網(wǎng)絡(luò)化車鐘通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李麗華

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

網(wǎng)絡(luò)化車鐘通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李麗華

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

文章闡述了網(wǎng)絡(luò)化車鐘通信硬件控制設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)化組成以及通訊協(xié)議的編制，著重介紹了所設(shè)計(jì)的控制電路以及軟件通訊規(guī)約。其中的關(guān)鍵技術(shù)是車鐘通信系統(tǒng)的CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)。

CAN車鐘通信

0　引言

目前國(guó)內(nèi)車鐘一般采用模擬方式或開關(guān)量式通訊，模擬式車鐘是利用電位器產(chǎn)生連續(xù)電流或連續(xù)電壓信號(hào)傳令，由于模擬器件參數(shù)的離散性以及傳輸過程中的信號(hào)被干擾，容易造成信息的誤差，從而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)的可靠性；開關(guān)量式通訊時(shí)用按鍵開關(guān)傳令，發(fā)送車位信息為整檔位車令，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但需要較多開關(guān)量信號(hào)且只能“一線對(duì)一點(diǎn)”，不利于擴(kuò)展，通用性很差。

網(wǎng)絡(luò)化車鐘通信采用CAN總線協(xié)議完成各個(gè)艙位車鐘模塊之間的通訊，只用一對(duì)雙絞線即可完成所有通訊，所有網(wǎng)絡(luò)車鐘節(jié)點(diǎn)都可同時(shí)接收，且可根據(jù)系統(tǒng)需要增減模塊而無須改動(dòng)。同時(shí)其抗干擾性能大大提高。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

較大型船舶的推進(jìn)系統(tǒng)操作地點(diǎn)多、操作方式多，一般需要多個(gè)車鐘節(jié)點(diǎn)的信息互通以及必需的人機(jī)交互功能，因此它們各自有本地的通訊收發(fā)、鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示以及操作方式指示和蜂鳴器報(bào)警等功能。

每個(gè)車鐘分別作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)由CAN總線構(gòu)建局域網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，滿足實(shí)時(shí)性的要求；維護(hù)方便，且易于擴(kuò)展，操作模擬訓(xùn)練箱和VDR數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可方便的與該網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。基于CAN總線的車鐘系統(tǒng)通信的網(wǎng)絡(luò)連接見圖1所示。

圖1　車鐘通信CAN網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

1.1硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)車鐘通信節(jié)點(diǎn)的控制電路主要包括MCU及其擴(kuò)展電路（存儲(chǔ)器、電源監(jiān)控芯片、晶振、總線驅(qū)動(dòng)與鎖存等），CAN總線控制電路和電源、按鍵與顯示等。

MCU采用單片機(jī)196KC，主要完成對(duì)鍵盤顯示芯片8279、CAN控制器和數(shù)碼管、指示燈的處理等任務(wù)。操作方式信號(hào)包括集控自動(dòng)、遙控自動(dòng)、電操、手操等隔離后輸入到集控車鐘單片機(jī)的P0口。所有的輸入與輸出的信號(hào)包括按鍵的行列信號(hào)、數(shù)碼管的段碼信號(hào)、指示燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)等均通過光耦TLP621隔離。

CAN模塊主要由3部分組成：獨(dú)立CAN通信控制器、CAN總線驅(qū)動(dòng)器和高速光電耦合器。CAN控制器采用PHILIPS公司的SJA1000芯片，它是一款獨(dú)立CAN控制器，具有優(yōu)秀的EMI、EMC性能，適合用于工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)，可直接與196KC接口。SJA1000片內(nèi)的存儲(chǔ)單元相對(duì)196KC來說是片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此，可以按照擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的形式來訪問SJA1000的寄存器地址。把196KC的ALE、RD、WR和SJA1000的ALE、RD、WR相連就構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。196KC通過地址總線經(jīng)譯碼來選通SJA1000，并由此決定CAN控制器各寄存器的地址，通過讀、寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的形式來訪問SJA1000。SJA1000可工作于BasiaCAN模式或PeliCAN模式，完全支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器采用PHILIPS公司的TJA1050芯片，TJA1050是CAN控制器和物理總線之間的接口。此器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。通訊速率可以設(shè)定在5 kbps～1 Mbps之間，可滿足遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的低速率要求。TJA1050芯片具有良好的EMC性能，在不上電狀態(tài)下有理想的無源性能，并集成有完善的總線保護(hù)功能。采用高速光耦來實(shí)現(xiàn)收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，保護(hù)控制系統(tǒng)電路。

電源為三塊DC-DC模塊，采用朝陽的4NIC—DC15/05，15V輸入，5V輸出，分別為CAN隔離電源、芯片電源以及輸入輸出隔離電源。

按鍵采用行列式，通過光耦隔離后連接到鍵盤芯片8279。當(dāng)有按鍵按下時(shí)8279自動(dòng)消抖并產(chǎn)生中斷通知單片機(jī)讀取鍵碼。按鍵設(shè)“前進(jìn)、后退、微升、微降等。

數(shù)碼管采用段碼式高亮數(shù)碼管，其段碼信號(hào)、片選信號(hào)通過光耦隔離后連接到顯示芯片8279。前兩個(gè)數(shù)碼管主要用于發(fā)令顯示，后兩個(gè)用于回令顯示。

指示燈采用高亮LED，可指示當(dāng)前的操作方式、傳令與回令的狀態(tài)。

單個(gè)車鐘通信節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖2所示。

圖2　車鐘通信原理框圖

1.2軟件

車鐘通信軟件由匯編語言編寫，基于CAN總線車鐘的軟件設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是友好性、安全性、容錯(cuò)性。軟件設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)模塊化，并適當(dāng)考慮軟件冗余。該軟件主要由4大模塊組成：主程序模塊；CAN通信模塊；鍵盤輸入模塊；LED顯示模塊。各模塊在不同節(jié)點(diǎn)上根據(jù)功能要求有所不同。車鐘通信軟件要完成的功能是：網(wǎng)絡(luò)化車鐘通信的主車鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送車鐘命令，其他車鐘通信節(jié)點(diǎn)LED均可顯示當(dāng)前發(fā)送車令，但只有對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)可回令，同時(shí)伴隨聲響，其他節(jié)點(diǎn)無法回令以免混亂，若有節(jié)點(diǎn)偶然失電重啟可恢復(fù)當(dāng)前車令顯示。

在本網(wǎng)絡(luò)化車鐘通信軟件設(shè)計(jì)中充分考慮了抗干擾以及容錯(cuò)技術(shù)，以及整體的安全性、方便性以及可擴(kuò)展性。

2　操作概要說明

2.1上電初始化

1）合電源開關(guān)，所有車鐘上電復(fù)位，數(shù)碼管顯示“+0+0”，指示燈不亮。

2）各車鐘延時(shí)后向主車鐘發(fā)送初始化請(qǐng)求命令，請(qǐng)求主車鐘發(fā)送當(dāng)前操作方式信息（若運(yùn)行中斷電后重新上電或者復(fù)位可保證及時(shí)顯示當(dāng)前必要信息）。

3)主車鐘查詢當(dāng)前操作方式信息并發(fā)送給其他車鐘。所有車鐘代表當(dāng)前操作方式的指示燈(若有)亮，初始化完成。

2.2運(yùn)行中操作

1）主車鐘查詢到此時(shí)操作狀態(tài)為“遙控自動(dòng)”，通過CAN發(fā)送給其他車鐘。

2）主車鐘按下車令比如“+3”，此時(shí)前兩個(gè)數(shù)碼管閃爍顯示+3，蜂鳴器響。

3）主車鐘按下“確認(rèn)”鍵確認(rèn)，將+3通過CAN總線傳給目的車鐘，若此時(shí)不按“確認(rèn)”鍵，而按下其他車令，前兩個(gè)數(shù)碼管將閃爍顯示最新車令，按下“確認(rèn)”鍵將傳送最新車令。

4）所有車鐘前兩個(gè)數(shù)碼管閃爍顯示“+3”。

5）目的車鐘回令，若正確則完成指令，所有車鐘四個(gè)數(shù)碼管穩(wěn)定顯示，源地址車鐘與目的地址車鐘蜂鳴器停止鳴響。其他車鐘回令無效。

3　結(jié)論

基于CAN總線的單片機(jī)車鐘通信系統(tǒng)相對(duì)于用中小規(guī)模集成芯片來構(gòu)建車鐘系統(tǒng)，電路簡(jiǎn)單，可靠性高，非常易于功能的擴(kuò)展，可以適應(yīng)多點(diǎn)、多種操作方式的信息傳輸以及與上位機(jī)的通訊。設(shè)計(jì)中軟硬件充分考慮了抗干擾以及容錯(cuò)技術(shù)。該方案在技術(shù)上是先進(jìn)的、適用的，以196單片機(jī)為控制核心，以SJA1000控制器構(gòu)成CAN總線，大大減少了電纜連接數(shù)目，提高了維修性，方便了接線與調(diào)試，同時(shí)也提高了抗干擾能力。網(wǎng)絡(luò)化車鐘通信系統(tǒng)組建方便、簡(jiǎn)單，成本也不高。

該裝置經(jīng)與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)地聯(lián)合調(diào)試運(yùn)行，完全能達(dá)到所預(yù)期的功能，其可操作性與穩(wěn)定性較好。

[1]許愛卿.Intel16位單片機(jī).北京:航空航天大學(xué)出版社.

[2]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

Design and Realization of Communication on Network Telegraph

Li Lihua
(Naval University of Engineering,Wuhan 430064,China)

This paper expatiates the control technology of communication hardware andsoftware,network form and communication protocolmation extraction of network telegraph.It introduces the circuit,the flow chart of thesoftware which is used in the interface.The key techniques in the man-machine interface is how to realize networked CAN bus for the communication telegraph.

CAN;telegraph;communication

TP368.1

A

1003-4862（2015）10-0078-03

2015-08-14

李麗華（1977-），女，碩士。研究方向：無線通信與網(wǎng)絡(luò)通信。