CAN總線在T/R組件故障檢測系統中的應用

洪 暢，王志剛，朱慶彬，曹 陽

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

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]，雷達系統的可靠性顯得尤為重要。有源相控陣雷達系統復雜度高。作為相控陣雷達的基本構造單元，T/R組件同時具有組件數量多、監測指標多、維修困難等特點。目前，一般雷達系統中對T/R組件的故障檢測大多采用底層為以太網的通信方式。采取以太網的優勢在于數據傳輸速度快、實時性好，但需要在雷達系統中增加交換機等網絡設備，而且一旦集中式交換機受損，整個系統中設備監控將受到嚴重影響。針對雷達系統中少則幾十個、多則數千個的T/R組件，如果都采取以太網的方式將會帶來系統通信故障的風險，并會影響到雷達其他分系統的網絡通信。CAN總線是一種現場總線，能夠有效地支持分布式通信和實時控制，具有可連接設備多、可靠性高、抗干擾能力強等優點。同時，CAN總線通信鏈路連接簡單，無需額外的設備支持。因此，本文提出了一種基于CAN總線的T/R組件故障檢測系統，通過CAN總線技術將多個T/R組件構成一個通信分系統，其中采用一個主節點輪詢其他分節點的方式獲取T/R組件的狀態指標，系統中主節點和上位機顯控臺通信。這樣就將眾多的組件狀態報文和雷達其他網絡報文隔離開來，既降低了系統的復雜度和成本又具有良好的可靠性。[2-4]

1 基于CAN總線的T/R組件故障檢測方法設計

1.1 系統總體架構

本文設計的T/R組件故障檢測系統主要對有源T/R組件的工作狀態進行實時監測。當組件工作發生故障時組件立即采取保護措施，系統迅速收集故障信息和狀態指標發送給顯控臺。系統中T/R組件作為從節點通過內部ADC實時采集工作狀態指標，發生故障時內部軟件系統將及時采取保護措施，確保組件工作安全。因此，檢主節點通過CAN與各個T/R組件通信，完成控制命令的下發和狀態指標的收集，最后匯總所有組件的狀態信息進行故障診斷。通過以太網將故障診斷結果和狀態指標發送給雷達顯控臺，最終在人機交互界面上顯示出來。

由于系統中各個節點共用一條CAN總線，總線受損將會導致整個CAN通信分系統喪失通信能力，因此系統中采用冗余設計的方式，采用完整的兩條CAN總線、兩個獨立的CAN驅動器和控制器，當其中一條總線發生故障時系統的通信不受影響。由于T/R組件數量多，監測指標多，導致通信數據量比較大，因此軟件上采取主節點依次輪詢從節點的方式，規避了通信堵塞的風險，確保了系統的穩定工作。圖1為系統總體結構框圖。

1.2 硬件設計

在實際項目中，選用TI公司生產的TM4C129NCPDT芯片作為T/R組件和故檢主節點的ARM主控芯片。該芯片內部集成了GPIO、UART、ADC、I2C、CAN、以太網等外設接口。在控制監測電路中，GPIO模塊可以完成開關控制、讀取高低電平等工作；ADC模塊具有12位的轉換精度，可以對模擬源或內部溫度傳感器進行快速采樣；I2C模塊完成對鐵電存儲器的讀寫操作；芯片內部集成了兩個CAN控制器模塊，可自動處理CAN總線的數據鏈路。以太網接口遵循IEEE 802.3規范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX標準，故檢主節點和顯控臺的通信采用以太網實現。外圍電路中CAN收發器選用SN65HVD1050D芯片。該芯片為CAN控制器和物理總線之間提供了一個接口，將CAN控制器的邏輯電平轉換為總線上的差分電平。

1.3 軟件設計

系統軟件設計涉及兩種模塊的軟件編程，一是對T/R組件編寫故障采集、檢測、傳輸和保護程序，二是對故檢模塊主節點編寫故障診斷、CAN數據接收以及網絡處理程序。軟件流程圖如圖2所示。

(1) T/R組件中ARM首先完成自檢和初始化后，通過GPIO讀取外部地址指示信號形成各自的設備ID。

(2) 對T/R組件的脈沖電流/電壓、反射功率、激勵功率、輸出功率和溫度等工作狀態指標模擬量進行AD轉換，打包形成組件的工作狀態信息。

(3) 對監測指標設定合適的門限值，連續超出門限3次判定為有故障，點亮故障燈并采取保護措施，鎖存故障時的指標數據，此時組件的數據參量被鎖定，不再更新。

(4) 當接收到CAN輪詢報文后將該組件的狀態報文發送到CAN總線上。故檢模塊中的ARM在完成自檢和初始化后啟動一個定時器，每隔固定周期發送輪詢報文到CAN總線上；當主節點收到T/R組件反饋回來的故障和狀態報文后，按照組件設備ID進行排序，最后存儲到數據緩沖器中，最終將數據緩存中的數據通過網絡發送給上位機顯控臺。

2 工程應用

該系統應用于某雷達T/R組件故障檢測。系統中CAN總線波特率為1 Mbps，組件數量為16個，設置主節點定時器周期為100 ms，輪詢一次時間約1.6 s，滿足系統設計指標要求。系統中CAN總線還可以完成對組件的控制，如開關電、頻率變換、門限值更改、模式切換等。與傳統的以太網通信方式相比，CAN總線布線簡單，僅需要兩條總線，采用差分傳輸，抗干擾能力較強，同時又減少了額外的網絡設備資源，更有利于系統擴容，在更大規模的應用場景中具有較大優勢。

3 結束語

T/R組件的工作狀態對于雷達的性能至關重要。關于雷達各分機以及T/R組件的故障檢測新技術正在深入研究。將CAN總線應用到有源相控陣雷達T/R組件的故障檢測中，降低了系統復雜度，減小了體積和成本。本設計已經在工程應用中取得了預期的結果，系統性能穩定可靠，在其他領域也具有良好的應用前景。