統運行界面

4 結束語

現代雷達系統的發展，要求系統內多部雷達設備的顯示控制軟硬件的設計和實現具有構件化和集成化等特點。為應對這一趨勢，本文充分利用CANopen協議的實時性好、互操作性強、開放性高等特點，設計了一個基于CANopen協議的雷達故障診斷系統。實際測試表明，該故障診斷系統設計不僅具備良好的通訊兼容性和診斷智能性，還具備較好的實時性、可靠性和可擴展性。

[1] 丁鷺飛.雷達原理[M]. 4版.北京：電子工業出版社，2009.

[2] Holger Zeltwanger.現場總線CANopen設計與應用[M]. 周立功，黃曉清，嚴寒亮譯.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3] XIA Shi-xiong，QIAO Da-lei，CHEN Dai. A New Design and Implementation of an Attendance Checking Node for Coal Mines[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2007,17( 2).

[4] Edouard TISSERANT，Laurent BESSARD. The CanFestival CANopen stack manual[EB-OL]. [2013-12-08]. http://www.canfestiva1.org.

[5] Mike Owens,Grant Allen. The Definitive Guide to SQLite[M]. 2nd edition. New York: Apress，2010.

[6] 龐斌.雷達故障診斷專家系統的設計和實現[D].吉林大學，2013.12.

Design of a radar failure diagnosis system based on CANopen protocol

YANG Ya-bo1, QIAO Da-lei2

(1.Unit 91404 of the Chinese PLA, Qinhuangdao 066001, China;2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

With the development of modern radar systems, the new requirement is proposed in terms of radar fault detection. Based on the in-depth study on the CANopen protocol stack, a radar failure diagnosis system is designed and realized based on the CANopen protocol. The hardware scheme and the design idea of the software of the master and slave nodes are introduced. The implementation of the intelligent expert system is also discussed in the process of failure diagnosis.

CANopen; radar failure diagnosis; CanFestival; expert system

2014-04-15；

2014-05-10

楊亞波(1982-)，男，助理工程師，研究方向：雷達工程和雷達數據處理；喬大雷(1980-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達數據處理。

TN956

A

1009-0401(2014)02-0066-05