基于CAN總線的水下航行器分布式控制系統的研究與設計*

呂志剛

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003)

?

基于CAN總線的水下航行器分布式控制系統的研究與設計*

呂志剛

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003)

論文將介紹一種應用于水下航行器的分布式控制系統的設計方法,該系統由中央控制單元、通訊部分和分布式控制器組成,具有連線簡單、擴充方便、通訊穩定可靠、控制實時性高等特點。并對分布式控制器的硬件電路設計和控制軟件作了闡述,該控制系統已應用于某大型水下航行器中,控制效果良好。

CAN總線; 分布式控制; dsPIC30F6014A; 水下航行器

Class Number TP273

1 引言

水下航行器控制系統是航行器信息處理和控制的主體,其設計好壞將決定航行器的整體行為和性能,航行器控制系統結構一般可分為三種類型[1]: 1) 集中控制方式:利用一臺微型計算機實現全部功能,這種方式具有結構簡單、經濟的特點,但處理能力有限,難以滿足高性能控制要求并且控制器風險高度集中。 2) 主從控制方式,用主從兩個CPU進行控制,主CPU擔當系統管理、航行器語言編程和人機接口功能;從CPU擔當各個子模塊的具體控制。 3) 分布式控制:普遍采用中央控制單元、子控制器二級分布式結構,中央控制單元負責整個系統管理以及運動學計算、控制算法、運動軌跡等,子控制器由多個CPU組成,每個CPU控制一個相應的執行機構,這些CPU和中央控制單元通過總線形式相聯系。這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高,是一種比較理想的航行器控制方式[9]。

2 控制系統結構

本控制系統采用分布式控制方式,因為在水下航行器控制系統中控制對象多而分散,若采用點對點的集中控制方式,控制模塊與被控對象之間就需要大量連接電纜,會導致航行器內部布線復雜且制造和安裝困難,并且存在故障隱患。分布式控制結構可以根據控制對象的位置來設計控制模塊,從而縮短了控制對象與控制模塊之間的距離。各模塊通過CAN(Controller Area Network)總線通信,該方式僅需要一根線作為通信線。此外,分布式系統結構還可以降低單板的靜態電流,增加單板的穩定性。本控制系統由中央控制單元模塊、通訊模塊和子控制器模塊組成[2],如圖1所示。

圖1 分布式控制系統簡圖

2.1 中央控制單元控制模塊

中央控制單元是控制系統的中樞,要求體積小,運算速度快,滿足實時控制的要求,通常采用高性能工業控制計算機。中央控制單元主要負責與各分布式控制器進行通信,并根據這些控制器反饋的狀態實現相應的控制策略,然后將控制命令通過CAN總線發送給相應的子模塊。主控制模塊的微控制器采用了可靠性高、抗干擾能力強的專用通信芯片SJ1000,其內部集成了CAN控制器,控制程序流程如圖2所示。

圖2 控制程序流程圖

2.2 通訊模塊

航行器的分布式控制系統中,對通信方式的選擇至關重要,中央控制單元和各節點控制器間的通信既要滿足硬件連接簡單,擴充方便,又要滿足通信的高可靠性和實時性。本設計采用CAN總線作為通信標準,CAN總線是一種有效支持分布式和實時控制的串行通訊網絡,與一般的通信網絡相比具有可靠性高、實時性和靈活性好的優點,非常適合作為航行器控制系統中的通信方式。

在控制系統中,中央控制單元通過PC104板中集成的CAN通信接口連接到CAN網絡,在中央控制單元中調用PC104主板卡提供的CAN模塊驅動涵數,來實現CAN通信的管理和監控。CAN網絡各設備間通過雙絞線連接,因為雙絞線的特性阻抗為120Ω,為了增強CAN通信的可靠性和抗干擾性,在CAN網絡的兩個端點加入120Ω的抑制反射的終端匹配電阻[7～8]。

圖3 CAN通信原理圖

2.3 子控制器模塊

子控制器模塊是整個控制系統的底層,與各節點驅動電機集成在一起,實際上是一個單獨的功能控制和驅動模塊,主要用來控制各個節點功能的具體執行過程,子控制器接收中央控制單元的控制命令,對各個節點的功能進行控制,同時把底層的信息反饋給中央控制單元,便于中央控制單元協調規劃,統一管理。所有的子控制器的通信模塊和微處理器在硬件上完全相同,根據各節點的功能控制差異,內部下載的軟件程序有所不同。各個子控制器是整個控制系統的核心,它的性能好壞直接關系到水下航行器的整體性能。

3 控制器硬件系統設計

控制器硬件系統結構可分為主處理器單元、電源及電源隔離電路、CAN通信接口電路、檢測電路、驅動電路等模塊,具體電路形式如圖4所示。

圖4 控制系統硬件電路

3.1 主控制器芯片

本設計核心控制芯片采用了微芯公司的dsPIC30F6014A單片機,該芯片混合了高速運算能力和MCU高性能控制特性于一體,提供了許多外設,包括16位比較/PWM輸出功能、數據轉換接口(DCI)、UART模塊、兩個CAN總線模塊、3線SPI模塊、16位捕捉輸入功能、12位模數轉換器等見圖5所示[5],因此非常適合于對實現航行器各功能進行數字控制。

圖5 主控制器功能組成模塊

3.2 CAN接口電路

dsPIC30F6014A芯片內集成了CAN控制器,要完成數據幀的收發還需要外加CAN驅動芯片,本設計采用微芯公司的MCP2551作為CAN驅動器[10]。為了增強抗外部干擾,在dsPIC30F6014A的CTX和CRX引腳與CAN驅動器之間加兩個高速光電耦合器6N137[6]。

引腳編號引腳名稱引腳功能1TXD發送器數據輸入2VSS接地3VDD提供電壓4RXD接收器數據輸出5VREF參考輸出電壓6CANLCAN低電壓I/O7CANHCAN高電壓I/O8Rs斜率控制輸入

圖6 MCP2551封裝類型和引腳信息

3.3 電源隔離電路

本系統設計中電源的隔離采用小功率電源模塊(DC/DC)和濾波芯(BNX002)片來實現,如圖7所示。

圖7 電源隔離電路

4 控制系統軟件設計

系統中各個ECU通過CAN總線發送接收命令,實現與中央控制單元通信,從而實現相應的功能和狀態的反饋,軟件的設計是基于MPLAB_C30軟件編寫的,程序主要由CAN初始化、發送數據和接收數據三部分組成,如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

5 結語

本文設計的系統采用分布式控制,采用CAN總線作為通信方式通信,和過去航行器控制中常用的RS232、RS485總線相比具有通訊穩定可靠、實時性高等優點,且結構簡單、成本低。在分布式控制器中選用了dsPIC30F6014A作為控制芯片,既能方便地利用豐富的外圍模塊實現控制功能,又能以較快的運算速度實現較復雜的數據處理,克服了過去集中式控制系統中的中央控制單元任務集中、任務多等缺點。該控制系統即插即用,功能擴展和故障處理方便、連線簡單;并且縮短了模擬信號的傳輸距離,有效地該善了抗干擾能力。

[1] 范永,譚民.機器人控制器的現狀及展望[J].機器人,1999,21(1):75-80.

[2] 劉華,程莉,等.機器人控制器與被控機器人的通訊方法研究[J].機器人技術與應用,2002(4):34-37.

[3] 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1996.

[4] 楊飛,鄭貴林.基于CAN總線的監控系統設計[J].微計算機信息,2005,21(7):34-36.

[5] 芯片公司.dsPIC30F6014A數據手冊[M].錢德勒:芯片公司,2006.

[6] 芯片公司.MCP2551 CAN高速接收器數據手冊[M].錢德勒:芯片公司,2006.

[7] Sanfridson M.分散式實時計算機控制系統的時間問題[R].斯德哥爾摩:機械設計皇家技術學院機電一體化實驗部技術報告,2000.

[8] Shi G Y.用于典型Iob-shop排定問題的遺傳算法[J].系統科學國際期刊,1997(1):25-32.

[9] Eker J, Hagander P, Arzen K E.實時控制任務反饋調度器[J].控制工程實踐,2008(12):1369-1378.

[10] 楊潔.CAN總線在移動機器人中的應用研究[D].西安:西安科技學院,2002.

Research and Design of Distributes Control System of the Underwater Vehicles Based on CAN-bus

LV Zhigang

(No. 710 Research Institute, CSIC, Yichang 443003)

This paper describes the design of a distributes control system method used in marine vehicles, This system consists of the center control unit(CCU), communications component and distributes controller, which have simple connection, the expansion of convenient, reliable communications and real-time high’s control characteristics. Besides distributes controller’s hardware circuit and control software are described, The control system has been applied to a large marine vehicles, which has good control effect.

CAN-bus, distributes control system, dsPIC30F6014A, underwater vehicles

2014年10月2日,

2014年11月18日

呂志剛,男,碩士,工程師,研究方向:水中兵器學。

TP273

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.039