基于can總線的水下航行器的設計

1、<p>　　基于CAN總線的水下航行器的設計</p><p>　　[摘 要]為滿足水下航行器對實時數(shù)據(jù)的通信和控制的要求，設計CAN總線通信，實現(xiàn)基于CAN總線的水下航行器的控制系統(tǒng)，將水下航行器分為若干個系統(tǒng)，對應不同的CAN總線節(jié)點，用CAN總線構(gòu)成多主站分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)水下航行器的實時通信。試驗表明，該總線結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)更加精簡，擴展性強，指令相應速度快，通信性能得到進一步的增強。 </

2、p><p>　　[關(guān)鍵詞]CAN總線 水下航行器 節(jié)點 </p><p>　　中圖分類號：TH56 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）16-0228-01 </p><p><b>　　1.引言 </b></p><p>　　水下航行器是一種具有自適應能力，實現(xiàn)對各控制器及執(zhí)行機構(gòu)的控制，并根據(jù)傳感器的

3、信號、控制器反饋信息以及環(huán)境的變化而做出規(guī)劃和決策。主要有集中式和分布式控制，考慮到可擴展性、安全性、模塊化和分艙斷等特點，分布式系統(tǒng)使用較為普遍，由于CAN總線的低成本、總線利用率高、數(shù)據(jù)傳輸距離遠、高效的數(shù)據(jù)傳輸速率、可根據(jù)數(shù)據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽報文、可靠地錯誤處理和檢測機制、自動重發(fā)、節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能等特點，我們在基于CAN總線下對水下航行器進行設計并控制，并通過實物調(diào)試與試驗，具有穩(wěn)定性和可靠性

4、。 </p><p><b>　　2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　水下航行器通訊系統(tǒng)主要由GPS、慣性導航系統(tǒng)、方向舵、電機、升降舵、潛浮系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、狀態(tài)記錄系統(tǒng)、深度計組成，各個系統(tǒng)為CAN總線一個節(jié)點，如圖1所示。在CAN總線首尾接上各接上120歐姆電阻作為匹配電阻。 </p><p><b>　　3.數(shù)據(jù)傳輸

5、 </b></p><p>　　Can總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有航行控制命令和各控制器的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)的傳輸只要分為三類： </p><p>　　1.主控制器不斷地在總線上輪詢發(fā)送各個控制器的查詢信息，各控制器根據(jù)發(fā)送的指令信息返回狀態(tài)信息。 </p><p>　　2.主控制器根據(jù)實時的狀態(tài)信息，求出下一時刻的位置信息，對各控制器發(fā)送航行控制指令，使水下

6、航行器按照規(guī)定的軌跡進行航行。 </p><p>　　3.主控制器根據(jù)各控制器返回的狀態(tài)信息來判斷是否出現(xiàn)緊急情況，并根據(jù)事件的輕重緩急來進行處理。如打舵上浮、吹除上浮。 </p><p><b>　　4.設計 </b></p><p>　　設計主要分為硬件和軟件兩個方面，主要對主控制器進行設計，主控制器與各控制器之間通過CANH、CANL進行

7、連接，根據(jù)通信協(xié)議要求進行實時通信。 </p><p><b>　　4.1 硬件 </b></p><p>　　主控制器由M4060CPU模塊，通過PC/104/PCI總線實現(xiàn)對DETH、ADT-800以及A3-CSD的擴展，實現(xiàn)相互之間的控制與數(shù)據(jù)傳輸，利用精密電阻完成電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，使電流信號能被系統(tǒng)采集，另外DC-DC模塊實現(xiàn)對外部電源24V到系統(tǒng)5V

8、電源的隔離與轉(zhuǎn)換，并配有相應的保護與濾波電路，從而形成一個完成的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 </p><p>　　A3-CSD為串口、CAN通信集成擴展板卡，CAN總線控制芯片為飛利浦研發(fā)的SJA1000，集成在PC/104通訊卡上。 </p><p>　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖入圖2所示： </p><p><b>　　4.2 軟件 </b></p>

9、;<p>　　軟件模塊的核心為初始化，數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。 </p><p><b>　　4.2.1初始化 </b></p><p>　　初始化過程首先配置SJA1000的工作狀態(tài)，加載驅(qū)動后通過調(diào)用Can_Init函數(shù)進行初始化，初始化包括工作模式、濾波方式、通訊波特率、中斷使能、接收碼等，負責創(chuàng)建接收任務。 </p><p>

10、　　4.2.2數(shù)據(jù)發(fā)送 </p><p>　　發(fā)送數(shù)據(jù)模式負責將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SJA1000芯片，同時檢測發(fā)送的結(jié)果。首先構(gòu)造發(fā)送報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Can_TPacket_t，然后通過調(diào)用Can_SendMsg函數(shù)發(fā)送報文。 </p><p>　　4.2.3數(shù)據(jù)接收 </p><p>　　數(shù)據(jù)接收模塊負責將SJA1000芯片接收到的數(shù)據(jù)，讀入軟件緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)接收模塊包括

11、中斷服務和接收任務。中斷服務程序?qū)儆诘湫偷慕Y(jié)構(gòu)，讀取中斷狀態(tài)，根據(jù)中斷狀態(tài)分別處理中斷。由于SJA1000芯片接收FIFO狀態(tài)寄存器與中斷狀態(tài)寄存器關(guān)聯(lián)，即FIFO只有為空，中斷狀態(tài)才會清空，導致必須在中斷服務程序中將FIFO中的數(shù)據(jù)全部讀入軟件FIFO。當中斷處理完畢，中斷服務程序觸發(fā)信號量通知接收任務工作。首先在安裝的回調(diào)函數(shù)中調(diào)用Can_IsFifoEmpty查詢Can的FIFO狀態(tài)，若FIFO中有數(shù)據(jù)調(diào)用Can_ReadMsg讀

12、取Can報文。 </p><p>　　主控制器不斷的向各控制器發(fā)送查詢指令，各控制器根據(jù)幀ID號判斷是否做出響應，如表4所示。 </p><p>　　試驗表明，CAN總線實時通信系統(tǒng)，能滿足系統(tǒng)各部分的信息交換，保證系統(tǒng)的正常工作，而總線系統(tǒng)的優(yōu)點使對系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的監(jiān)控更加有效、及時，CAN總線診斷協(xié)議的合理應用有利于系統(tǒng)的實時通信故障診斷與分析，系統(tǒng)易于增加新的CAN節(jié)點，有利于系統(tǒng)功能

13、的擴充和升級。 </p><p><b>　　5.結(jié)論 </b></p><p>　　本文介紹了基于CAN總線的分布式通信機制，將CAN總線應用于水下航行器，構(gòu)成了多主站的分布式控制系統(tǒng)，取代以往的集中式控制系統(tǒng)。該總線結(jié)構(gòu)可以使水下航行器通信線纜得到有效的精簡，并能使整機系統(tǒng)獲得較好的通信性能。 </p><p><b>　　參考文

14、獻 </b></p><p>　　[1] 劉衛(wèi)東，高立娥等.基于CAN總線的自主水下航行器內(nèi)部通信與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19（6）：1320-1322. </p><p>　　[2] 史久根.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004. </p><p>　　[3] 黃時?紓?劉健，王國權(quán).AUV內(nèi)部通訊總線設計[J