CAN總線(xiàn)在波動(dòng)仿生推進(jìn)器中的應用

　　作為一種面向水下航行器的新型仿生推進(jìn)裝置，波動(dòng)仿生推進(jìn)器主要模擬依靠身體波動(dòng)式推進(jìn)的魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)方式，以單柔性長(cháng)鰭的波動(dòng)推進(jìn)為基礎，利用多背鰭之間的協(xié)同控制來(lái)產(chǎn)生推力、升力、偏航和俯仰力矩。在機構設計上，一個(gè)單柔性長(cháng)鰭由若干根鰭條組成，通過(guò)對這若干根鰭條進(jìn)行不同的配置，可以實(shí)現單柔性長(cháng)鰭不同的波形。而波形參數（波長(cháng)、波幅、波頻、波傳播方向等）的不同將直接影響到單柔性長(cháng)鰭所產(chǎn)生推力的大小。在研究初期，需要對單柔性長(cháng)鰭進(jìn)行靈活控制，以便確定推進(jìn)效率最優(yōu)的波形參數。為此，我們設計了一種多電機獨立控制方案，即由一個(gè)電機控制一根鰭條，通過(guò)電機之間的協(xié)調來(lái)實(shí)現對單柔性長(cháng)鰭的波動(dòng)控制。

　　CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)，又稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，是Bosch公司在現代汽車(chē)技術(shù)中領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，也是一種串行通訊協(xié)議。其卓越的可靠性和傳輸的高速性，使它能夠有效地支持具有很高安全等級的分布式實(shí)時(shí)控制。CAN總線(xiàn)現在已廣泛應用于工業(yè)現場(chǎng)控制、智能大廈、環(huán)境監控等眾多領(lǐng)域，從高速的網(wǎng)絡(luò )到通用的多路接線(xiàn)都可以使用。在汽車(chē)電子行業(yè)里，使用CAN總線(xiàn)連接發(fā)動(dòng)機控制單元、傳感器、防剎車(chē)系統等，其傳輸速度可達1Mbit/s。波動(dòng)仿生推進(jìn)器多電機系統內部通訊總線(xiàn)與汽車(chē)內部總線(xiàn)有很多相似的特性，如都處于強機械震蕩、強電磁干擾環(huán)境等，而且CAN總線(xiàn)在機器人內部通訊系統中的應用已經(jīng)有了許多成功的先例。因此在波動(dòng)仿生推進(jìn)器的內部通訊總線(xiàn)設計中采用CAN協(xié)議。

1系統總體結構

　　水下波動(dòng)仿生推進(jìn)器采用分級控制的思路，總體網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。在岸上，以一臺IBM-PC機作為操控平臺，實(shí)現操縱命令的給定、彈載內部運行狀態(tài)的監測與可視化管理以及人機界面的功能。它通過(guò)RS-232總線(xiàn)連接到仿生推進(jìn)器內部的主控上位機PC/104上。PC/104是仿生推進(jìn)器運動(dòng)控制的核心模塊，負責實(shí)現除底層電機控制模塊以外的所有上層控制算法，包括多電機的波形控制、姿態(tài)與深度測量、安全狀態(tài)監控等。其中，多電機的波形控制是通過(guò)PC/104對底層若干個(gè)電機控制節點(diǎn)的協(xié)調來(lái)實(shí)現的，通過(guò)采用基于CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的串行通信協(xié)議，保證了通信的可靠性及實(shí)時(shí)性。

　　在本系統中，核心控制部分采用SBS公司的PC/104模塊，并通過(guò)該公司集成的基于PC/104的CSD-CAN總線(xiàn)控制器與波動(dòng)仿生推進(jìn)器內部的各控制節點(diǎn)組成CAN通信網(wǎng)絡(luò )。在底層各電機控制節點(diǎn)上，采用日本安川公司模塊化SGMAH04型交流伺服電機和相應SGDM04ADA型伺服驅動(dòng)器。該伺服驅動(dòng)器可通過(guò)自帶的RS-232串口（CN3）與數字操作器或者PC聯(lián)接，通過(guò)編碼器接頭（CN2）聯(lián)接編碼器至伺服電機，同時(shí)它還提供一個(gè)實(shí)時(shí)I/O端口（CN1）可與運動(dòng)模塊MP910等或其它上級裝置聯(lián)接。向其I/O端口發(fā)送脈沖序列可以對電機進(jìn)行速度和位置控制，向其串口發(fā)送命令指令可以獲取電機當前的速度和位置信息。這樣，我們可以跳過(guò)最底層與電機接口部分的軟硬件開(kāi)發(fā)，而通過(guò)單片機直接對伺服驅動(dòng)器進(jìn)行控制。在各個(gè)電機控制節點(diǎn)上，研制相應的CAN智能節點(diǎn)以實(shí)現與彈載上位機PC/104的通信。

　　波動(dòng)仿生推進(jìn)器中CAN網(wǎng)絡(luò )必須具備波形控制和狀態(tài)監控兩大功能。對于該多電機系統，各個(gè)節點(diǎn)相互獨立，通過(guò)在PC/104中對這若干個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行合理的調配來(lái)實(shí)現波動(dòng)仿生推進(jìn)器的波形控制功能。另外，各CAN節點(diǎn)實(shí)時(shí)監測本控制節點(diǎn)對應電機的工作狀態(tài)，并將其返回給上位機;同時(shí)，各CAN節點(diǎn)定時(shí)監測節點(diǎn)本身的工作狀態(tài)，利用CAN總線(xiàn)協(xié)議強大的錯誤處理功能對各種可能出現的錯誤進(jìn)行分析處理。

2CAN網(wǎng)絡(luò )的硬件方案

　　由圖1可知，各個(gè)CAN節點(diǎn)直接掛接于同一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )。它們的軟硬件組成結構完全一致，硬件組成框圖見(jiàn)圖2。

　　系統中的各CAN節點(diǎn)采用的都是智能節點(diǎn)，即都由微控制器和可編程的CAN控制芯片組成。從圖2可以看出，各CAN節點(diǎn)電路主要由微控制器AT89C51、獨立CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器82C250、高速光耦6N137、撥碼開(kāi)關(guān)地址輸入電路、電源監測與看門(mén)狗電路以及面向伺服電機的部分電路組成。
　　

　　由于采用了模塊化的伺服電機驅動(dòng)器，各控制節點(diǎn)只需實(shí)現簡(jiǎn)單的伺服控制功能，故采用Atmel公司的8位單片機AT89C51作為微控制器。CAN控制芯片完成CAN的通信協(xié)議，主要由實(shí)現CAN總線(xiàn)協(xié)議的部分與實(shí)現與微控制器接口部分的電路組成，這里采用的是PHILIPS公司的SJA1000。它是一種獨立CAN控制器，具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作模式，其中PeliCAN模式支持具有很多新特性的CAN2.0B協(xié)議。82C250是高性能的CAN總線(xiàn)收發(fā)器，是CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)的接口，它對總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。通過(guò)對82C250的8號管腳的不同設置，可使其工作于高速、待機、斜率等三種模式。

　　撥碼開(kāi)關(guān)地址輸入電路用于對各個(gè)CAN節點(diǎn)的標識。上電后，單片機首先讀取撥碼開(kāi)關(guān)的數值，并在CAN初始化中將其寫(xiě)入SJA1000的接收代碼寄存器，作為該節點(diǎn)的標識碼。電源監測與看門(mén)狗電路采用的是MAX813，它在系統上電時(shí)刻提供上電復位功能，在程序運行時(shí)提供看門(mén)狗監測和電源監測功能，并能夠實(shí)現手動(dòng)復位。