1、基于 CAN 总线的水下航行器的设计摘 要为满足水下航行器对实时数据的通信和控制的要求，设计CAN总线通信，实现基于 CAN总线的水下航行器的控制系统，将水下航行器分为若干个系统，对应不同的 CAN总线节点，用 CAN总线构成多主站分布式控制系统，实现水下航行器的实时通信。试验表明，该总线结构可以使系统更加精简，扩展性强，指令相应速度快，通信性能得到进一步的增强。 关键词CAN 总线 水下航行器 节点 中图分类号：TH56 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0228-01 1.引言 水下航行器是一种具有自适应能力，实现对各控制器及执行机构的控制，并根据传感器的信号、
2、控制器反馈信息以及环境的变化而做出规划和决策。主要有集中式和分布式控制，考虑到可扩展性、安全性、模块化和分舱断等特点，分布式系统使用较为普遍，由于 CAN总线的低成本、总线利用率高、数据传输距离远、高效的数据传输速率、可根据数据报文的 ID决定接收或屏蔽报文、可靠地错误处理和检测机制、自动重发、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能等特点，我们在基于 CAN总线下对水下航行器进行设计并控制，并通过实物调试与试验，具有稳定性和可靠性。 2.系统结构 水下航行器通讯系统主要由 GPS、惯性导航系统、方向舵、电机、升降舵、潜浮系统、电源管理系统、状态记录系统、深度计组成，各个系统为 CAN总线
3、一个节点，如图 1所示。在 CAN总线首尾接上各接上 120欧姆电阻作为匹配电阻。 3.数据传输 Can 总线上数据传输的数据主要有航行控制命令和各控制器的状态信息。数据的传输只要分为三类： 1.主控制器不断地在总线上轮询发送各个控制器的查询信息，各控制器根据发送的指令信息返回状态信息。 2.主控制器根据实时的状态信息，求出下一时刻的位置信息，对各控制器发送航行控制指令，使水下航行器按照规定的轨迹进行航行。 3.主控制器根据各控制器返回的状态信息来判断是否出现紧急情况，并根据事件的轻重缓急来进行处理。如打舵上浮、吹除上浮。 4.设计 设计主要分为硬件和软件两个方面，主要对主控制器进行设计，主控
4、制器与各控制器之间通过 CANH、CANL 进行连接，根据通信协议要求进行实时通信。 4.1 硬件 主控制器由 M4060CPU模块，通过 PC/104/PCI总线实现对DETH、ADT-800 以及 A3-CSD的扩展，实现相互之间的控制与数据传输，利用精密电阻完成电流信号到电压信号的转换，使电流信号能被系统采集，另外 DC-DC模块实现对外部电源 24V到系统 5V电源的隔离与转换，并配有相应的保护与滤波电路，从而形成一个完成的数据采集与控制系统。 A3-CSD 为串口、CAN 通信集成扩展板卡，CAN 总线控制芯片为飞利浦研发的 SJA1000，集成在 PC/104通讯卡上。 内部结构图
5、入图 2所示： 4.2 软件 软件模块的核心为初始化，数据发送和数据接收。 4.2.1 初始化 初始化过程首先配置 SJA1000的工作状态，加载驱动后通过调用Can_Init函数进行初始化，初始化包括工作模式、滤波方式、通讯波特率、中断使能、接收码等，负责创建接收任务。 4.2.2 数据发送 发送数据模式负责将待发送的数据写入 SJA1000芯片，同时检测发送的结果。首先构造发送报文数据结构 Can_TPacket_t，然后通过调用Can_SendMsg函数发送报文。 4.2.3 数据接收 数据接收模块负责将 SJA1000芯片接收到的数据，读入软件缓冲区。数据接收模块包括中断服务和接收任务
6、。中断服务程序属于典型的结构，读取中断状态，根据中断状态分别处理中断。由于 SJA1000芯片接收FIFO状态寄存器与中断状态寄存器关联，即 FIFO只有为空，中断状态才会清空，导致必须在中断服务程序中将 FIFO中的数据全部读入软件FIFO。当中断处理完毕，中断服务程序触发信号量通知接收任务工作。首先在安装的回调函数中调用 Can_IsFifoEmpty查询 Can的 FIFO状态，若 FIFO中有数据调用 Can_ReadMsg读取 Can报文。 主控制器不断的向各控制器发送查询指令，各控制器根据帧 ID号判断是否做出响应，如表 4所示。 试验表明，CAN 总线实时通信系统，能满足系统各部
7、分的信息交换，保证系统的正常工作，而总线系统的优点使对系统数据通信的监控更加有效、及时，CAN 总线诊断协议的合理应用有利于系统的实时通信故障诊断与分析，系统易于增加新的 CAN节点，有利于系统功能的扩充和升级。5.结论 本文介绍了基于 CAN总线的分布式通信机制，将 CAN总线应用于水下航行器，构成了多主站的分布式控制系统，取代以往的集中式控制系统。该总线结构可以使水下航行器通信线缆得到有效的精简，并能使整机系统获得较好的通信性能。 参考文献 1 刘卫东，高立娥等.基于 CAN总线的自主水下航行器内部通信与仿真J.系统仿真学报，2007，19（6）：1320-1322. 2 史久根.CAN 现场总线系统设计技术M.北京：国防工业出版社，2004. 3 黄时?纾?刘健，王国权.AUV 内部通讯总线设计J.机器人.2004，26（4）：342-345. 4 韩进军，唐红卫.CAN 总线实时性研究及改进J.计算机测试与控制，2005，13（11）：90-92.
