基于CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的時(shí)間信息共享技術(shù)研究

　　引言

　　電子時(shí)間引信系統從火控計算單元提取的射彈飛行時(shí)間數據需要實(shí)時(shí)可靠地傳送給編程裝置，為保證時(shí)間信息傳送的準確、及時(shí)，我們采用了CAN總線(xiàn)進(jìn)行時(shí)間信息的傳輸。CAN總線(xiàn)具有突出的可靠性和實(shí)時(shí)性，適合在復雜的戰場(chǎng)環(huán)境下工作，基于CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的時(shí)間信息數據接口，可充分保證時(shí)間信息傳送，并為電子時(shí)間引信系統提供標準的數據接口，便于應用在其它防空武器系統的嵌入式改造或未來(lái)數字化防空武器系統中。

　　CAN現場(chǎng)總線(xiàn)概述

　　CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)誕生和發(fā)展于汽車(chē)工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，是兩線(xiàn)制“多主對等”總線(xiàn)型拓撲網(wǎng)絡(luò )，能有效地支持具有很高安全等級的分布實(shí)時(shí)控制，是唯一有國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)(Field Bus)，目前發(fā)展到CAN2.0B規范，應用范圍極為廣泛。

　　CAN總線(xiàn)用“顯性(Dominant)”和“隱性(Recessive)”兩個(gè)互補的邏輯值表示“0”和“1”，總線(xiàn)接口上同時(shí)發(fā)送顯性和隱性位時(shí)，總線(xiàn)值是顯性，實(shí)現邏輯與。CAN總線(xiàn)的位速率與其傳輸距離有關(guān)，傳輸距離在40m以?xún)人俾首畲罂蛇_1Mbps，最大傳輸距離10km上的位速率為5kbps。根據ISO/OSI參考模型，CAN的層次劃分為：(1)數據鏈路層(Data Link Layer)，包括邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層(MAC)；(2)物理層(Physical Layer)。

　　CAN總線(xiàn)的信息以幾個(gè)不同的固定格式的報文發(fā)送，報文傳輸有四種不同類(lèi)型的幀：數據幀(Data Frame)、遠程幀(Remote Frame)、錯誤幀(Error Frame)和過(guò)載幀(Overload Frame)，數據幀和遠程幀可以使用標準幀和擴展幀2種不同格式，不同之處在于標識符域的長(cháng)度分別為11位和29位。CAN的幀(Frame)由不同的位域(Bit Field)組成，以最重要的數據幀為例介紹幀的結構，數據幀包括7個(gè)不同的位域：幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC域、應答域和幀結尾(如圖1所示)。

　　為了獲得最安全的數據發(fā)送，CAN總線(xiàn)采取強有力的措施來(lái)進(jìn)行錯誤檢測和處理。報文傳輸過(guò)程中有5種錯誤類(lèi)型：位錯誤、填充錯誤、CRC錯誤、格式錯誤和應答錯誤，對于故障的界定有3種狀態(tài)：“錯誤激活”、“錯誤認可”和“總線(xiàn)關(guān)閉”。
  
　　智能節點(diǎn)接口技術(shù)

　　CAN總線(xiàn)采用總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )拓撲，實(shí)際應用中也可采用具有支線(xiàn)的“樹(shù)型拓撲”。節點(diǎn)是CAN網(wǎng)絡(luò )上信息的起點(diǎn)和終點(diǎn)，智能節點(diǎn)是指具有微處理器的節點(diǎn)，它在可靠性、兼容性、信息處理能力等方面具有優(yōu)勢。

　　智能節點(diǎn)硬件設計包括CAN控制芯片與MCU的連接和CAN控制芯片與PC機的連接。典型的智能節點(diǎn)結構為“MCU+CAN控制器+CAN驅動(dòng)器”，具有CAN模塊的微控制器（MCU）將前2者合二為一，如PIC18F458、MC68HC908GZ16、P8Xc591，操作使用更加方便。PC機上的智能節點(diǎn)設計多采用CAN適配卡，由ISA接口、雙口RAM、嵌入式微處理器、CAN控制器、CAN驅動(dòng)器組成。

　　智能節點(diǎn)軟件設計的核心內容為CAN節點(diǎn)初始化、報文發(fā)送和報文接收，還包括CAN總線(xiàn)錯誤處理、總線(xiàn)關(guān)閉處理、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。

　　采用PIC18F458微控制器設計的智能節點(diǎn)如圖2所示。
  
　　時(shí)間提取單元和編程裝置的設計實(shí)現

　　時(shí)間提取單元和編程裝置是電子時(shí)間引信系統的重要組成部分，兩者協(xié)調工作完成射彈飛行時(shí)間的隔離提取、數據共享和編碼發(fā)送，設計實(shí)現上采用“功能電路+數字接口”的方案，作為節點(diǎn)連接在CAN總線(xiàn)上。兩者的機械結構設計要充分考慮與現有武器裝備的機械兼容性和電磁兼容性，不能影響現有裝備的結構和工作狀態(tài)。

　　時(shí)間提取單元的設計實(shí)現

　　時(shí)間提取單元的任務(wù)功能是從武器系統火控計算單元中提取射彈飛行時(shí)間，并將其發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。其電路結構如圖3所示，主要由射彈飛行時(shí)間數字量隔離提取電路、射彈飛行時(shí)間模擬量隔離提取電路、A/D轉換電路、控制信號(開(kāi)關(guān)量)隔離采集電路、數字接口、隔離型DC/DC電源模塊等部份組成，可以提取16位的射彈飛行時(shí)間數字量或1路射彈飛行時(shí)間模擬量、8位控制信號，輸出為CAN總線(xiàn)信號，使用雙絞線(xiàn)在1km的范圍內得到高達70kbps的傳輸速率。光電隔離電路采用雙光耦構成電流串聯(lián)負反饋電路實(shí)現模擬信號的線(xiàn)性隔離傳輸，即用兩個(gè)相同型號的光耦輸入端串聯(lián)，組成差分負反饋，來(lái)補償光耦的非線(xiàn)性電流傳輸系數，通常使用雙光耦芯片可以得到較好的一致性，使電路傳輸特性更好。典型的雙光耦芯片(如HCNR200)內部結構及其應用電路如圖4所示。A/D轉換使用ADC0809芯片完成，隔離型DC/DC電壓變換器選用愛(ài)立信的電源模塊PKV3211PI，其輸入電壓范圍為9V~36V，輸出電壓5V，輸出功率2.5W，模塊化設計，小體積磚形封裝，可以滿(mǎn)足要求。

　　視火控計算單元和提取位置的不同，時(shí)間提取單元的機械結構設計可采用轉接頭或總線(xiàn)卡等的不同形式。對于向量式瞄準具，將時(shí)間提取單元電路板與射彈飛行時(shí)間求取電路板通過(guò)接插件直接連接，共同放置于安裝盒內；從火控計算單元內部連接件上提取數據時(shí)，使用相同型號的連接件(包括公頭和母頭)作為附加裝置，內部將兩端對應位置連線(xiàn)，從連線(xiàn)上提取所需數據信號給光耦電路；火控計算機數據總線(xiàn)提取數據，將電路設計成接口卡的形式，直接插在計算機主板空余的插槽上。

　　編程裝置的設計實(shí)現

　　編程裝置的任務(wù)功能是從CAN總線(xiàn)上獲取射彈飛行時(shí)間數據，進(jìn)行數據編碼，并通過(guò)射頻模塊轉換為射頻信號發(fā)送。其電路結構如圖5所示，由數字接口、微控制器、無(wú)線(xiàn)射頻模塊和監控電路組成。微控制器AT89S51為電路的核心，完成數據接收、數據編碼、射頻模塊控制、數據串行發(fā)送等諸多功能，大大簡(jiǎn)化了電路結構；監控電路采用X25045，監控微控制器的工作狀態(tài)，防止程序“跑飛”；數字接口與時(shí)間提取單元相同；無(wú)線(xiàn)射頻模塊采用原廠(chǎng)提供的標準電路板(設置為發(fā)送狀態(tài))，其天線(xiàn)為腐蝕在PCB板上的銅線(xiàn)，在天線(xiàn)外2~20m的范圍形成射頻編程窗口。

　　編程裝置電路板安裝在長(cháng)方體形盒里，外部通過(guò)接插件分別與CAN總線(xiàn)(兩芯插頭和插座)和無(wú)線(xiàn)射頻模塊(7芯的插頭和插座)相連接。整個(gè)編程裝置盒固定于火炮炮箱上方，距炮口約2.5m的位置，且將射頻模塊PCB板有天線(xiàn)一側朝向管身方向，以便獲得較好的射頻性能。

　　參考文獻：

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