基于can總線的水下航行器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于CAN總線的水下航行器的設(shè)計(jì)</p><p>　　[摘 要]為滿足水下航行器對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信和控制的要求，設(shè)計(jì)CAN總線通信，實(shí)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(gè)系統(tǒng)，對應(yīng)不同的CAN總線節(jié)點(diǎn)，用CAN總線構(gòu)成多主站分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水下航行器的實(shí)時(shí)通信。試驗(yàn)表明，該總線結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)更加精簡，擴(kuò)展性強(qiáng)，指令相應(yīng)速度快，通信性能得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。 </

2、p><p>　　[關(guān)鍵詞]CAN總線 水下航行器 節(jié)點(diǎn) </p><p>　　中圖分類號：TH56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)對各控制器及執(zhí)行機(jī)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(kuò)展性、安全性、模塊化和分艙斷等特點(diǎn)，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(yuǎn)、高效的數(shù)據(jù)傳輸速率、可根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽報(bào)文、可靠地錯(cuò)誤處理和檢測機(jī)制、自動(dòng)重發(fā)、節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能等特點(diǎn)，我們在基于CAN總線下對水下航行器進(jìn)行設(shè)計(jì)并控制，并通過實(shí)物調(diào)試與試驗(yàn)，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(dǎo)航系統(tǒng)、方向舵、電機(jī)、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(jì)組成，各個(gè)系統(tǒng)為CAN總線一個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(gè)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(shí)時(shí)的狀態(tài)信息，求出下一時(shí)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(jìn)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(jìn)行處理。如打舵上浮、吹除上浮。 </p><p><b>　　4.設(shè)計(jì) </b></p><p>　　設(shè)計(jì)主要分為硬件和軟件兩個(gè)方面，主要對主控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，主控制器與各控制器之間通過CANH、CANL進(jìn)行

7、連接，根據(jù)通信協(xié)議要求進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對DETH、ADT-800以及A3-CSD的擴(kuò)展，實(shí)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(shí)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(yīng)的保護(hù)與濾波電路，從而形成一個(gè)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(kuò)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(dòng)后通過調(diào)用Can_Init函數(shù)進(jìn)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(fù)責(zé)創(chuàng)建接收任務(wù)。 </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(fù)責(zé)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SJA1000芯片，同時(shí)檢測發(fā)送的結(jié)果。首先構(gòu)造發(fā)送報(bào)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(bào)文。 </p><p>　　4.2.3數(shù)據(jù)接收 </p><p>　　數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)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(wù)和接收任務(wù)。中斷服務(wù)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(huì)清空，導(dǎo)致必須在中斷服務(wù)程序中將FIFO中的數(shù)據(jù)全部讀入軟件FIFO。當(dāng)中斷處理完畢，中斷服務(wù)程序觸發(fā)信號量通知接收任務(wù)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(bào)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(yīng)，如表4所示。 </p><p>　　試驗(yàn)表明，CAN總線實(shí)時(shí)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(diǎn)使對系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的監(jiān)控更加有效、及時(shí)，CAN總線診斷協(xié)議的合理應(yīng)用有利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信故障診斷與分析，系統(tǒng)易于增加新的CAN節(jié)點(diǎn)，有利于系統(tǒng)功能

13、的擴(kuò)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(jī)制，將CAN總線應(yīng)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(jī)系統(tǒng)獲得較好的通信性能。 </p><p><b>　　參考文

14、獻(xiàn) </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(xué)報(bào)，2007，19（6）：1320-1322. </p><p>　　[2] 史久根.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004. </p><p>　　[3] 黃時(shí)?紓?劉健，王國權(quán).AUV內(nèi)部通訊總線設(shè)計(jì)[J