CAN總線在艦艇通信控制系統(tǒng)中的應用

張海紅，郭娟娟

（1.91033部隊，青島 266003；2.91550部隊，大連 116023）

1 CAN總線介紹

所謂CAN指的是控制區(qū)域網(wǎng)絡，廣泛應用于當今設備級的通信系統(tǒng)中。CAN總線的主要功能是實現(xiàn)對系統(tǒng)中各個設備的工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)控。CAN總線最初應用于汽車的電氣控制系統(tǒng)中，達到對汽車電磁控制系統(tǒng)的分布式控制和實時控制。正因為CAN總線具有如下特點，現(xiàn)廣泛應用于復雜通信系統(tǒng)的控制中。

（1）基于CAN總線，系統(tǒng)可以在任何時刻向通信系統(tǒng)中的任何一個節(jié)點發(fā)送信息，其具有相對靈活的信息傳輸特性；

（2）基于CAN總線可將網(wǎng)絡上各節(jié)點上信息進行優(yōu)先級的劃分，即根據(jù)各節(jié)點信息優(yōu)先級的不同實現(xiàn)對不同系統(tǒng)的控制；

（3）由于CAN總線內(nèi)部引入了仲裁技術，當網(wǎng)絡中的每個節(jié)點同時發(fā)送信息時，系統(tǒng)會根據(jù)節(jié)點信息的優(yōu)先級確定信息發(fā)送的先后次序，從而避免了各節(jié)點同時發(fā)送信息時造成的擁堵現(xiàn)象；

（4）CAN總線可以滿足多種信息傳輸方式的要求，不僅可以點對點，還可以滿足一點對多點的信息傳輸；

（5）CAN總線具有優(yōu)越的信息傳輸距離及傳輸速度，基于CAN總線數(shù)據(jù)最遠傳輸距離可至十公里，最快傳輸速率可達1Mbps；

（6）當CAN總線的某個節(jié)點在信息傳輸過程中出現(xiàn)錯誤時，系統(tǒng)會自動停止總線的功能，進而切斷了系統(tǒng)總線與傳輸出問題節(jié)點之間的通信，從而保證其他節(jié)點的通信不受到干擾。

總之，鑒于CAN總線具有如上所述的優(yōu)勢，其廣泛應用于噪聲高的環(huán)境通信，且其傳輸距離可以滿足一般系統(tǒng)通信的要求。因此，CAN總線適用于小型分布式測控系統(tǒng)，并已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制、機械加工的機床控制系統(tǒng)中。本文主要研究CAN總線在艦載通信控制系統(tǒng)中的應用。

2 艦載通信控制系統(tǒng)的需求分析

現(xiàn)代艦載通信系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)需滿足以下需求：

（1）通信系統(tǒng)需要實時監(jiān)控各通信設備的工作狀態(tài)，并結(jié)合先進控制算法實現(xiàn)對各通信設備的控制；此外，當操作人員操作出現(xiàn)錯誤時，系統(tǒng)應及時發(fā)出警報并自動停止操作。

（2）為用戶提供一個良好的人機交互界面，確保用戶能夠清晰的了解設備的運行狀態(tài)，進而對系統(tǒng)的內(nèi)部資源做出合理的分配。

（3）要求系統(tǒng)所選用的網(wǎng)絡具有良好的擴展性和兼容性，并確保基于該網(wǎng)絡能夠?qū)⑿畔⒓皶r、準確的發(fā)送出去。

（4）系統(tǒng)可依據(jù)用戶的需求適當對網(wǎng)絡中的節(jié)點進行刪除或添加，確保當其中一個節(jié)點出現(xiàn)問題后也不會對其他節(jié)點的正常通信造成影響。

3 CAN總線在通信控制系統(tǒng)中的應用

3.1 CAN總線在控制系統(tǒng)硬件設計中的應用

根據(jù)“2”中所述的艦載通信控制系統(tǒng)的需求分析，本文在結(jié)合CAN總線多主工作方式的基礎上，設計了艦載通信控制系統(tǒng)網(wǎng)絡模型。

CAN總線在艦載通信控制系統(tǒng)網(wǎng)絡模型結(jié)構中的應用解決了DCS控制系統(tǒng)的缺陷。基于CAN總線可以確保網(wǎng)絡中的各個節(jié)點之間都是“平等”的。基于CAN總線的設計理念大大降低了系統(tǒng)在通信過程中數(shù)據(jù)的傳輸量，有效的提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎蜏蚀_率，進而將系統(tǒng)控制的實時性和精確性有了質(zhì)的提高。

3.2 CAN總線在控制系統(tǒng)軟件設計中的應用

艦載通信控制系統(tǒng)的軟件設計包含了兩方面的設計內(nèi)容，其一監(jiān)控主機系統(tǒng)的軟件設計；其二位智能節(jié)點嵌入式的軟件設計。監(jiān)控主機系統(tǒng)的軟件設計包括有通信模塊的設計、設備參數(shù)修改模塊的設計CAN總線監(jiān)控模塊的設計以及數(shù)據(jù)庫管理模塊的設計。結(jié)合CAN總線的特點，本文的監(jiān)控主機系統(tǒng)軟件設計只需對軟件應用層和用戶層向?qū)能浖M行設計即可。

通信模塊所實現(xiàn)的主要功能包括有：實現(xiàn)對基于CAN通信系統(tǒng)的初始化操作、實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的傳送與接收以及對錯誤操作進行監(jiān)控，并將錯誤操作實時復位。

設備參數(shù)修改模塊是基良好的人機界面平臺實現(xiàn)對系統(tǒng)中各個設備參數(shù)進行添加、刪除以及修改等操作。

CAN總線監(jiān)控模塊包括有對人機界面、系統(tǒng)工作狀態(tài)、設備工作狀態(tài)以及對用戶狀態(tài)進行監(jiān)控。

數(shù)據(jù)庫管理模塊即對系統(tǒng)所采集到的相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，并將系統(tǒng)的CAN總線網(wǎng)絡中各個節(jié)點的配置信息及其CAN網(wǎng)絡各個節(jié)點的地址等數(shù)據(jù)進行存儲管理。

艦載通信控制系統(tǒng)的軟件設計遵循模塊化設計原則。基于模塊化設計原則下的結(jié)構化程序設計方案大大提高了各個模塊之間的替換性及整個控制系統(tǒng)軟件的方便維修性。智能節(jié)點嵌入式系統(tǒng)包含了三大模塊，分別為設備接口控制模塊、報文處理模塊以及通信模塊。

設備接口控制模塊主要實現(xiàn)的功能有：實現(xiàn)對用戶接口設備終端的控制；實現(xiàn)對用戶接口設備及相應信道的工作狀態(tài)信息進行采集；將控制系統(tǒng)的控制指令傳送至用戶接口設備終端。

通信模塊實現(xiàn)的主要功能有：及時響應監(jiān)控主機發(fā)出的控制指令，為網(wǎng)絡各個節(jié)點之間的通信搭建橋梁。

報文處理模塊實現(xiàn)的主要功能：該模塊主要是對系統(tǒng)所采集到的設備工作狀態(tài)進行研究分析，并根據(jù)實際運行情況得出下一步控制指令。

4 結(jié)束語

CAN現(xiàn)場總線是當前應用較為廣泛的一種現(xiàn)場總線，鑒于其具有較高的可靠性、較快的傳輸特性等廣泛應用于復雜環(huán)境下的通信控制系統(tǒng)中。本文分析了CAN總線在艦載通信控制系統(tǒng)中的應用情況，充分說明了CAN總線的優(yōu)越性及其是確保通信控制系統(tǒng)高可靠性和實時性的關鍵設備。