基于雙層總線的多通道聲源控制系統設計

黃 煜 李 利 王 浩

(大連測控技術研究所 大連 116013)

基于雙層總線的多通道聲源控制系統設計

黃 煜 李 利 王 浩

(大連測控技術研究所 大連 116013)

水下多通道聲源擁有采集數據量眾多,信號形式復雜的特點。該系統充分考慮了各類傳感器的輸出形式,設計了一種雙層總線結構,采用網絡總線嵌套CAN總線的形式對水下多通道聲源進行控制。完成了系統的網絡總線結構設計、CAN總線接口電路設計,以及各類傳感器的接入方式設計。實現了一種有效的多通道聲源控制系統。

多通道聲源; 雙層總線; 網絡總線; CAN總線

Class Number TB565+4

1 引言

隨著水聲技術的不斷發展以及各種水下設備功能的不斷豐富加強,對水下聲源系統的控制已經不再局限于簡單聲信號的發射,需要采集監測的水下數據越來越多,這就使得水下電子設備之間的通信越來越復雜,同時意味著需要更多的信號連接線[1]。線束的增加不僅會加大水下設備的開發難度,也會降低設備工作的穩定性。因此,引入一種雙層總線設計,可以在有效控制線束增長的同時,實現各類水下信號的實時傳輸,幫助水下設備發展到一個嶄新的高度。

鑒于實際應用中水下系統采集數據量眾多,采集信號形式復雜多樣的特點[2],本文采用網絡總線嵌套CAN總線的形式對水下聲源進行控制。通過采用這種雙總線結構,實現了內層CAN總線對各類水下模擬量的采集,以及外層LAN總線對包括內層CAN總線在內的系統各部分的網絡接入。

2 系統的網絡總線設計

水下系統通過網絡與系統其他部分實現連接,實現對包括溫深、姿態、漏水等狀態監測模塊在內的輔助測量模塊的數據采集,同時完成對水下多通道聲源的工作狀態的控制。系統的網絡邏輯結構如圖1所示。

圖1 系統的網絡邏輯結構圖

如圖所示,對于控制系統部分,控制計算機連接到局域網上。多個通道的模擬聲信號發生器也全部連接到局域網上。上位控制計算機通過局域網絡,按照指定的通信協議,將各個通道的模擬聲信號數據通過TCP/IP下載到各通道的模擬信號發生器中。上位計算機對各通道的模擬信號發生器的啟停控制及音量調節指令也通過同一網絡實現傳輸。

采集系統部分主要需要采集的數據包括水下測量電子艙的漏水監測數據、水下裝置溫度、深度數據、水下裝置姿態數據、各功放的工作狀態監測數據以及定位信號發射機狀態數據等。

由于實際使用過程中,水下載體與水上系統之間距離往往較遠,所以選擇使用光纖來實現信息的遠距離傳輸,以減少電纜上的能量消耗[3]。使用LAN光端機和光纖將水上系統與水下載體連接,在水下載體內使用帶有光纖接口的網絡交換機恢復出TCP/IP協議的網絡電信號。

水下載體的姿態傳感器安裝于水下密封電子艙內,其使用RS232接口形式輸出測量數據。通過LAN-232轉換器,將監控計算機的控制采集指令轉換為RS232的形式,姿態傳感單元掛接于此RS232接口上,根據RS232接口傳來的指令執行相應動作,并將采集到的數據上傳至狀態監控計算機中。

針對使用模擬量進行輸出的傳感器,模擬聲源監測控制系統采用CAN總線采集模塊和CAN-LAN轉換器結合的形式實現這一類傳感器的網絡接入。將這些傳感器的傳感信號接入水下密封電子艙內的AI單元上。AI單元掛接于CAN總線接口電路,通過CAN總線,對水下所有電子艙內通過使用模擬量進行輸出的傳感器的數據進行采集[4],并經過LAN-CAN轉換器,上傳給狀態監控計算機。同時將監控計算機的控制采集指令經LAN-CAN轉換器轉換為CAN總線的形式,發送至各個水下采集單元,水下采集單元根據上位機的指令進行開始采集,結束采集,上傳數據等基本操作。

輔助測量系統的水下數據采集結構框圖如圖2所示。

圖2 輔助測量系統水下數據采集結構框圖

為了實現功放工作狀態的監測,針對各功放單元所使用的設備狀態指示輸出形式,模擬聲源監測采集系統選擇采用RS485總線掛接DI單元的處理方式。將DI單元掛接于此RS485接口,定位信號發射機及各功放單元的設備狀態輸出電平信號接入指定DI單元的指定通道。通過RS485總線,上位監控計算機通過讀取各個DI單元的輸入端子狀態即可完成對定位信號發射機及各功放單元的設備狀態的監測。

3 系統的CAN總線設計

由于水下擁有多個分段,每個分段又存在有多個需要采集的數據,采用常規的通信技術將存在大量的線纜,會增加整個系統的復雜程度。

CAN是一種多主對等的現場總線通信網絡,通過通信數據編碼實現各個節點僅使用兩條屏蔽雙絞線就可以實現數據發送和接收[5]。CAN總線的引入不僅大大節省了水下的線纜數量,而且在簡化系統的同時提高了系統的可靠性。

控制器局域網(Control Area Network,CAN)是現場總線的一種,是一種有效支持分布式控制及實時控制的串行通信網絡[6]。與其他串行式網絡所不同的是,CAN總線采用了帶優先級的CSMA/CD協議對總線進行仲裁,所以,CAN總線構建的網絡允許網絡上的節點同時發送信息,這樣,CAN總線可以構成多主結構的系統,保證了系統設計的可靠性,也能保證信息處理的實時性。此外,CAN總線采用短幀結構,且它的每幀信息都有CRC校驗,這樣就能夠保證很低的數據傳輸出錯率[7]。CAN總線最早被廣泛應用于汽車的控制測量系統,由于其強大的性能和較低的成本,如今,CAN總線技術已經被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等諸多方面, 并被公認為是最具有前途的現場總線之一[8]。

為了利用CAN總線對系統的水下部分的大量AI單元進行采集,對CAN總線接口電路進行了設計。CAN總線接口主要由微處理器(MCU)、CAN總線控制器和CAN總線收發器三部分組成。

微處理器,負責對CAN控制器進行初始化,并控制其完成數據的收發等通信任務。CAN總線控制器采用了Philips公司生產的SJA1000,它作為獨立的CAN通信控制器,用于完成CAN總線通信協議中的物理層和數據鏈路層的功能,為微處理器提供了總線的物理線路接口。SJA1000在邏輯上完成了數據傳輸所需的編碼和解碼,但還需要在其與物理總線之間增加CAN總線收發器來增加系統的差動收發能力。CAN總線收發器使用了PCA82C250,它是全世界使用最廣泛的CAN收發器。它可以產生CAN總線正常工作所需的差分電壓,作為CAN協議控制器和物理總線之間的接口,為總線提供差動發送能力,為CAN控制器提供差動接收能力[9]。

為了進一步增強CAN總線節點的抗干擾能力,在SJA1000與PCA82C250之間引入了高速光耦器件6N137,使CAN總線上的各個節點實現電氣隔離。CAN總線接口的電路原理圖如圖3所示。

圖3 CAN總線接口電路原理圖

SJA1000的AD0-AD7與STC89C52的P0口相連,CS端接P2.7口,當P2.7為0時,STC89C52的片外儲存器地址可選中SJA1000,微處理器可以通過這些地址對SJA1000進行相應的讀寫操作。兩個芯片的RD、WR、ALE端分別對應連接,SJA1000的INT端與STC89C52的INT0相連,以便微處理器可以通過中斷方式訪問SJA1000。為了增強系統抗干擾能力而引入的高速光耦6N137的兩個電源VCC和VDD必須完全隔離,否則光耦起不到隔離的作用[10]。

針對大量的水下模擬量,基于CAN總線的采集模塊選擇采用了基于芯片ADS8401的AI模塊來實現模擬信號的采集。ADS8401是16位的A/D轉換器件,可以進行高精度的模擬量采集。通過將該模塊掛接于CAN總線接口模塊上,實現采集水下模擬量的AI單元。水下所有模擬量輸出的傳感器數據均可通過該AI單元來實現水下模擬量的網絡接入。

4 結語

文章針對如今水下系統控制參數眾多,信號形式多樣的特點,提出了一種基于網絡總線與CAN總線相結合的雙層總線結構,在有效的控制線束增長的同時,實現了內層CAN總線對各類水下模擬量的采集,以及外層LAN總線對包括內層CAN總線在內的系統各部分的網絡接入。

[1] 閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2005:21-22.

[2] 鄒寧波.基于單片機的多路數據采集系統設計[J].儀器儀表,2011,18(6):12-13.

[3] 楊慶柏.現場總線儀表[M].北京:國防工業出版社,2005:24-25.

[4] 張鐵山.汽車測試與控制技術基礎[M].北京:北京理工大學出版社,2007:38-39.

[5] 楊晶.CAN總線接口電路設計[J].辦公自動化,2010(1):34-45.

[6] 侯明,杜奕.基于CAN總線的接口電路設計[J].通信技術,2008(7):138-140.

[7] 清昆,蔣繼成.基于AT89C52單片機CAN總線節點的設計[J].自動化技術與應用,2009,28(5):55-68.

[8] 曾粵,劉妍.基于RS232接口的承重數據采集系統[J].電氣時代,2011(2):35-36.

[9] Philips Semiconductors, CAN Specification 2.0 Part A[M]. 1991.9:19-33.

[10] Philips Semiconductors, CAN Specification 2.0 Part B[M]. 1991.9:19-33.

Design of Multi-channel Sound Source Control System Based on Double Layer Bus

HUANG Yu LI Li WANG Hao

(Dalian Scientific Test & Control Technology Institute of CSIC, Dalian 116013)

Underwater multi-channel sound source has a large amount of data and complex signal form. This system considers the form of all kinds of sensors, designs a double layer bus structure.By using CAN bus based on network bus, the underwater multi-channel sound source can be controlled. In this paper, the design of network bus structure, the design of CAN bus interface circuit, and the design of the access method of all kinds of sensors have been completed. An effective multi-channel sound source control system has been realized.

multi-channel sound source, double layer bus, network bus, CAN bus

2016年7月19日,

2016年8月26日

黃煜,男,碩士,助理工程師,研究方向:嵌入式系統,水聲工程。李利,女,碩士,工程師,研究方向:嵌入式系統,信號處理。王浩,男,博士,高級工程師,研究方向:嵌入式系統,水聲定位技術。

TB565+4

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.035