基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的信號傳輸方案的研究

引言

現階段用于實(shí)現系統中各相關(guān)組件信號傳輸方式的設計大多為簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)導線(xiàn)式傳輸方式，這種傳輸方式在信號數量較少的情況下可謂是一種簡(jiǎn)單可行的方式，但針對信號數量很多而且空間有限的情況，這種設計方式便顯得有些笨拙，例如由于信號數量很多導致插接件、導線(xiàn)數量增多，不僅給某導彈引信控制系統的結構設計帶來(lái)很多壓力，也會(huì )因為大量插接件的使用降低系統信號傳輸的可靠性，同時(shí)還因為大量導線(xiàn)的存在而降低系統的環(huán)境適應性和電磁兼容性等。

隨著(zhù)某導彈引信控制系統設計技術(shù)的發(fā)展，其功能要求更加復雜，而其結構小型化和可靠性、安全性等性能指標等要求不斷提高，傳統的點(diǎn)對點(diǎn)導線(xiàn)式的信號傳輸方式越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足該系統的發(fā)展要求，隨著(zhù)傳統的信號傳輸設計弊端的凸顯和數字控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的成熟，一種新型的現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方案越來(lái)越受到設計者的重視，以現場(chǎng)總線(xiàn)為核心的新型信號傳輸方式的設計，能夠有效克服傳統的點(diǎn)對點(diǎn)導線(xiàn)式傳輸方式的弊端，改善系統信號傳輸的性能指標。

1 方案的總體設計原則

系統中各相關(guān)組件間信號傳輸的實(shí)現是整個(gè)系統功能實(shí)現必不可少的一環(huán)，因此，在研究和設計過(guò)程中必須保證系統工作過(guò)程中所有信號傳輸的實(shí)時(shí)、可靠[1]。具體的設計原則可歸結如下：

a）繼承性原則：合理借鑒和繼承傳統設計方案中成熟合理的設計經(jīng)驗，并用于新型系統信號傳輸的方案研究，以突出設計重點(diǎn)，縮短設計周期，提高效率，節省經(jīng)費。

b）先進(jìn)性原則：現場(chǎng)總線(xiàn)方案本身便是相對傳統設計的一項重大突破，所以在從事系統信號傳輸的研究和設計過(guò)程中應該著(zhù)眼于未來(lái)需要，在成熟技術(shù)的基礎上盡可能采用先進(jìn)方法和產(chǎn)品，優(yōu)化考慮高速率硬件和靈活高效的通信協(xié)議。

c）可靠性原則，新型現場(chǎng)總線(xiàn)方案，一方面帶來(lái)電纜的簡(jiǎn)化，有利于提高可靠性，另一方面因為增加了總線(xiàn)接口和自檢測任務(wù)，系統的局部復雜度有所增加，而彈上工作環(huán)境較為惡劣，有可能形成新的故障隱患，因此，現場(chǎng)總線(xiàn)的選取必須注意性能與可靠性的均衡考慮，做到合理設計。

d）靈活性原則：控制系統的組件眾多，功能各異，信號性質(zhì)差別很大，在方案的研究和設計過(guò)程中應根據各自特點(diǎn)和總體功能的需要，靈活進(jìn)行配置，采用總線(xiàn)與專(zhuān)線(xiàn)結合的方式進(jìn)行合理的設計。

e）冗余原則：冗余是傳統信號傳輸設計過(guò)程中的重要經(jīng)驗，也是總線(xiàn)方案的基本原則，合理采用冗余設計不但可以提高總線(xiàn)系統的可靠性，還能改善系統性能。

2 方案的初步設計實(shí)現

根據iec的標準和現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )（ff）的定義，現場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數字、串行、雙向的通信系統，通過(guò)該系統將傳感器、執行器與控制器等現場(chǎng)設備連接起來(lái)，因此，能用來(lái)實(shí)現復雜系統各個(gè)元件的“智能化”，真正形成現場(chǎng)分散的通信網(wǎng)絡(luò )。

下面針對某導彈引信控制系統中信號特征和系統中各相關(guān)組件功能實(shí)現的要求，依據方案的設計原則對其信號傳輸方案展開(kāi)初步的研究分析。

2.1 現場(chǎng)總線(xiàn)選型

在對ff、lon works、profibus、can、hart等不同種類(lèi)的現場(chǎng)總線(xiàn)特點(diǎn)進(jìn)行分析和比對中發(fā)現，can總線(xiàn)是目前眾多現場(chǎng)總線(xiàn)中最有應用前景的一種。can支持多主點(diǎn)方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任何節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其他節點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)和全局廣播方式接收、發(fā)送數據。其優(yōu)越性主要是：多主結構的總線(xiàn)；接線(xiàn)簡(jiǎn)單，最高通信速率可以達到1mbit／s；can協(xié)議對數字通信模塊進(jìn)行編碼；can總線(xiàn)的低誤碼率保證了數據通信的可靠性。

在對某導彈引信控制系統的控制和測試要求進(jìn)行分析中得知，can總線(xiàn)完全可以滿(mǎn)足該系統的控制可靠性和實(shí)時(shí)性要求。但其在總線(xiàn)數據吞吐率方面存在不足，對此考慮通過(guò)分別設計系統的控制通道和測試通道，或者采用可配置型的現場(chǎng)總線(xiàn)，如profibus等，以兼顧控制與測試的不同需求。

2．2 基于現場(chǎng)總線(xiàn)的接口設計

采用現場(chǎng)總線(xiàn)的接口實(shí)現某導彈引信控制系統前系統與后系統及地面測控系統之間的信號傳輸需進(jìn)行硬件和軟件兩方面的研究和設計。

2．2．1 硬件設計

首先，要確定被連接系統中各相關(guān)組件、部件的檢測信號和控制信號的數量、類(lèi)型及信號特征。由于該系統中各相關(guān)子系統間傳輸的電氣信號數量繁多，按照種類(lèi)可以分為電源線(xiàn)、系統控制信號線(xiàn)、系統測試信號線(xiàn)。為了滿(mǎn)足系統總體的需要，同時(shí)達到盡量?jì)?yōu)化系統中信號傳輸的設計，從理論上講，這些信號經(jīng)過(guò)適當的變換都可以經(jīng)過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行傳輸，而在實(shí)際設計中應根據各相關(guān)組件和部件的功能、信號類(lèi)型考慮其重要性要求進(jìn)行合理設計。本方案考慮在主體數字總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中結合少量專(zhuān)線(xiàn)連接的思路進(jìn)行信號傳輸的設計，如電源信號、自毀信號、電池激活信號等。具體的連接關(guān)系如圖1所示。

其次，要依據被連接系統中各相關(guān)組件、部件選擇相應的控制器和總線(xiàn)適配器件，如圖1中的“通信模塊”，該部分為系統信號傳輸方案的關(guān)鍵部分，本方案結合系統總體的抗干擾性和安全性等指標對該部分進(jìn)行了初步的設計。具體原理框圖如圖2所示。

2．2．2 軟件設計

軟件設計包括can節點(diǎn)初始化程序、報文發(fā)送和報文接收程序3部分。在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中充分考慮了can總線(xiàn)錯誤處理、總線(xiàn)隔離處理、接收濾波處理、波特率參數設置和自動(dòng)檢測，以及can總線(xiàn)通信距離和節點(diǎn)數的計算等方面的內容，并結合系統總體要求的可靠性指標對其中部分功能進(jìn)行了適當刪減。

3 方案設計的意義

在某導彈引信控制系統的信號傳輸方案中，以現場(chǎng)總線(xiàn)方式取代傳統的點(diǎn)對點(diǎn)導線(xiàn)方式對提高整個(gè)系統信號傳輸的性能指標具有重要的意義。

a)減少了系統電纜中的導線(xiàn)、連接器數量，減輕了結構設計的壓力，有利于小型化系統結構的設計實(shí)現。

b)減少了系統電纜中的導線(xiàn)、連接器數量，降低了系統電纜連接復雜性，改善了信號的抗干擾性，提高了小型化系統的電磁兼容性和可靠性。

c)可以實(shí)現某導彈引信控制系統整裝狀態(tài)下的系統測試，還可以實(shí)現系統內各組件、部件的分時(shí)局部加電，以完成可使用性檢查。

4 結束語(yǔ)

盡管目前的總線(xiàn)傳輸速率不斷提高，但與點(diǎn)對點(diǎn)的專(zhuān)線(xiàn)傳輸相比是有延遲的，這就要求設計者在進(jìn)行控制系統方案設計時(shí)必須充分考慮總線(xiàn)的傳輸能力及其滿(mǎn)足控制系統實(shí)時(shí)性、可靠性要求的能力，因此，該方案研究過(guò)程中的大量技術(shù)細節還需要從理論和實(shí)踐上加以研究和驗證。

由于接口電路在系統中需占用一定的體積，考慮到某導彈引信控制系統小型化結構的要求，在本方案研究過(guò)程中還可以兼顧考慮芯片集成方案技術(shù)。