徐 襲 石 敏

（1.91388部隊93分隊 湛江 524022）（2.水聲對抗技術重點實驗室 湛江 524022）

1 引言

無人水下航行器UUV（Unmanned Underwater Vehicle）控制系統(tǒng)采用控制局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）為系統(tǒng)通信網(wǎng)絡，可實現(xiàn)UUV精準、高效地運動控制，能較好模擬水下運動物體的目標特征。在UUV水下運動目標模擬中，隨著特征模擬復雜度的不斷提高，需增加多種特征模擬設備，以使其模擬相似度更高。增加如噪聲、振動等特征模擬設備，某些只具備簡單的RS485（232）等串口通信控制接口，接入UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡不便，無法準確的匹配整個系統(tǒng)的運行模擬，影響了模擬水下運動物體特征的準確性，因此需解決部分設備的CAN網(wǎng)絡接口問題。本文在UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡基礎上，采用CAN總線協(xié)議控制芯片SJA1000，利用STC89單片機，設計了CAN網(wǎng)絡轉換節(jié)點，實現(xiàn)了特征模擬設備的CAN網(wǎng)絡互聯(lián)功能，有利于提高UUV模擬水下運動目標特征的準確性。

2 CAN原理

CAN即控制器局域網(wǎng)，最早由德國BOSCH公司提出，目前已形成國際標準，其主要特點如下［1～2］：

1）通信方式靈活。為多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從；

2）采用非破壞性總線仲裁技術，節(jié)省總線沖突仲裁時間，不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓情況；

3）CAN直接通信距離最遠可達10km（傳輸速率5Kb／s以下），通信速率最高可達1Mb／s；

4）節(jié)點數(shù)取決于總線驅動電路，目前可達110個，報文標識符可達2032種，而擴展標準的報文標識符幾乎不受限制；

5）通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

由于大多數(shù)特征模擬設備具備RS485（232）接口，結合UUV控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡需求，提高設備與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，需實現(xiàn)RS485（232）到CAN總線的傳輸轉換功能。

3 系統(tǒng)功能

某UUV控制系統(tǒng)用CAN實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡控制，需增加特征模擬設備接入該網(wǎng)絡提高模擬逼真度。本文設計的CAN轉換節(jié)點可將具備RS485（232）接口的設備直接轉化為CAN網(wǎng)絡接入設備，實現(xiàn)設備CAN網(wǎng)絡連接，易于UUV控制系統(tǒng)主控計算機對該設備的控制，設備也可接收并處理CAN網(wǎng)絡傳遞的指令，實現(xiàn)對設備內(nèi)控［3～4］。

圖1 CAN轉換節(jié)點在UUV控制系統(tǒng)中的應用

該轉換節(jié)點主要實現(xiàn)RS485（RS232）到CAN總線的協(xié)議轉換?？蓪崿F(xiàn)單個RS485（RS232）端口到單個CAN端口的轉換；CAN實現(xiàn)CAN2.0B協(xié)議；CAN速率可達500Kb／s；RS485速率可達9.6Kb／s，具備較強抗干擾能力，CAN轉換節(jié)點在UUV控制系統(tǒng)中的應用如圖1所示。

4 節(jié)點設計

UUV控制系統(tǒng)CAN轉換節(jié)點實現(xiàn)功能，其本質就是一個網(wǎng)關的功能，實現(xiàn)不同傳輸協(xié)議的轉換。本文CAN轉換節(jié)點，以CAN協(xié)議控制器SJA1000、單片機STC89S58和MAX485（232）接口芯片為主，可快速便捷地構成UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡轉換節(jié)點。

4.1 硬件部分

UUV控制系統(tǒng)CAN轉換網(wǎng)絡節(jié)點硬件實現(xiàn)方式有多種，市場上目前有兩類器件可實現(xiàn)CAN總線至串口轉換功能：一類是兼容性控制器，即微處理和CAN協(xié)議控制功能相結合，具備串口通信接口，如某些型號DSP、ARM芯片；另一類是獨立CAN控制器和獨立串口通信芯片［5］。本文采用第二類，使用獨立CAN控制器可方便靈活選擇處理器，組成多樣化系統(tǒng)［6～8］。硬件組成示意圖如圖2所示：

圖2 CAN轉換節(jié)點硬件結構示意圖

1）CAN接口模塊：該模塊含總線控制器和收發(fā)器兩部分。CAN總線控制器SJA1000是NXP公司研制和推出的CAN通信控制器，輔助有接口管理邏輯、緩沖發(fā)送、FIFO接收端口、濾波器等，PCA82C250作為收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口；

2）處理控制模塊：要實現(xiàn)對CAN協(xié)議信息的管理，須選擇合適微處理芯片，STC89S58芯片可實現(xiàn)對CAN協(xié)議芯片SJA1000的控制與管理。SJA1000的AD0～AD7與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，P2.7引腳作為SJA1000的片選使能端，由ALE，WR，RD控制SJA1000的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；

3）串行通信接口模塊：該模塊采用 MAX485（232）芯片作為收發(fā)器，滿足RS485（232）串行協(xié)議的要求，符合RS485（232）串行協(xié)議電氣規(guī)范。為提高可靠性，在單片機與RS485（232）之間增加光耦隔離，消除干擾和雜波；

4）抗干擾措施：高速光耦6N137可提高節(jié)點抗干擾能力，CANH和CANL與地之間并聯(lián)小電容，可濾除總線上高頻干擾。

節(jié)點硬件電路部分原理圖如圖3所示。

圖3 CAN轉換節(jié)點電路原理圖（局部）

4.2 軟件部分

CAN接口器件實現(xiàn)了其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，應用層功能則需編制應用程序實現(xiàn)。單片機程序編制采用Keil uVision2，使用C語言進行節(jié)點功能的程序編寫、編譯和調(diào)試。其運行程序通過調(diào)用驅動程序提供的接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。該驅動程序含：CAN控制器初始化、報文發(fā)送、報文接收及出錯處理程序等。程序處理流程如圖4所示。RS485（232）串口通信程序的編寫直接調(diào)用對應接口程序即可。

按照該程序控制流程，轉換節(jié)點的微處理器將從串行接口獲得的信息數(shù)據(jù)，添加發(fā)送標識，發(fā)送到緩沖區(qū)，然后通過指令對寄存器發(fā)送傳輸請求，啟動 CAN的模塊自行將發(fā)送緩沖中的數(shù)據(jù)讀取出來，并且按照CAN的協(xié)議編寫成符合CAN的信息，同時通過接收其發(fā)往總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換發(fā)送，反之亦然［9］。

4.3 節(jié)點測試

該轉換節(jié)點軟硬件設計完成后，需驗證其實際可用性與可靠性，采用相應的裝置可完成對所設計節(jié)點的測試，以驗證其性能［10～11］。

1）測試方案

采用RS485（232）協(xié)議轉換器，RS485（232）控制軟件、測試計算機，USBCAN II，CANoe測試軟硬件等構成節(jié)點軟硬件測試平臺，測試平臺構成如圖5所示。

圖4 CAN轉換節(jié)點軟件CAN驅動流程圖

圖5 CAN轉換節(jié)點測試平臺示意圖

2）測試方法

（1）使用串口通信軟件控制USB－RS485（232）設備發(fā)送串口數(shù)據(jù)，利用USBCAN進行觀測，確定該轉換發(fā)送功能是否正常；

（2）使用ZLGTEST軟件控制 USBCAN II設備發(fā)送CAN網(wǎng)絡信息，利用串口通信控制軟件觀測，確定該轉換接收功能是否正常；

（3）使用多個節(jié)點，且同時采用上述兩方式測試，檢查CAN網(wǎng)絡及節(jié)點工作是否正常；

（4）將特征模擬設備連接鉆換節(jié)點，組成CAN網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸與設備控制測試，驗證其組網(wǎng)狀態(tài)下工作的可靠性；

（5）結合CAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量大小，利用測試分析軟件CANoe進行相關數(shù)據(jù)傳輸時效性測試，確定滿足UUV控制網(wǎng)絡CAN的需求。

以上測試方法與步驟，應對各設備CAN網(wǎng)絡傳輸參數(shù)及串行通信參數(shù)設置正確，確保測試有效。

3）測試結果［14］

使用節(jié)點測試平臺測試所設計的節(jié)點，通過獨立驗證部分傳輸功能及聯(lián)合測試節(jié)點在網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸效能，該節(jié)點滿足設計要求，可應用于UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡的相關設備轉換接入，組網(wǎng)性能測試與數(shù)據(jù)幀分析軟件CANoe界面如圖6所示。

圖6 節(jié)點組網(wǎng)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析窗口

5 結語

UUV模擬水下運動物體目標特性，需增加部分重要模擬設備，以提高其目標模擬性能。為解決設備與UUV系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡互連問題，本文采用CAN協(xié)議芯片SJA1000與單片機為主要硬件，利用C語言編制驅動程序，設計并實現(xiàn)了RS485（232）與CAN轉換節(jié)點，構建了節(jié)點測試平臺，并對設計實現(xiàn)的節(jié)點進行了測試驗證，測試表明轉換節(jié)點滿足UUV控制系統(tǒng)CAN要求，可對非CAN網(wǎng)絡設備接入該網(wǎng)絡，增強UUV模擬水下運動物體特征的準確性提供支持。

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