基于CANopen協議的水下航行器控制系統現場總線應用設計

盧紹慶

(中國船舶集團有限公司 昆明船舶設備研究試驗中心，昆明 650216)

0 引言

無人水下潛航器(UUV)是一種無人操控的自主潛航器，可以在無人控制的狀態下全天候、多航時地自主完成水下任務，成為在民用領域和軍用領域中重要的海洋開發和安全保障的工具[1]，在軍事、水下探測、深海打撈救生和海洋科學調查等多學科均獲得了廣泛的應用。某高速水下航行器主要由控制系統、載荷系統、動力推進系統、能源管理系統和相關地面保障調試設備組成，各系統之間有大量信息數據需要進行實時交換，在以往的技術方案中，一般使用多種規格的線纜將各系統、組件、部件、傳感器、執行機構等聯接起來，由控制系統進行集中統一控制，分系統間通過擴展串行通訊接口進行數據交換。由于各系統間纜線很多，給開發、調試、故障排查、產品生產、裝配、工藝控制等多方面帶來了較大麻煩，而且普通串行通訊普遍存在抗干擾能力弱、數據容量小、實時性差、網絡故障后容易癱瘓等問題[2]。

為了提高整個系統的可靠性，降低大量線纜在生產調試時帶來的工藝復雜性，減小信號間的串擾，提高系統間信息交換的實時性，在系統設計中采用了CAN現場總線技術，構建一個數據交換控制網絡，將各系統、組部件、地面保障調試設備作為總線網絡中的通訊節點，使各節點均能實時獲得其他網絡節點的信息數據，并對信息做出快速響應，從而可以較好地解決上述問題。

網絡化航行器控制系統設計過程中，涉及到如何高效率、無差錯地自動管理、調度、分配CAN網絡數據，需要進行系統性地研究設計。根據IEC 61158中國際電工委員會的相關定義，現場總線是一種串行方式傳輸、多點通信的數字式數據總線，工作于制造過程及現場區域的設備裝置與控制室內的自動化系統之間的通信總線[3]；德國Bosch公司推薦了CAN現場總線，按照國際OSI標準規范要求，由應用層、數據鏈路層和物理層組成，是一種支持實時控制網絡的分布式串行數據總線[4]，采用短報文幀進行傳輸，具有強抗干擾能力、高可靠性等特點，尤其適合工業化應用場景的開關量控制等多種環境[5]。

1 CAN現場總線技術

1.1 CAN總線技術及高層協議

CAN總線信號傳輸為雙絞線，通訊速率最高為1 Mbit/s時，通訊距離可達40 m，最多可掛設備為110個。CAN信息幀傳輸可采用標準幀、擴展幀及遠程幀結構，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收和發送數據。CAN的物理層及數據鏈路層采用獨特的設計技術，每幀數據都包含有CRC循環冗余校驗及其它校驗措施，數據出錯率低，總線節點在嚴重錯誤的情況下，可自動切斷與總線的通訊聯系，以使總線上的其它操作不受影響[6]。

相對于傳統通信普遍采用的站地址編碼模式，CAN總線協議對通訊數據塊使用了報文標識符進行編碼。這是CAN總線的一個最大特點及優點，能夠使網絡內的通信節點數量在理論上不受到限制[7]，在CAN 2.0A版本中，使用了11位報文標識符，編碼數量可以達到2 032種，而CAN 2.0B版本中定義的29位報文標識符可以使編碼數量幾乎不會受到限制。

CAN報文中使用長度為8個字節的數據段，可以定義數據段長度為0～8個字節，在工業領域中的工作狀態、測試數據及控制命令一般都可以滿足使用；而且，傳輸最大長度為8個字節的數據段，不會占用總線過長時間，能夠保證通信的時效性；在各CAN總線節點中還設計有自動標定、自檢測、錯誤診斷等檢錯和糾錯措施，保證了數據通信的可靠性指標[8]。

CAN允許多個主站同時運行，采用了多主競爭式總線結構，具有分散式仲裁及廣播式通信的特點[9]，在任意時刻，CAN總線上任意節點可以不用區分主次關系，主動地向網絡上其他節點發送信息。因此，可在各通信節點之間實現對等化自由通信，CAN網絡上節點的信息能分成不同的優先等級，可以滿足不同級別的實時通信要求[10]。

到目前為止，CAN總線憑借著可靠的性能與優異的設計，得到了十分廣泛的應用。但是它只定義了數據鏈路層和物理層[11]，按照OSI標準規范，CAN總線定義了CAN 2.0A版及CAN 2.0B升級版，只提供了最底層的基本協議，沒有明確規定如何具體使用應用層的細節，這就需要用戶自己定義高層應用協議，才能滿足實際系統的需要。

在實際的工程應用中，CAN總線需要一個應用層的標準化協議來定義CAN報文的各種標識符，分配、定義數據段中的8個字節數據的實際內容，支持CAN設備的所有互換和互用，用來實現CAN網絡系統管理、設備功能、通信模式的標準化設計[12]，以便支持對傳輸時間要求極嚴的過程數據控制和對設備參數的直接訪問。

在水下航行器多個項目研制過程中，目前均采取“自定義協議”方式設計控制系統，但在多數情況下，僅能實現基本 CAN 總線的通訊，完成應用層面自定義簡單報文和傳輸協議。“自定義協議”不兼容標準型高層協議，難以做到各種CAN 設備之間的兼容、互用、互通。“自定義協議”在可靠性、完備性、拓展性等多方面完全依賴于協議制訂人員的技術水平、項目研發經驗等不可控的因素，不能保證整個控制系統的穩定性，尤其是控制網絡存在故障或干擾情況下的容錯、糾錯和診斷能力得不到保證。

1.2 標準化CANopen高層協議

為滿足某高速航行器項目中高速、強外部干擾、高可靠性等技術要求，控制系統采用CAN總線構建分布式網絡，CAN總線波特率為500 kbps，選擇了標準化CANopen協議作為航行器控制系統網絡化高層通信協議。

CANopen協議是國際自動化標準CAN用戶和制造商協會CiA(CAN-in-automation)定義的CAN總線應用層協議(即國際標準)[13]。CANopen可以給CAN總線控制系統提供豐富的功能，該協議完全公開，使不同的CAN設備之間能夠互相兼容，具備如下技術特點：

1)協議透明、公開，可免費下載源代碼，無需專門授權，便于用戶二次開發使用；

2)經過惡劣的實際工業現場環境充分驗證，全世界裝機用戶數量大；

3)可以在任意一種硬件平臺上構建CAN總線網絡，完全兼容標準型底層CAN硬件；

4)網絡規模較大，支持多種拓撲結構構建網絡，允許多達127個節點同時通信；

5)可以根據需要進行網絡管理和網絡組態配置；

6)實時性強、可靠性高，可通過軟件實現所有協議功能，低成本組網，不受硬件平臺制約。

CANopen協議應用層提供了4種應用服務：網絡管理(NMT)、基于CAN總線的報文規范(CMS)、參數修改(LMT)和動態標識符分配(DBT)[14]。

CANopen協議分集管理及定義，主要由若干個協議文本組成，其中最基本的通信子協議和最重要的DS301 應用層，已經定義了CANopen的通信機制和通信基本概念，規定了所有設備都要遵循的CANopen規范。此外，協議集還為電機和馬達驅動、I/O模塊、閉環控制器、傳感器和可編程設備、火車控制、電梯控制等應用領域，專門定義了很多設備協議子集[15]。只要遵循這些協議的定義，開發出來的設備就可以很容易組建CANopen網絡，實現設備之間的互聯互通。

由于各種歷史的原因，國內各行業較晚開展對CANopen協議的研究，而且對CAN現場總線在國內的應用及發展更加落后，尤其限制了對 CAN總線技術進一步深入化推廣和應用。據研究，國際上的少數開源軟件協議棧以Can Festival為代表，但是存在靈活性較差，不支持二次配置等問題而難以開發應用，因此急需加強國內CANopen軟件協議棧的自主研發能力。

CANopen協議在惡劣的工業化環境下能夠穩定運行，裝機用戶數量龐大，經過了十幾年實際工程化驗證，加入采取應用世界標準協議，進行二次集成、再次開發的技術路線，則能夠解決前述“自定義協議”帶來的一系列問題。

2 CANopen技術架構

2.1 CANopen通信模型

如圖1所示，按照CANopen協議規范，支持該協議的網絡設備(主站或從站)，都可以用一個抽象的通信模型來描述，模型可以抽象為雙端口模型，其一端連接CAN總線，另一端連接具體的I/O端口數據，而端口數據與實際的物理應用對象直接關聯。

圖1 CANopen網絡設備模型

CANopen協議一般使用OD對象字典(Object Dictionary)來描述應用程序和設備之間的接口，每一個通信設備都包含特定的OD對象字典，該對象是配置和數據的集合體，CANopen軟件協議棧支持網絡設備對其OD對象字典的修改和訪問[16]。

2.2 CANopen對象字典(OD)

對象字典OD由一般由很多對象的成員組成，每個成員可以通過其16 位索引值(Index)和8 位子索引值(SubIndex)來進行訪問和尋址。為了簡化對象的實際操作，每個通信節點的具體對象字典OD并不需要提供完備的所有對象內容，只需提供描述該設備所必需要的主要對象成員即可。

在CANopen世界標準協議(標準號為DS301)中，已經包含了通信節點對象字典OD的規劃及分布的詳細定義，在一般應用系統設計中，用戶主要對通訊描述部分和設備描述部分的成員對象進行配置和定義。

2.3 CANopen通訊對象

CANopen 網絡通訊模型一共定義了4種常用通訊對象：

1)網絡管理對象(NMT)；

2)預定義報文或特殊功能對象；

3)服務數據對象(SDO)；

4)過程數據對象(PDO)。

其中，網絡管理對象(NMT)主要用于對網絡上指定的節點進行狀態設定和參數配置，CANopen主站向從站發送指定用途的NMT報文，報文中包含了狀態設置具體命令，可以將從站節點強制進入指定狀態當中，實現網絡管理功能。

預定義報文或特殊功能對象主要包括一系列特殊的報文，例如時間戳(TIME)報文、同步對象(SYNC)報文和緊急事件(EMC)報文，時間戳TIME報文用于設置各從站時鐘，同步對象SYNC用于對各從站進行同步控制和操作，緊急事件EMC報文用于傳輸緊急事件。

服務數據對象(SDO)是一種特殊的對象，CANopen主站通過向其它節點發送SDO報文的方式，可以讀出或者寫入/改寫該節點的對象字典OD，功能類似于讀寫從站設備的參數，兩者之間的SDO采用明確的“請求-應答”模式進行通信操作。

過程數據對象(PDO)是CANopen 網絡很重要的一種對象報文，PDO對象通常用來收發實時的過程控制數據，每一個 PDO對象包含有映射參數和通訊參數。其中，通訊參數用來配置CAN報文標識符，定義PDO報文的觸發條件(同步或異步觸發)；而映射參數用一般來描述對象字典OD的入口參數，定義該對象是怎樣映射到PDO對象報文當中，即每個對象在PDO對象報文中的起始位置和結束位置，映射參數的具體定義內容，必須要求通信的主站和從站雙方事先已知[17]，才可以按照此定義各自編程實現。

在實際的應用設計中，可以通過應用程序動態配置來改變對象映射的參數，也可以預先定義PDO對象報文的內容，還可以在CANopen網絡啟動、管理時自動進行配置。

為了適應不同的通信應用場合，PDO對象報文的傳輸設計為兩種方式都可以觸發，一種是同步方式觸發，另一種是異步方式觸發，兩種方式通過傳輸類型用0～255來定義，數值<254的都是同步方式觸發，一般是在收到指定數目的SYNC同步對象之后，從站自動啟動一次PDO對象報文的傳輸。而異步方式觸發是采用事件方式進行自動觸發[17]，允許的觸發事件包括外部數字輸入/輸出狀態改變、定時器/計數器計數溢出事件等條件產生時從站自動觸發。

CANopen網絡通信過程中，優先級較高的信息幀如果不加以管理，就會因事件方式觸發而占用總線，引起通信數據量大而網絡擁堵，這可以通過給PDO對象報文人為指定一個禁止時間的辦法，防止其它優先級較低的信息幀得不到發送的機會；還可以通過指定一個定時周期或事件的方式，當定時時間到或指定事件發生時，立即自動觸發PDO對象報文的傳輸。

尤其需要說明的是，以上描述的標準型CANopen網絡設備的最小軟件配置需求如下：

1)必須支持NMT網絡管理對象；

2)至少支持1個SDO服務數據對象；

3)至少支持1個PDO過程數據對象[18]；

4)其他通信對象為可選項，不作特別要求。

2.4 某航行器CANopen控制系統架構

如圖2所示，某水下航行器主要由控制組件、姿態系統、電源管理組件、電池監測電路、電機調速控制器、智能執行機構、發控接口電路、載荷系統、模擬系統、進排水組件、調試系統、發控設備、網關、各種開關量、傳感器、執行機構等部分構成。各通信節點通過擴展隔離CAN接口連接到控制網絡，構成整個基于CANopen總線的網絡化數據信息系統。

圖2 航行器控制系統網絡結構

網絡結構圖中，調試系統其實包含了多臺套地面保障專用設備及通用設備，還包括了校準用標準第三方測試設備等，網絡規劃時，考慮到調試系統一般僅僅在工房準備階段使用，而航行器在水下實航階段并不參以運行，特將所有調試系統設計為一個網絡節點，先將數據信息打包匯集，再傳輸到航行器控制網絡的方式，可以明顯簡化系統設計量，且便于后續新增加入其他保障類調試設備，為了描述方便，僅以調試系統進行概括性統稱。

其中，控制組件是整個CANopen總線網絡的控制核心，作為網絡控制主站管理者身份，運行CANopen協議主站代碼，控制組件主要由控制計算機各節點(含主控計算機、備份計算機、網絡管理計算機、仿真調試計算機等4個網絡節點)構成；其他總線節點運行CANopen協議從站代碼，以從站身份接入控制網絡，其中電源管理組件由電源電路及后備電源電路2個節點構成；智能執行機構由四套獨立運行的高速電機位置伺服控制電路組成，共4個節點接入控制網絡。

載荷系統和模擬系統均為與控制系統同級別大系統，通過CAN網絡進行連接，共享數據、參數和能源，其中載荷系統內部數據量較大，需要使用速率為1 Mbps的CAN總線進行數據傳輸，因此在載荷系統和控制網絡間加入一個CAN網關，用于橋接兩個不同速率的網絡。而模擬系統的通信速率與控制網絡相同，可以集中后以一個節點身份接入控制網絡；各種開關量、傳感器、執行機構因機構數量多，如果每個機構都接入CAN控制網絡，則會明顯加大網絡復雜程度，降低系統可靠性，因此專門設計了一個開關量、傳感器、執行機構網絡節點，將各種機構的信號集中采集、發送。

上述控制網絡所有節點共計23個，后續描述的CANopen控制節點模型主要針對主要/核心組件協議進行介紹，其他輔助性節點、組件的設計方法與之類似就不做詳細介紹。

控制系統按照信息化、數字化的發展要求構建信息化體系，采用現場總線構建混合數字化網絡平臺，使用實時性較高的CAN總線作為控制網主干，負責控制系統中各重要組部件之間參數、數據和控制指令的傳輸。

按照CAN網絡拓撲及現場布線規范要求，控制系統CAN總線采取功能化網絡分段的方式構建，不同的網段之間使用CAN網關進行橋接，只需要修改CAN網關的應用軟件，就能夠將不同通訊速率、不同接口協議的節點自動接入網絡。

CANopen高層協議規定了網絡化控制系統中，數據通訊的具體幀格式、數據傳輸的方式和內容，從而實現各個系統、各通信節點之間的各種運行參數、控制命令、信息狀態的可靠接收和傳送，完成主控制核心節點與各受控執行機構、部件等節點的聯系。

3 CANopen控制節點

3.1 CANopen網絡節點組成

CANopen控制網絡中，一般包括但不限制為一個網絡主節點。網絡主節點或從節點僅是從網絡通信的角度進行劃分，實際上各網絡節點的組成基本類似，一般包括主控芯片CPU處理器、存儲電路、時鐘電路、電源產生/變換電路、CAN總線控制器、總線接口電路、網絡隔離電路、網絡接口連接器等部分[19](如圖3所示)，電路核心部分是CAN總線控制器和主控芯片CPU處理器，整個電路中的CANopen通信協議由內嵌運行于CPU處理器中的應用軟件代碼實現。

圖3 CANopen網絡節點組成圖

其中，供電電源由網絡接口連接器的電源輸入插針接入，按照CANopen協議規范，供電電源一般為直流DC24V電壓，隔離電源產生/變換電路將DC24V變換為CPU處理器使用的DC5V或DC3.3 V電源、網絡隔離電路使用的ISO5V電源、其他外部設備使用的DC12V電源。

網絡隔離電路一般由具備高隔離能力的高速光電耦合器(例如HCPL-0710)組成，或者使用高速磁耦合隔離方式設計；總線接口電路基于專用的CAN總線接口芯片電路構成，一般使用進口第二代產品TJA1040或TJA1050芯片進行設計，價格稍高，但抗干擾能力強、可靠性高，也可以使用第一代82C250芯片進行設計，價格便宜，但抗干擾能力稍弱。

下面，針對某水下航行器網絡化控制系統各主要節點及組件，按照CANopen協議的規范及要求建立網絡通信模型，分配網絡資源及網絡參數、數據等對象。

3.2 控制組件主節點

為了減少CAN網絡配置工作量，控制系統使用CANopen網絡協議中的通用預定義連接集來分配標識符CAN-ID，這些CAN-ID將在NMT網絡初始化完成進入配置態后生效，CANopen設備只為支持的通信對象提供相應的CAN-ID。

CAN-ID標識符內容包括了通訊功能部分，決定了通訊對象的優先級和節點的ID，用于區分CANopen各網絡設備，允許在單一主節點和最多127個從節點之間進行點對點通信，同時還支持無應答的網絡管理NMT、同步SYNC和時間廣播TIME報文。

按照CAN規范定義，節點ID值越小，節點的通信優先級越高，ID值越大，通信優先級越低。因此，將姿態系統、智能執行機構等需要快速交換數據的節點ID分配為較小值，將調試設備等不需要快速交換數據的節點ID分配為較大值，再輔以報文事件觸發模式，則可以減小CAN通信數據量，明顯優化網絡占用率。

控制系統CAN總線通信目前使用11位標識符(CAN 2.0A版本并向上兼容)，按照CANopen協議規范，一般從CAN網絡信息發送方對Tx和Rx進行描述定義，即發送節點的Tx就是接收節點的Rx，發送節點的Rx就是接收節點的Tx，下述網絡模型中遵循此定義。

各CAN網絡節點之間均使用過程數據報文PDO進行實時性數據交換(如TxPDO或RxPDO)，使用服務數據報文SDO進行參數設置(如TxSDO或RxSDO)、數據管理等非實時性數據交換。

航行器控制組件作為CANopen網絡的通信主節點，定時發出同步SYNC報文，使用網絡管理NMT報文管理各從節點，統一協調網絡中各節點同步有序工作。各節點按照網絡SYNC同步方式工作，使用過程數據PDO(如TxPDO或RxPDO)報文進行實時性數據交換。

3.3 智能執行機構從節點

如圖4所示，智能執行機構使用1個TxPDO1過程數據報文，向CANopen網絡同步發送航行器實時舵角、智能執行機構狀態、電流、電壓等數據。

圖4 智能執行機構CANopen網絡模型

智能執行機構使用1個RxPDO1過程數據報文，接收航行器控制組件發送的操舵指令。通訊方式為收到CANopen主節點發送的1個SYNC報文同步發送1個TxPDO1報文，快速響應網絡指令。

其中CAN信息接受對象為航行器控制組件(ID=3)、CAN網關(ID=11)等。

3.4 電機調速系統從節點

如圖5所示，電機調速系統使用一個TxPDO1過程數據報文，向CANopen網絡同步發送推進電機系統實時轉速數據、航行器航行速度、負載電流、電壓及狀態信息。

圖5 電機調速系統CANopen網絡模型

電機調速系統使用1個RxPDO1過程數據報文，接收航行器控制組件發送的航行器目標航速、啟停控制等操作指令。通訊方式為收到CANopen主節點發送的5個SYNC報文同步發送1個TxPDO1報文，采取慢速回應主節點的方式，利于減小網絡占用時間。

其中CAN信息接受對象為航行器控制組件(ID=3)、調試系統(ID=30)、模擬系統(ID=12)、CAN網關(ID=11)等。

3.5 姿態系統從節點

如圖6所示，姿態系統使用1個TxPDO1過程數據報文，向CANopen網絡同步發送航行器實時姿態數據，通訊方式為收到CANopen主節點發送的1個SYNC報文同步發送1個TxPDO1報文，快速響應網絡指令。

圖6 姿態系統CANopen網絡模型

其中CAN信息接受對象為航行器控制組件、CAN網關、模擬系統和調試系統等。

3.6 發控系統從節點

如圖7所示，發控系統通過發控接口電路，使用1個復用TxPDO1過程數據報文，向CANopen網絡同步發送發控接口電路實時數據及狀態，包括發控設備發送的航行器設定參數、發控參數等數據。

圖7 發控系統CANopen網絡模型

發控系統使用1個復用RxPDO1過程數據報文，接收航行器控制組件發送的應答數據及操作指令。接收通訊方式為收到CANopen主節點發送的2個SYNC報文同步發送TxPDO1報文。

其中CAN接受對象為航行器控制組件、調試系統、模擬系統、CAN網關等。

發控系統CAN通訊采用“周期+狀態改變”模式進行，既能通過SYNC報文同步通訊，又可以在需要參數設置時直接通訊，即發控系統檢測到需要改寫航行器控制組件中的發控、導航參數時，通過該復用PDO數據報文，直接操作航行器控制組件的對象字典，改寫其中的對應參數數據，即可實現發控、控制功能。

為了節約CAN通訊資源，通訊過程中發控系統與航行器控制組件使用復用PDO技術，將服務數據報文SDO直接整合到快速的過程數據報文PDO中，在PDO通訊數據域(共8個字節)填入SDO服務數據報文的數據域，通過修改數據域中的對象字典索引值Index、子索引值SubIndex，配合參數數據(CAN數據中的字節4～字節7)，即可靈活地實現大批量、多組參數數據的讀寫功能。

4 CANopen系統應用

某高速水下航行器采用了CANopen協議架構，按照信息化、數字化的發展要求，采用CAN總線構建數字化網絡平臺，搭建貫穿整個航行器所有系統、組部件、傳感器網絡的控制系統，使用實時性較高的CAN總線作為控制網絡，負責控制系統中各重要組部件間控制數據和指令的傳輸，實現主控電路與各執行機構間的信息聯系。

將時效性較強、與控制系統直接關聯的各系統接入CAN網絡，組成一個CANopen實時控制網段；將時效性不大、數據量較大的調試系統、發控系統等組成獨立網段，通過CAN網關接入控制網絡，兩個網段間主要傳輸系統狀態、規避信息、同步信息，以及控制系統定時發送的北京時間戳，作為數據記錄時間基準使用。在航行器控制系統網絡中，控制系統作為CANopen網絡主站，定時發出同步SYNC報文，使用網絡管理NMT報文管理其他從節點，統一協調網絡中各節點同步有序地工作。

按照設計要求，生產了多套基于標準CANopen協議的航行器控制系統進行系統測試，為了最大程度地降低風險，保證試驗設備的安全性，對比測試分為3個階段開展，第一階段是搭建完整航行器網絡系統的實驗室測試平臺，完成控制網絡功能驗證和程序的調試；第二階段是在第一階段成功完成后，將控制系統安裝到真實的航行器內部，在現場工房內進行陸上全系統模擬測試試驗；第三階段將航行器投放到水中，按照設定的任務，進行水下實航試驗，獲得外測和內測數據后，將其與原“自定義協議”系統進行逐項比對，得出最終結論。

測試驗證過程主要從以下幾方面進行測試：網絡節點數量、網絡復雜程度、網絡拓撲結構、通信速率、網絡可靠性、網絡負載率、網絡拓展性、協議完備性、全系統數據刷新周期、網絡管理能力、網絡組網難度、新節點加入難易度、網絡故障自愈能力、網絡故障自診斷能力、硬件成本、系統開發難度、網絡調試難度。

對比驗證過程嚴格按照相同測試條件、相同任務內容進行，安排同一批熟練人員對兩套航行器系統進行測試，全部測試結束后，由第三方質量檢測員對外測、內測數據進行檢驗分析，達到設計指標要求為合格，達不到為不合格，明顯超過為優良，最終統計得出驗證結果，對比驗證結果如表1所示。

表1 CANopen協議與“自定義協議”的控制系統特性對比測試

對比測試項目中，“網絡負載率”指標尤其重要，相比于其他總線技術，CAN總線通信機制的最大特點是對通信負載非常敏感，一旦通信負載增加，網絡通信性能會大幅度下降，現有的補償方法基本無法實現在通信負載不增加的前提下補償通信的延時以及丟幀[20]。對比測試數據表明，使用標準化CANopen通信協議開發的控制系統，在相同的網絡節點數量、網絡復雜程度、網絡拓撲結構情況下，采用同樣的硬件平臺和通信速率，構建的控制網絡可靠性非常高，網絡負載率較低，明顯優于“自定義協議”系統，尤其是關系到控制系統性能指標的“全系統數據刷新周期”、故障自愈能力、故障自診斷能力，以及網絡管理能力、組網難度、新節點加入難易程度、系統開發難度、網絡調試難度等方面全面超過“自定義協議”系統。

5 結束語

某高速水下航行器采用了基于CANopen網絡架構設計出航行器控制系統，進行了大量組部件級測試工作，開展了岸上工房系統級調試，完成了實航試驗。經過多航次、多目標、對抗性實航試驗驗證，航行器控制系統功能正常，滿足系統設計指標要求。

經過外部標準儀器設備實際測試，航行器控制系統CANopen網絡采用500 kbps波特率，全系統(包括控制系統、動力系統、姿態系統、智能執行機構伺服系統、地面調試系統、CAN網關電路、發控接口電路、載荷系統、模擬系統等)運行快速，信息交換流暢，傳輸滯后小，整個控制網絡負載率為21.9%，明顯優于國際CANopen現場總線網絡協會要求。

即使在干擾信號強烈的高速實航試驗過程中，CANopen控制網絡工作正常，能穩定可靠地高效工作，姿態系統響應快速，網絡數據刷新率滿足控制要求，證明航行器CANopen控制網絡滿足設計要求，該技術適用于通用UUV、ROV等多種水下航行器系統，值得推廣應用。