基于雙層CAN總線的聲納數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設計

隨著數(shù)字式聲納系統(tǒng)的發(fā)展，聲納基陣越來越大，系統(tǒng)功能日趨復雜，一部現(xiàn)代聲納要對幾十路甚至幾百路的數(shù)據(jù)進行采集，大容量數(shù)據(jù)的遠距離傳輸成為聲納設計的重要課題。以往采用的以太網傳輸方式為超時重發(fā)機制，單點的故障容易擴散，造成整個網絡系統(tǒng)的癱瘓。由于CAN總線傳輸距離遠、速度快，有較強的抗電磁干擾能力，已成為國際上應用最廣的現(xiàn)場總線之一。CAN為多主方式工作，其節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，采用非破壞仲裁技術，報文采用短幀結構，數(shù)據(jù)出錯率極低，節(jié)點在錯誤嚴重的情況下可自動關閉輸出。本系統(tǒng)利用雙層CAN總線實現(xiàn)聲納數(shù)據(jù)通信，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。

1 設計原理
    本數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)要同時對多區(qū)域、多單元的數(shù)據(jù)信息進行傳輸及管理控制，因此采用分層、分區(qū)域的思想實現(xiàn)通信。系統(tǒng)采用單片機中間控制器作為各采集區(qū)域的核心控制器，實現(xiàn)上下層間的數(shù)據(jù)交換。采集單元自身具有微控制器和存儲器，既可作為系統(tǒng)的重要組成部分，參與系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，也可作為獨立單元來完成數(shù)據(jù)采集功能，即在系統(tǒng)出現(xiàn)通信等故障的情況下，采集單元仍可以獨立實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，并進行數(shù)據(jù)存儲，提高了系統(tǒng)的可靠性。單片機中間控制器是數(shù)據(jù)通信的區(qū)域控制器，提供上層網絡和下層網絡通訊的雙接口。一方面通過底層網絡(Bot-CAN Bus)與各個采集單元進行通訊，實現(xiàn)對本區(qū)域數(shù)據(jù)的傳輸與處理；另一方面通過上層網絡(Top-CAN Bus)與上位機進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)上位機對各個采集區(qū)域和采集單元的信息采集和控制。系統(tǒng)結構原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計
    系統(tǒng)主要由上位機、單片機中間控制器PIC18F4580、CAN總線控制器MCP2510、收發(fā)器TJA1040T、高速光耦HCPL0600、各采集單元等組成。接口包括采集單元的CAN總線接口、單片機中間控制器的雙CAN總線接口和上位機的CAN總線接口。采集單元的CAN總線接口采用標準的CAN總線接口。上位機采用工業(yè)控制計算機，可通過CAN適配卡連接到CAN總線網絡上。單片機中間控制器的雙層CAN總線接口電路是系統(tǒng)設計的關鍵，其原理框圖，如圖2所示。
2．1 雙層CAN總線接口電路
    單片機中間控制器PIC18F4580自身就集成了一路CAN控制器，該路CAN總線與各采集單元進行通信。為了實現(xiàn)兩路獨立的CAN總線，需要通過單片機的SPI口向外擴展一路CAN控制器，該路CAN總線實現(xiàn)與上位機的通信。
    外擴展CAN控制器選用MieroChip生產的獨立可編程CAN控制器芯片MCP2510，MCP2510是一種帶有SH接口的CAN控制器，它支持CAN2．0A／B協(xié)議，并能夠發(fā)送和接收標準及擴展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。MCP2510通過SPI接口與PIC18F4580進行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達5 MB／s，PIC18F4580可通過MCP2510與CAN總線上的其他MCU單元通訊。MCP2510內含3個發(fā)送緩沖器、兩個接收緩沖器，同時還具有靈活的中斷管理能力，這些特點使得MCU對CAN總線的操作變得靈活簡便。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間加入高速光耦HCPL0600，其數(shù)據(jù)傳輸速率為10 MB／s，隔離電壓為2 500 V。CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器選用Philips公司生產的TJA1040T，具有功耗低和電磁兼容性好的特點。使用MCP2510擴展CAN總線的接口電路原理圖，如圖3所示。

    圖3中，單片機只給出部分管腳來說明具體的設計方法。使用單片機的RA5管腳來輸出MCP2510的片選信號，單片機的INT1管腳作為接收到有效數(shù)據(jù)包時的中斷輸入腳，利用單片機的SPI端口SDO，SDI和SCK與MCP251O實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，MCP2510的TXCAN和RXCAN并不是直接與TJA1040的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦HCPL0600連接，這樣可實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。另外，CAN總線兩端接有一個120 Ω的電阻，其作用是匹配總線阻抗。實驗證明，忽略匹配電阻的接入會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性以及可靠性降低，甚至無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
    單片機與各采集單元之間的通信利用自身集成的CAN控制器實現(xiàn)，只需將高速光耦HCPL0600與PIC18F4580的CAN控制器部分直接接口即可，不再贅述。為方便系統(tǒng)測設，設置了3個發(fā)光管指示燈，分別對CPU狀態(tài)和兩層CAN總線網絡運行狀態(tài)進行顯示。
2．2 電源監(jiān)測與隔離電路
    電源是通信系統(tǒng)的能量保證，電源電路的可靠性和穩(wěn)定性對系統(tǒng)能否正常工作起著至關重要的作用。為最大限度減小噪聲和干擾，光耦部分采用的兩個電源VCC與VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。
    系統(tǒng)采用ICL7665對5 V電源進行監(jiān)測，當電源電壓在4．8～5．2 V之間時，OUT1和OUT2均輸出高電平；當電源電壓高于5．2 V時，OUT1輸出低電平，OUT2輸出高電平；當電源電壓低于4．8 V時，OUT1輸出高電平，OUT2輸出低電平。ICL7665的輸出信號通過光電耦合器TLP281接入PIC18F4580的I／O口，實現(xiàn)對電源電壓的監(jiān)控，使電源電壓誤差<4％。TLP281通過電光和光電傳遞信號，在電氣上隔離信號的發(fā)送端和接收端。這種隔離作用能有效抑制噪聲，消除接地回路的干擾。電源監(jiān)測與隔離電路原理圖如圖4所示。

2．3 軟件設計
    通信程序主要包括節(jié)點初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、數(shù)據(jù)接收程序以及CAN總線出錯處理程序等。為便于移植和資源共享，系統(tǒng)軟件設計采用C語言實現(xiàn)，軟件遵循模塊化設計思想，采用結構化程序設計方案，使其具有良好的擴展性。
    在CAN通信過程中，初始化包括設置SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收過濾器和屏蔽器以及發(fā)送和接收中斷允許標志位等。內部和外部CAN控制器在接收數(shù)據(jù)時采用中斷方式，發(fā)送數(shù)據(jù)時采用查詢方式。與內部CAN控制器不同的是，讀、寫MCP2510的發(fā)送和接收緩沖器必須通過SPI接口協(xié)議的讀寫命令來實現(xiàn)。寫指令首先被發(fā)送到MCP2510的SI引腳，并在SCK的上升沿鎖存每個數(shù)據(jù)位，然后發(fā)送地址和數(shù)據(jù)。指令執(zhí)行完畢后，數(shù)據(jù)被寫進指定的地址單元中，再通過SPI接口協(xié)議的寫命令來設置發(fā)送位以啟動發(fā)送。讀操作時，首先將讀指令和地址發(fā)送到MCP2510的SI引腳，并在SCK的上升沿鎖存每個數(shù)據(jù)位。同時把存貯在這個地址單元中的數(shù)據(jù)在SCK的下降沿輸出到SO引腳。當執(zhí)行讀寫操作時，CS引腳應始終保持在低電平。外部擴展CAN總線軟件設計的流程圖，如圖5所示。

3 系統(tǒng)測試
    CAN總線協(xié)議有很好的錯誤校驗措施，當硬件檢測到數(shù)據(jù)在傳送過程中發(fā)生錯誤時，會自動重新發(fā)送數(shù)據(jù)，當某一節(jié)點的錯誤嚴重時，總線會自動關閉該節(jié)點，且不影響其他節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送。
    為了驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及通信可靠性，分別對CAN總線上位機與各中間控制器節(jié)點、中間控制器與各采集單元節(jié)點進行實時仿真測試。仿真通信介質采用100 m長屏蔽電纜，采用多種數(shù)據(jù)幀結構，選用總線速率為20 kB／s，傳送數(shù)據(jù)域長度為8 bit的數(shù)據(jù)幀。分別進行上位機與節(jié)點的單幀和多幀通信。從主控狀態(tài)顯示情況來看，無數(shù)據(jù)傳送出錯和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，性能穩(wěn)定，驗證系統(tǒng)具有一定的可靠性。

4 結束語
    本文結合CAN總線在航海領域的應用狀況，在研究CAN總線技術和PIC單片機功能的基礎上，設計了一種基于雙層CAN總線的聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過結合PIC18F4580內置CAN控制器及外擴展CAN控制器的方式，以具有雙CAN總線接口的單片機中間控制器為核心，采用分級、分區(qū)域組合的思想實現(xiàn)兩級、多區(qū)域數(shù)據(jù)信息的采集。系統(tǒng)充分融合了CAN總線傳輸距離遠，傳輸速率高，抗干擾能力強的特點，通過實驗檢測，文中所提出的設計方案可行，完全滿足聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)高穩(wěn)定性、高可靠性的要求。系統(tǒng)不僅適用于船舶聲納數(shù)據(jù)的采集，而且可對CAN總線在航空領域的應用提供參考。