導彈測發控系統CAN總線拓撲結構的分析及選擇?

陳基昕 王 忠 趙錦宇

（火箭軍工程大學 西安 710025）

1 引言

導彈測發控系統是對導彈各信號和系統性能進行測試，配合地面測試設備檢查是否符合發射條件，對檢查合格的導彈按命令進行發射的系統［1］。系統采用總線分布式的測控技術，可以簡化系統結構，有利于各測試設備模塊化、一體化的設計，提高系統的可靠性和實時性。彈上設備和地面設備之間大信息量的交互采用以太網實現，小信息量的交互采用1553B總線實現，而地面設備的通信以CAN總線互聯。隨著導彈技術的發展，導彈測發控系統正向多主、全分布式網絡集成化方向發展［2］，選擇一個合適的網絡拓撲結構有利于最大化的發揮網絡性能。本文主要研究導彈地面測發控系統的拓撲結構，通過分析典型的拓撲結構，并根據系統的信息流分別計算總線的負載率，選取總線型和星型混合型的結構作為系統的拓撲結構。

2 導彈測發控系統概述

2.1 導彈測發控系統節點定義

導彈測發控系統需把彈上和地面設備看成一個整體，并按照固定流程，嚴格把控設備工作的先后次序，相互統籌配合才能完成。彈上被測信號由信號轉接箱引入地面測試設備，進行信號調理和測試，由地面測發控系統對測試結果進行處理、分析和判斷是否出現故障，若測試合格則按正常操作流程進行導彈的發射任務。導彈測發控系統包含了主控單元、遠控單元、發射控制臺、自動測試設備、測發控計算機、指揮自動化、信號轉接箱、產品等效器、地面測試電源、絕緣通路測試儀、定位定向設備等節點，節點定義如表1所示。

表1 導彈測發控系統節點定義表

2.2 導彈測發控系統信息流分析

圖1 導彈測發控系統的結構組成圖

本文主要對導彈地面測發控系統做研究，故對彈上信息流不做過多分析。地面測試設備以主控單元作為導彈測發控系統的核心，是人機交互的窗口和顯控終端，主要用于指揮員向各測試設備輸入決策指令，它可直接與遠控盒、發控臺、測發控計算機、自動測設備、信號轉接箱等設備直接通訊，接收來自這些設備的激勵、采樣和測量數據并回讀測試結果。遠控單元可實時顯示系統的測試數據，檢查發射密匙是否正確，將檢查結果發送至主控單元。發控臺需手動控制，向信號轉接箱輸入配電信號，向主控單元發送控制信號，發控臺的發光二極管用于監測信號傳輸是否穩定。自動測試設備負責采樣地面設備的測試數據并將激勵信號源傳送給信號轉接箱，該節點自身具備電源，無需外部供電。指揮自動化設備用于收集、傳遞和處理信息，如當系統發現故障需緊急斷電，則指揮自動化系統會通過指揮自動化設備將報警信號傳至測發控計算機，中止發射任務，導彈測發控系統需與指揮自動化系統共同配合完成導彈的發射。在導彈的實際測試中一般用產品等效器來模擬導彈的輸入輸出［3］，與地面測試設備進行通信，如姿態控制信號、慣組運動參數、彈上的開關量信號、待測模擬信號等，通過信號轉接箱接入地面測試設備。地面測試電源、絕緣通路測試儀、定位定向設備等節點也是通過信號轉接箱實現彈地數據的通訊。系統的結構組成圖如圖1所示。

3 典型CAN拓撲結構

總線的拓撲結構即各節點的互連方式，對網絡的可靠性、通信效率等性能都有很大影響。選擇一個合適的網絡拓撲結構是實現CAN協議的基礎，有利于降低通信費用，提升整個網絡的性能。常見的拓撲結構有總線型拓撲、環型拓撲、星型拓撲等［4］。

圖2 常見類型拓撲結構示意圖

1）總線型拓撲結構

總線型拓撲結構是用一根電纜連接網絡中所有節點，各節點的分支連接到CAN總線的主干電纜。當某節點發送數據到總線上時，網絡上的所有節點均能幀聽到此數據，只有目標節點才能接收此報文，其余節點待目標節點接收完畢后才能忽略該報文。總線型拓撲結構易于實現且構建成本較低，但其容錯能力和可拓展性較差。

2）環型拓撲結構

環型拓撲結構各節點通過總線構成一個封閉的鏈路，數據流沿著一個方向單項傳輸。環形拓撲結構的實時性好，數據傳輸吞吐量較大，可作為高速鏈路使用，但其靈活性差，不易拓展。當環形拓撲結構中的一個節點發生故障時，會導致整個網絡的癱瘓，對于導彈測發控系統的而已，系統在測試過程中有可能會遭到攻擊而導致某節點被破壞，進而影響整個系統工作，因此環型拓撲結構不適用于導彈測發控系統中，本文不作研究。

3）星型拓撲結構

星型拓撲結構是一個中央節點連接多個分支節點的網絡結構，所有節點間的通訊必須經過中央節點再發送至目的節點。星型拓撲結構集中式的特性使得網絡易于拓展，且網絡穩定性較好，當某一個分支節點因故障而中斷時不會對整個網絡產生太大的影響，但相比于其他網絡拓撲結構，星型拓撲結構需要消耗更多的電纜，增加了構建網絡的成本。

4 總線負載率的計算方法

總線的負載率是指在數據傳輸過程中，實際傳送速率與理論上最大能傳送速率的比值?？偩€的負載率過高即總線上通信過于繁忙，則低優先級的報文有可能因為長時間的仲裁失利而導致通訊延遲，甚至出現丟幀現象，總線的負載率過低，則會使總線不能被充分利用導致資源浪費。因此，嚴格控制CAN總線的負載率在合理范圍內，有利于維護網絡的實時性。一般在工業控制系統中，總線的負載率應該維持在30%以下，而軍用場合最高可允許總線負載率達到50%～70%［5］。

4.1 總線負載率影響因素

CAN總線的負載率與數據幀的結構、位填充機制、幀間空間以及報文類型有關。

1）數據幀結構

CAN的幀類型包括數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀等，為便于計算本文以數據幀為例。數據幀分為標識符為11位的標準幀格式和標識符為29位的擴展幀格式，數據幀的各位場格式固定［6］，其位數結構分布如表1、2所示。

表1 標準數據幀結構

表2 擴展數據幀結構

2）位填充機制

CAN總線中使用了“位填充”規則，也就是在實際傳輸位流時，當發送器檢測到一幀數據中有連續5個相同的位，則在后面自動添加一位補碼位即填充位。文獻［7］中指出對于長為x位的數據流，極端情況下最大位填充量為(x-1)/4位。填充規則示意圖如圖3所示。其中數據幀和遠程幀的CRC界定符、ACK場、幀結束，錯誤幀，過載幀均有固定格式，不做位填充處理［8］。

圖3 位填充機制示意圖

3）幀間空間

總線上發送的報文幀與幀之間由幀間空間隔離，幀間空間由3位隱性位的間歇場和位數不限的空閑位場共同組成，因此幀間空間的長度至少為3位。間歇場期間總線上不允許發送報文，且錯誤幀和過載幀無幀間空間［9］。計算總線負載率時應當將幀間空間考慮在內。

4）報文類型

在CAN的測控網絡中，有些報文會按照固定的周期發送至某個節點，如發控臺每隔一定時間就向主控單元發送一個用于檢查自身工作狀態的報文信息，這類報文稱為周期性報文［10］。而有的報文只在因特定事件觸發才發送，如某節點因故障而發出的報警信息，這類報文稱為事件性報文［11］，本文事件性報文的周期T取1s。

4.2 總線負載率計算方法

根據總線型拓撲結構的導彈測發控系統信息流分析，及各節點實際發送的報文，表3列出了部分總線型拓撲結構的報文預估表。

表3 總線型CAN拓撲結構報文預估表

設CAN總線上的選定位傳輸速率為Vbus，報文的發送周期為T。由表1可知標準數據幀Lregular=44，擴展數據幀Lregular=64，數據字段的字節數為N，因此一個數據幀的報文位數有4-1?？紤]位填充在極端情況下的位數有4-2。幀間空間以最小的3位作計算，則有單個報文的總線負載率計算公式有式（3）。

其中i=1,2,3…m，m為該節點發送報文的個數。則該節點的總線負載率為

以表3節點MCU第一條數據為例，使用標準數據幀Lregular=44，數據長度N=8，報文類型為周期性報文，其周期T=0.02s。文獻［12］給出了CAN總線傳輸距離和位傳輸速率的關系如圖所示，最遠傳輸距離可達10km，在40m范圍內最大傳輸速率可達1Mbps?？紤]導彈測發控系統實際需求，兩個節點的最大通信距離一般在200m以內，因此總線上的位傳輸速率選擇Vbus=500kbps。

圖4 CAN總線傳輸距離和位傳輸速率關系圖

由式（3）有:

故該報文的負載率為0.55%。同理參照總線型拓撲結構預估表的所有數據依次對節點MCU的各報文進行計算，由式（4）得 p=10.02%，因此節點MCU的總線負載率為10.02%。本文研究的導彈測發控系統有11個節點，整個CAN網絡的總線負載率即所有節點的負載率總和，計算公式如下:

經計算，總線型拓撲結構各節點的總線負載率如表4所示。

表4 總線型拓撲結構各節點的總線負載率

由式（8）得總線型拓撲結構的總線負載率為p總=42.18%，總線的負載率在合理的范圍內，但軍用條件下該網絡負載率顯得比較浪費資源。

5 總線型和星型混合型拓撲結構

5.1 系統負載率的理論計算值

星型拓撲結構的穩定性較好，節點通訊需通過中央節點轉發，因此總線上傳送的報文數量有所增加，其報文預估除中央節點外與總線型拓撲結構基本一致，按上述方法對所有節點的報文進行計算星型拓撲結構的總線負載率為61.80%，其中中央節點的總線負載率為29.74%。星型拓撲結構的總線負載率符合軍用場合的總線負載率要求，但總線的負載率較高，網絡繁忙時有可能導致低優先級的報文通訊延遲，為保證CAN測控網絡的實時性，可將導彈測發控系統各節點搭建成總線型和星型混合型的拓撲結構，網絡結構組成如圖5所示。

圖5 總線型和星型混合型拓撲結構組成圖

產品等效器、地面測試電源、絕緣通路測試儀和定位定向設備測試的數據均需要由信號轉接箱接入地面測試設備，因此混合型拓撲結構星型方向以信號轉接箱作為網絡的中央節點，連接到總線型方向的主控單元，再依次將其他節點掛載在總線上。依照第4節總線負載率的計算方法對混合型拓撲結構的報文預估進行計算，其網絡負載率為54.06%，符合軍用場合的網絡負載率的要求。

5.2 系統的仿真實驗

系統的仿真實驗，硬件平臺使用11塊CAN總線實驗板模擬導彈測發控系統11個通信節點。實驗板的主控芯片采用穩定性較好的STC89C52RC單片機，CAN控制器和收發器分別為SJA1000和TJA1050，且開發板上有一個4位的數碼管和5個LED燈可用于顯示通信的狀況是否良好。為減小各器件的信號干擾，CAN控制器SJA1000的TX0端和RX0端并不是與CAN收發器TJA1050的TXD端和RXD端直接相連，而是在節點中引入兩個6N137的光耦隔離電路以及一個B0505電源隔離模塊，它能夠有效地降低誤碼率，提高了電路抗干擾性，起到了電氣隔離的作用。硬件接口電路原理圖如6所示。將11塊CAN開發板分別以按照總線型、星型、總線型和星型混合型的拓撲結構連成網絡，并把CAN_H、CAN_L、VCC、GND端對應相連。其中的一塊開發板接CAN分析儀，CAN分析儀可以通過USB接口把CAN網絡與電腦的上位機軟件CANTest相連。

圖6 硬件接口電路原理圖

CANTest是由廣州致遠電子有限公司開發，配合CAN分析儀使用的專業上位機軟件，可對CAN通信數據進行采集、處理以及對數據的收發進行實時的監控。當網絡上的通信穩定時，CAN分析儀的綠色指示燈按照均勻的時間間隔閃爍，此時點擊BusFlow，可以打開總線實際利用率的界面，監測到當前總線的實際利用率，調整刷新時間可調整界面的顯示速度?？偩€型、星型、總線型和星型混合型的拓撲結構實際利用率如圖7、8、9所示。

實驗結果對比理論的計算結果稍有偏差，是由于實驗中受實際終端電阻、電源電壓和共模干擾等原因，但是不影響對拓撲結構的適應性選擇。相比于總線型和星型拓撲結構，混合型的網絡拓撲結構充分利用了總線資源，且避免了因總線過于繁忙而導致通訊延遲，達到了導彈測發控系統實時性的要求。

圖7 總線型拓撲結構實際負載率界面

圖8 星型拓撲結構實際負載率界面

圖9 總線型和星型混合型拓撲結構實際負載率界面

6 結語

導彈測發控系統是一個對可靠性和實時性要求極高的系統，本文以CAN總線的網絡負載率為指標，參照軍用條件下的總線負載率標準，選擇適用于導彈測發控系統的網絡拓撲結構，但是對拓撲結構的分析不僅可以計算網絡負載率，還可以對每條報文的最大響應時間進行分析，驗證每條報文是否滿足約束條件。本文對導彈在實際測試、發射和控制過程中具有一定的應用價值。