基于CAN總線的船舶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

1、第27卷第3期2010年3月機󰀁󰀁電󰀁󰀁工󰀁󰀁程JournalofMechanical&ElectricalEngineeringVo.l27No.3Mar.2010基于CAN總線的船舶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)張󰀁珣,葉海龍(杭州電子科技大學電子信息學院,浙江杭州310018)摘要:針對船舶傳統(tǒng)通信系統(tǒng)存在的問題,提出了基于控制器局域網(wǎng)絡(CAN)總線的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡化方案,分析了磁羅經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊、無線數(shù)據(jù)CAN總線接入模塊、PCI󰀁CAN總線接口卡模塊、步進式方位儀舷角

2、測量模塊的設計理念,給出了最基本的CAN總線接口電路原理圖,采用了TTCAN協(xié)議和雙冗余設計理念,最后設計了防雷抗干擾和脈沖群測試實驗以測試數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的可靠性。研究結果表明,系統(tǒng)的可靠性在很大程度上得到了提高,該設計在船用高精度數(shù)字磁羅經(jīng)的項目中得到了成功的應用。關鍵詞:實時性;抗干擾;控制器局域網(wǎng)絡中圖分類號:TP212󰀁󰀁󰀁󰀁文獻標識碼:A文章編號:1001-4551(2010)03-0089-04ShipdatacommunicationsystembasedonCANbusZHANGXun,YEHai󰀁l

3、ong(CollegeofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China)Abstract:Aimingattheshortagesexistinginthetraditionalcommunicationsystemofthemarineship,anetworkmethodbasedoncontrollerareanetwork(CAN)buswaspresented.Andthedesignideasofthemagneticcompassdataacquisitionmodule,wirelessd

4、ataCANbusaccessmodule,PCI󰀁CAN󰀁businterfacecardmodule,step󰀁by󰀁stepdirectionsideanglemeasurementinstrumentmoduleweregiven.ThenthemostbasicCANbusinterfacecircuitschematicwasgiven,andtheTTCANagreement,dualredundantdesignconceptwereintroduced.Finally,lightning󰀁proo

5、fandanti󰀁jammingtest,pulsegrouptestwereusedtotestsystem󰀁sreliability.Theresultsindicatethatthereliabilityofthesys󰀁temhasbeenenhanced.Thisdesignhasbeensuccessfullyappliedinthemarinehigh󰀁precisiondigitalmagneticcompass.Keywords:real󰀁time;anti󰀁interferenc

6、e;controllerareanetwork(CAN)0󰀁引󰀁言隨著計算機技術與現(xiàn)場總線技術的發(fā)展,船舶數(shù)據(jù)通信領域正在發(fā)生一場深刻的技術革命1減少了傳感器數(shù)量,降低了成本,能更好地匹配和協(xié)調各個控制系統(tǒng)設計。2。本研究基于CAN總線對船舶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進行。以微計算機(含單片機)為核心的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)正在不斷地成熟,應用范圍不斷擴大,集成度不斷提高。它是計算機網(wǎng)絡與嵌入式電子技術有效結合的過程。由現(xiàn)場總線微機控制單元完成數(shù)據(jù)采集、控制運算、控制輸出等功能。我國目前不少船舶都帶有自動化系統(tǒng),但大多數(shù)是基于RS485或RS422總線的單機監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)的可靠性低、線

7、路復雜、控制功能薄弱。CAN總線以其成本低廉、通信實時性好、糾錯能力強等優(yōu)點,共享了所有的信息和資源,簡化了布線,收稿日期:2009-07-181󰀁系統(tǒng)整體網(wǎng)絡設計方案1.1󰀁HMR羅經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊CAN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。HMR羅經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊的核心是采用Microchip公司生產(chǎn)的dsPIC30F系列單片機,dsPIC30F兼容了單片機和DSP芯片這兩類產(chǎn)品的優(yōu)點。由于羅經(jīng)數(shù)據(jù)的采集涉及到一系列比較復雜的算法,需要通過地磁場強度計算出地磁場方向,通過研究軟硬磁抵消算法,消除作者簡介:張󰀁珣(1970-),男,上海人,副教授,碩士

8、生導師,主要從事電子信息系統(tǒng)集成、射頻IC及其光電集成、計算機應用技術方面的研究.E󰀁mai:lzhxun90機 電 工 程第27卷周圍磁場干擾和消除自差,從而本研究需要選用高性能微處理器,來處理這些復雜的算法,并且編寫合理的數(shù)據(jù)處理程序及多種數(shù)據(jù)通信接口和協(xié)議。工作站上,使系統(tǒng)安全可靠,不至于丟失重要數(shù)據(jù)。圖2 CAN無線數(shù)據(jù)輸入原理框圖1.3 PCI CAN總線接口卡的設計模塊筆者在CAN總線技術和PCI局部總線的基礎上,研究PCI CAN總線互連技術的原理,研制PCI CAN總圖1 CAN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構示意圖線適配器和CAN總線節(jié)點,并開發(fā)了其相應軟件,包括上位機軟件、

9、適配器通信軟件、適配器驅動軟件和節(jié)點通信軟件。智能型PCI總線CAN適配卡的電路原理圖如圖3所示,由雙口RAM來實現(xiàn)PCI總線與CAN總線之間數(shù)據(jù)的輸入與輸出。本研究采用PLXTech公司生產(chǎn)的PCI9052,由單片機AT89S52控制CAN總線控制器的工作方式、狀態(tài)和數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收?？偩€接口卡的驅動程序采用在VB開發(fā)環(huán)境下訪問PCI設備的方法5在本研究中,傳感器3選擇Honeywell公司的HMC1021(一軸磁阻傳感器)與HMC1022(兩軸磁阻傳感器),構成一個三維磁場強度檢測電路,然后經(jīng)過CS5523(24位A/D轉換驅動芯片,自帶模擬放大器)把輸出的模擬信號轉化成數(shù)字信號,并通過

10、數(shù)據(jù)總線傳送到單片機內(nèi)部處理。磁羅經(jīng)傳感器易受周圍磁場影響而導致輸出不準確,需要消除周圍磁場干擾。一般是讓傳感器緩慢旋轉一圈,采集各個方向的磁場,利用算法的功能以初步消除干擾磁場。初步消除周圍干擾磁場后在各個指向上還會存在一些偏差,本研究采用自差消除算法來進一步減小偏差。同時建立地磁場模型,根據(jù)地球上任意點的經(jīng)度、緯度和時間計算出該點地磁差。HMR羅徑數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理是:磁傳感器感應地球磁場強度,轉換成電信號,輸出兩路小電壓信號,輸入到A/D轉換器(帶信號放大),將模擬信號轉換成數(shù)字信號,然后在單片機上進行自差和地磁差的校準和消除等處理,最后的處理數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線發(fā)送給系統(tǒng)使用。1.2

11、無線數(shù)據(jù)CAN總線接入模塊選用PLXTech公司生產(chǎn)的PCI9052(CAN通信適配卡)作為集成通信裝置的CAN通信接口,并采用周立功公司的WLAN無線網(wǎng)卡和GSM模塊(RS232串口)作為CAN的無線數(shù)據(jù)接入口。CAN無線數(shù)據(jù)輸入原理框圖如圖2所示,無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)可以通過WLAN模塊傳入到工控機中4。在VB環(huán)境下訪問PCI設備有兩種途徑: 直接訪問,即用VB直接編寫訪問PCI設備的接口函數(shù)(這種方法要有相關軟件的支持); 間接訪問,即VB調用其他編程語言(如匯編、C/C+等)編寫的底層驅動模塊(一般封裝成動態(tài)鏈接庫-DLL的形式)實現(xiàn)。本研究使用第2種方式實現(xiàn)接口卡的訪問,這種方式具有較好

12、的普遍性、靈活性,而且DLL本身也具有很強的適應性,如圖3所示。圖3 PCI總線CAN適配卡硬件電路示意圖1.4 步進式方位儀舷角測量模塊該方位儀由兩個電機與一個具有瞄準具的高倍望遠鏡組成。兩電機可以在一塊單片機芯片的帶動下,調準望遠鏡進行尋標。單片機芯片內(nèi)部有自帶EPROM,可以記錄方位儀每次走過的角度和方向,還可以由液晶屏幕實時顯示,精度可以達到0.01。電機驅動方面,采用的是SH2024B5步進電機驅動器,該驅動器采用的是PWM驅動,具有電壓范圍寬、效率高、相電流、細分數(shù)可調等特點。相電流設定為0.5A2A,細分數(shù)設定有2、5、10、20、40(共52,工控機經(jīng)過數(shù)據(jù)協(xié)議的轉換,把數(shù)據(jù)發(fā)

13、送到CAN總線網(wǎng)絡中。利用CAN總線適配卡實現(xiàn)工控機與CAN總線網(wǎng)絡的連接。當系統(tǒng)進入無線數(shù)據(jù)接收的無效區(qū)時,系統(tǒng)可能不能通過藍牙無線模塊接收到有效數(shù)據(jù),這個時候系統(tǒng)自動切換到GSM模塊,使用GSM模塊接收本,第3期張 珣,等:基于CAN總線的船舶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)91等要求。該方位儀在磁羅經(jīng)矯正過程中起到了很大的作用,可以觀察陸地目標和提供天體目標的方位。還可以測量舷角(船首向線與目標方位線的水平夾角),配合HMR羅經(jīng)得到船舶的真航向和真方位,從而對行進方向和路線作出正確判斷。大的改進:總線上不同的消息定義了不同的時間片段。在同一時間片段內(nèi),總線上只能有一條報文傳輸,這樣避免了總線仲裁,也保證了信

14、息的實時性。在遵從TTCAN協(xié)議的網(wǎng)絡中,可以對時間主控節(jié)點進行冗余,這樣在一定的程度上保證了網(wǎng)絡不丟失報文。由于TTCAN采用了分時傳送,不會出現(xiàn)因網(wǎng)絡擁塞而導致的傳輸延時,保證了實時性,從而不會出現(xiàn)誤操作,保證了可靠性。本研究同時提出了利用CAN總線雙冗余方法來解決總線故障問題,其思路是對整個CAN系統(tǒng)進行冗余。系統(tǒng)運行時,有兩套系統(tǒng)同時運行,一套是主系統(tǒng),另外一套是輔助系統(tǒng),中間有切換控制器,一旦發(fā)現(xiàn)主系統(tǒng)有問題,馬上切換到輔助系統(tǒng)。雖然系統(tǒng)復雜度增加了,但是卻提高了系統(tǒng)的實時性。本系統(tǒng)中的TTCAN兼容控制器即采用了TTCAN協(xié)議和雙冗余措施,提高CAN的實時性和可靠性。2 CAN總線

15、接口電路CAN總線接口電路原理簡圖如圖4所示,在dsPIC與PCA25C250之間采用了光電隔離接口,以降低不同系統(tǒng)之間的共模電壓串擾,并減少過高的共模電壓對器件的損壞,提高系統(tǒng)的可靠性。在總線的兩端分別接一個120 的電阻,對總線阻抗的匹配具有很大的作用。之所以采用PCA25C250作為總線驅動器,是因為它的傳輸速率可達1Mbps,且有很強的抗瞬間干擾和保護總線的能力,可以實現(xiàn)降低射頻干擾的斜率控制、熱保護、防止電池與地之間短路等功能。為提高接口電路的抗干擾能力,還可考慮以下措施64 CAN總線防雷抗干擾設計船在茫茫大海中航行,難免會遇到打雷下雨的時候,以致對整船的電子設備及數(shù)據(jù)的實時、可靠

16、通信產(chǎn)生很大的影響。因此筆者參考了浪拓電子技術有限公司生產(chǎn)的浪涌保護BA401N、NUP2105等產(chǎn)品以進一步完善本研究的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。CAN總線保護器是一個雙向瞬態(tài)電壓抑制器,用以保護高速和容錯CAN網(wǎng)中的收發(fā)器免受EMI和ESD的影響。CAN總線保護方案如圖5所示,該設計電路在關鍵的CAN網(wǎng)應用中(特別是如雷電等惡劣的環(huán)境中),將起到很好的保護作用。其中BA401N、NUP2105吸收瞬態(tài)電壓事件的能量,以避免損壞CAN收發(fā)器。二極管采用雙向配置,防止長電纜的系統(tǒng)因共模電壓失調而對正常的數(shù)據(jù)線路信號造成鉗位。: 在82C250的CANH、CANL端與地之間并聯(lián)2個30pF的小電容,以濾除總

17、線上的高頻干擾,防止電磁輻射。 在82C250的CANH、CANL端與CAN總線之間各串聯(lián)1個5 的電阻,以限制電流,保護82C250免受過流沖擊。 在82C250、6N137等集成電路的電源端與地之間加入1個100nF的去耦合電容,以降低干擾。圖4 CAN總線接口電路原理簡圖3 CAN總線數(shù)據(jù)實時性與可靠性的研究在CAN網(wǎng)絡中,通信是時間觸發(fā)的,當同一時間有多個報文同時發(fā)送時,數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)高峰負荷。這個時候就會出現(xiàn)信息傳輸不確定、優(yōu)先級反轉等問題,而且實時性受到很大程度的削弱,同時微控制器和應用程序還會出現(xiàn)無意識的副作用。因此為了改善CAN總線的實時性能,本研究提出了利用TTCAN協(xié)議作為7

18、C,NUP2105L的小電容非常適合用于數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mbit/s的系統(tǒng)。此器件符合ISO11898 2物理層規(guī)范,達到了抑制ESD和EMI的行業(yè)標準,并通過,圖5 CAN總線保護方案92機 電 工 程第27卷9 11了抗瞬態(tài)干擾能力的測試,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大提高?，F(xiàn)靈活組態(tài),而且局限于局部的、單一的、獨立的監(jiān)控和管理,而現(xiàn)在的系統(tǒng)采用了CAN技術、冗余技術、檢驗技術以及TTCAN協(xié)議之后,系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性、安全性得到了很大程度的提高,而且配置了大范圍、多層次、集中式的管理系統(tǒng),可以保證現(xiàn)有的硬件資源及未來網(wǎng)絡的可擴充性,很好地解決了設備連接問題和數(shù)據(jù)可靠傳輸問題。該系統(tǒng)已經(jīng)在高精

19、度數(shù)字磁羅經(jīng)的項目中得到了很好的應用。參考文獻(References):1 姚建新.航海數(shù)字指向集成系統(tǒng)D.杭州:杭州電子科技大學電子信息學院,2008.2 王 巍,侯利民.基于混沌優(yōu)化PID控制的滲碳爐溫控制系統(tǒng)的研究J.2008,37(3):22-23.3 MCFARLANEA.FieldbusreviewJ.1997,17(3):204-210.SensorReview,5 抗瞬態(tài)干擾能力的測試為了測試系統(tǒng)的抗干繞能力,本研究采用普銳馬電子有限公司生產(chǎn)的群脈沖發(fā)生器,實驗的工作原理8為:首先用15m左右的總線長度接入5個通信主從節(jié)點,用快速瞬變脈沖群發(fā)生器產(chǎn)生干擾脈沖群(持續(xù)大約200s

20、,幅度不同的2.5kHz的脈沖干擾串),通過電容耦合夾將脈沖群干擾耦合到CAN總線通訊電纜,然后同時發(fā)送干擾脈沖與數(shù)據(jù)信號,再觀察主、從節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)情況,以及主機接收數(shù)據(jù)的正確性。在試驗中本研究使用EFT610004B脈沖群發(fā)生器,輸出電壓為04500V 10%,脈沖頻率為2.5kHz、5kHz、100kHz、200kHz 10%,脈沖串長度為5ns 30%。實驗結果如表1所示。表1波特率干擾脈沖幅值/kV0.81Mbps11.20.811.2250Kbps0.811.2結果通信正常,無失幀,無錯誤狀態(tài)通信不正常,有失幀,有錯誤狀態(tài)通信不正常,有失幀,有錯誤狀態(tài)通信正常,無失幀,無錯誤狀態(tài)通

21、信正常,無失幀,無錯誤狀態(tài)通信不正常,有失幀,有錯誤狀態(tài)通信正常,無失幀,無錯誤狀態(tài)通信正常,無失幀,無錯誤狀態(tài)通信不正常,有失幀,有錯誤狀態(tài)4 林 海.CAN無線接入與GPS定位集成裝置的研究與實現(xiàn)D.南京:東南大學自動化學院,2004.5 李晉輝.PCI CAN總線互連技術及其實現(xiàn)方法的研究D.北京:北京化工大學信息科學與技術學院,2003.6作者不詳.CAN總線接口電路設計中的問題EB/OL.2007-07-17.http:/www.dzk.fcn/html/zonghe jishu/2007/0717/2386.htm.l7 申 劍.基于CAN總線氣體監(jiān)測系統(tǒng)的通訊可靠性分析J.工業(yè)控制計算機,2007,20(6):3-5.8 劉艷強.CAN總線通訊的電磁兼容性能分析與設計J.電子技術應用,2006,32(8):20-30.9 PIGGINR,YOUNGK,MCLAUGHLINR.Thecurrent500Kbpsfieldbusst