基于雙層CAN總線(xiàn)的聲納數據通信系統設計

隨著(zhù)數字式聲納系統的發(fā)展，聲納基陣越來(lái)越大，系統功能日趨復雜，一部現代聲納要對幾十路甚至幾百路的數據進(jìn)行采集，大容量數據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(wǎng)傳輸方式為超時(shí)重發(fā)機制，單點(diǎn)的故障容易擴散，造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的癱瘓。由于CAN總線(xiàn)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場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN為多主方式工作，其節點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級，采用非破壞仲裁技術(shù)，報文采用短幀結構，數據出錯率極低，節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下可自動(dòng)關(guān)閉輸出。本系統利用雙層CAN總線(xiàn)實(shí)現聲納數據通信，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。

1 設計原理
本數據通信系統要同時(shí)對多區域、多單元的數據信息進(jìn)行傳輸及管理控制，因此采用分層、分區域的思想實(shí)現通信。系統采用單片機中間控制器作為各采集區域的核心控制器，實(shí)現上下層間的數據交換。采集單元自身具有微控制器和存儲器，既可作為系統的重要組成部分，參與系統功能的實(shí)現，也可作為獨立單元來(lái)完成數據采集功能，即在系統出現通信等故障的情況下，采集單元仍可以獨立實(shí)現數據采集功能，并進(jìn)行數據存儲，提高了系統的可靠性。單片機中間控制器是數據通信的區域控制器，提供上層網(wǎng)絡(luò )和下層網(wǎng)絡(luò )通訊的雙接口。一方面通過(guò)底層網(wǎng)絡(luò )(Bot-CAN Bus)與各個(gè)采集單元進(jìn)行通訊，實(shí)現對本區域數據的傳輸與處理；另一方面通過(guò)上層網(wǎng)絡(luò )(Top-CAN Bus)與上位機進(jìn)行數據通訊，實(shí)現上位機對各個(gè)采集區域和采集單元的信息采集和控制。系統結構原理框圖如圖1所示。

2 系統設計
系統主要由上位機、單片機中間控制器PIC18F4580、CAN總線(xiàn)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(xiàn)接口、單片機中間控制器的雙CAN總線(xiàn)接口和上位機的CAN總線(xiàn)接口。采集單元的CAN總線(xiàn)接口采用標準的CAN總線(xiàn)接口。上位機采用工業(yè)控制計算機，可通過(guò)CAN適配卡連接到CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上。單片機中間控制器的雙層CAN總線(xiàn)接口電路是系統設計的關(guān)鍵，其原理框圖，如圖2所示。
2．1 雙層CAN總線(xiàn)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(xiàn)與各采集單元進(jìn)行通信。為了實(shí)現兩路獨立的CAN總線(xiàn)，需要通過(guò)單片機的SPI口向外擴展一路CAN控制器，該路CAN總線(xiàn)實(shí)現與上位機的通信。
外擴展CAN控制器選用MieroChip生產(chǎn)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(shí)具有接收濾波和信息管理的功能。MCP2510通過(guò)SPI接口與PIC18F4580進(jìn)行數據傳輸，最高數據傳輸速率可達5 MB／s，PIC18F4580可通過(guò)MCP2510與CAN總線(xiàn)上的其他MCU單元通訊。MCP2510內含3個(gè)發(fā)送緩沖器、兩個(gè)接收緩沖器，同時(shí)還具有靈活的中斷管理能力，這些特點(diǎn)使得MCU對CAN總線(xiàn)的操作變得靈活簡(jiǎn)便。為提高系統的抗干擾能力，在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間加入高速光耦HCPL0600，其數據傳輸速率為10 MB／s，隔離電壓為2 500 V。CAN數據收發(fā)器選用Philips公司生產(chǎn)的TJA1040T，具有功耗低和電磁兼容性好的特點(diǎn)。使用MCP2510擴展CAN總線(xiàn)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(lái)說(shuō)明具體的設計方法。使用單片機的RA5管腳來(lái)輸出MCP2510的片選信號，單片機的INT1管腳作為接收到有效數據包時(shí)的中斷輸入腳，利用單片機的SPI端口SDO，SDI和SCK與MCP251O實(shí)現數據的接收與發(fā)送。為了增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)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(guò)高速光耦HCPL0600連接，這樣可實(shí)現總線(xiàn)上各CAN節點(diǎn)間的電氣隔離。另外，CAN總線(xiàn)兩端接有一個(gè)120 Ω的電阻，其作用是匹配總線(xiàn)阻抗。實(shí)驗證明，忽略匹配電阻的接入會(huì )使數據通信的抗干擾性以及可靠性降低，甚至無(wú)法實(shí)現數據通信。
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(shí)現，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。為方便系統測設，設置了3個(gè)發(fā)光管指示燈，分別對CPU狀態(tài)和兩層CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運行狀態(tài)進(jìn)行顯示。