楊亞波，喬大雷

(1.91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

基于CANopen協(xié)議的雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊亞波1，喬大雷2

(1.91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)雷達(dá)故障檢測(cè)提出了新的要求。在深入研究CANopen協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于CANopen協(xié)議的雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)，給出了該故障診斷系統(tǒng)的主站、從站硬件設(shè)計(jì)方案和主要軟件設(shè)計(jì)思路，以及故障診斷過(guò)程中智能專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

CANopen；雷達(dá)故障診斷；CanFestival；專家系統(tǒng)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)的總體架構(gòu)和各分機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)也愈加精細(xì)和復(fù)雜[1]，對(duì)雷達(dá)的可靠性也提出了更高的挑戰(zhàn)。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷達(dá)整機(jī)的工作狀態(tài)以及快速定位和排除故障已成為保證雷達(dá)可靠、穩(wěn)定工作的重要條件。雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)可以在線對(duì)雷達(dá)的工作狀態(tài)、故障檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。目前，一般的雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)采用CAN總線或以太網(wǎng)絡(luò)作為底層傳輸通道，而應(yīng)用層協(xié)議自行編程的實(shí)現(xiàn)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，難以滿足現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)故障診斷自身的實(shí)時(shí)性、可靠性，特別是可擴(kuò)展性的需求。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在對(duì)雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中引入了CANopen高層協(xié)議，并給出了該故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和具體的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

1 雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)由CANopen從站節(jié)點(diǎn)、主站節(jié)點(diǎn)和雷達(dá)顯控臺(tái)人機(jī)界面組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，CANopen從站作為故障檢測(cè)板負(fù)責(zé)雷達(dá)整機(jī)、各分系統(tǒng)以及有源T/R組件的工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)的采集，CANopen主站完成故障推理和決策等智能診斷功能，最終的故障診斷結(jié)果在雷達(dá)顯控臺(tái)人機(jī)界面上完成圖形化顯示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2 基于CANopen的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

CANopen協(xié)議是CiA(CAN in Automation)協(xié)會(huì)在CAN總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)上定義的應(yīng)用層規(guī)范，其與標(biāo)準(zhǔn)OSI參考模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。CANopen協(xié)議充分利用了面向?qū)ο蟮乃枷隱2]，其核心是利用對(duì)象字典對(duì)控制節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并通過(guò)多種通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。作為一種開放的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議，CANopen協(xié)議允許在不同廠商的CANopen設(shè)備間以統(tǒng)一的方式進(jìn)行通信，增強(qiáng)了不同設(shè)備之間的互操作性，并可以持續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展。

圖2 CANopen與OSI對(duì)應(yīng)關(guān)系

CANopen在協(xié)議的應(yīng)用層詳細(xì)描述了4種不同類型的通信對(duì)象(COB)，分別是：

(1) 過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO消息)，最大傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕，具有較好的實(shí)時(shí)性；

(2) 服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(包括SDO服務(wù)器消息和SDO客戶端)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他CANopen設(shè)備對(duì)象字典的讀寫操作；

(3) 網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象，用來(lái)控制NMT(Network Management)狀態(tài)機(jī)和監(jiān)測(cè)設(shè)備(包括心跳、啟動(dòng)報(bào)文等)；

(4) 預(yù)定義對(duì)象(包括時(shí)間、同步和緊急報(bào)文等)。

2 關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法

2.1 CANopen從站節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CANopen從站硬件上選用Atmel公司ARM7架構(gòu)的微控制器AT91SAM7X256 作為主控芯片，并在其上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-II以及CanFestival開源協(xié)議棧的CANopen從站功能。

2.1.1 CAN硬件電路設(shè)計(jì)

AT91SAM7X256 內(nèi)置CAN控制器，可以自動(dòng)處理CAN 總線的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層，為微控制器提供了完整的關(guān)于CAN協(xié)議中 Part A和Part B的功能，故只需采用高速TJA1050收發(fā)器作為AT91SAM7X256的 CAN控制器和屏蔽雙絞線之間的接口[3]。為避免信號(hào)反射在CAN_H和CAN_L兩端分別加上60 Ω電阻然后通過(guò)47 nF電容接地。將AT91SAM7X256的CANTX和CANRX分別通過(guò)高速光耦6N137光隔后與TJA1050相連，其中6N137的電源VCC和VCAN由一個(gè)5 V隔離DC/DC電源實(shí)現(xiàn)完全隔離。

圖3 CANopen底層通信接口

2.1.2 μCOS-II下CANopen協(xié)議棧

AT91SAM7X256上移植的μCOS-II是一個(gè)搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有開放源代碼、可固化、可裁剪、高穩(wěn)定和高可靠性等特點(diǎn)。本文選用的CanFestival 是一個(gè)具備完整功能的CANopen 開源協(xié)議棧[4]，能在微控制器上實(shí)現(xiàn)主站和從站功能。CanFestival協(xié)議棧使用標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言編寫，完全支持CANopen 的CiA 301規(guī)范，具有良好的可移植性。

CanFestival協(xié)議棧在底層提供了對(duì)AT91SAM7X256的支持，./drivers/AT91文件夾下的can_AT91.c和timer_AT91.c可以直接使用。為最大限度地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文在實(shí)現(xiàn)時(shí)將can_AT91.c中的FIFO處理的CAN數(shù)據(jù)改為DMA方式接收和發(fā)送，并屏蔽掉CAN報(bào)文濾波功能，定義報(bào)文標(biāo)識(shí)號(hào)區(qū)分不同類型的報(bào)文。μCOS-II和CanFestival在正常工作時(shí)均需使用硬件定時(shí)器作為各自的時(shí)鐘節(jié)拍。為避免混亂，本文采用AT91SAM7X256的周期間隔定時(shí)器(PIT)和1個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的定時(shí)中斷輸出作為μCOS-II和CanFestival的時(shí)鐘節(jié)拍。μCOS-II操作系統(tǒng)上的CanFestival軟件整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。μCOS-II通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)用CAN底層驅(qū)動(dòng)程序和CanFestival庫(kù)文件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)CANopen協(xié)議棧功能的嵌入。

2.1.3 CANopen對(duì)象字典設(shè)計(jì)

CANopen網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)對(duì)象字典(Object Dictionary，OD)，定義為一個(gè)有序的對(duì)象組[2]。對(duì)象字典利用對(duì)象來(lái)描述對(duì)象設(shè)備的全部功能，通過(guò)其可以對(duì)設(shè)備所有的數(shù)據(jù)、配置參數(shù)和功能等進(jìn)行訪問(wèn)。對(duì)象字典中的對(duì)象采用一個(gè)已知的16位索引值進(jìn)行尋址。對(duì)象可以是變量、數(shù)組或結(jié)構(gòu)，其中數(shù)組或結(jié)構(gòu)中的單個(gè)元素又可以通過(guò)8位的子索引進(jìn)行訪問(wèn)[4]。CanFestival協(xié)議棧中對(duì)象字典的主索引結(jié)構(gòu)體定義如下：

typedef struct td_indextable

{

subindex* pSubindex;

UINT8 bSubCount;

UINT16 index;

} indextable;

其中子索引的結(jié)構(gòu)體定義如下：

typedef struct td_subindex

{

UINT8 bAccessType;

UINT8 bDataType;

UINT32 size;

void* pObject;

} subindex;

本文在CANopen從站的對(duì)象字典設(shè)計(jì)過(guò)程中使用./objdictgen目錄下的ObjdictEdit可視化編輯工具進(jìn)行設(shè)置，將最終生成的.c文件導(dǎo)入即可。此外，CANopen從站還接收和使用主站發(fā)送過(guò)來(lái)的SDO對(duì)其對(duì)象字典進(jìn)行配置。

2.2 CANopen主站節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CANopen主站基于標(biāo)準(zhǔn)VPX架構(gòu)的PowerPC主機(jī)板開發(fā)。該主機(jī)板CPU為飛思卡爾的雙核處理器MPC8640D。在該平臺(tái)在VxWorks 6.8實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下移植了開源的嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite以及CanFestival協(xié)議棧的CANopen主站功能，并完成基于專家系統(tǒng)的故障診斷算法和人機(jī)界面軟件的實(shí)現(xiàn)。CANopen主站上的CAN底層通信接口設(shè)計(jì)、對(duì)象字典設(shè)計(jì)和CanFestival協(xié)議棧在VxWorks下的移植過(guò)程等與從站類似。

2.2.1 VxWorks下嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)

SQLite作為一個(gè)面向嵌入式系統(tǒng)的輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，使用時(shí)直接嵌入到使用它的應(yīng)用程序中。它與應(yīng)用程序共用同一個(gè)進(jìn)程空間，而不是各自獨(dú)立的進(jìn)程，但在進(jìn)程內(nèi)部SQLite是完整且自包含的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎[5]。

SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中已充分考慮了可移植性，目前已支持Windows、Mac OS X 和Linux等操作系統(tǒng)。將SQLite移植到VxWorks 6.8實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的過(guò)程中參照SQLite源代碼中已有Linux平臺(tái)下的配置代碼完成，在生成庫(kù)代碼libsqlite時(shí)作如下配置： “DEFINES:-DOS_VXWORKS=1-D_HAVE_SQLITE_CONFIG_H-DSQLITE_THREADSAFE=1”，其中預(yù)處理宏“OS_VXWORKS =1”指定使用VxWorks操作系統(tǒng)，“_HAVE_SQLITE_CONFIG_H”指定使用配置文件“config.h”，“DSQLITE_THREADSAFE=1”定義允許互斥，確保SQLite達(dá)到線程安全。同時(shí)在config.h頭文件中做如下定義：

(1) #include

(2) #include

(3) #define HAVE_UTIME /* 使用utime函數(shù) */

(4) #define SQLITE_OMIT_LOAD_EXTENSION 1 /* 無(wú)需動(dòng)態(tài)庫(kù)支持 */

(5) #define SQLITE_4_BYTE_ALIGNED_MALLOC 1 /* 內(nèi)存4字節(jié)對(duì)齊 */

(6) #define SQLIT_HOMEGROWN_RECURSIVE_MUTEX 1 /* 不使用POSIX互斥信號(hào)量遞歸接口 */

2.2.2 CANopen網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

CANopen主站除了具備從站的基本功能外還具備網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMT)主機(jī)的功能[2]。NMT主要完成網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和設(shè)備的監(jiān)控，在CANopen網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)活動(dòng)的NMT主站作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理控制中心。通常CANopen從站的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是受主站控制的，必要時(shí)也可由其內(nèi)部事件觸發(fā)。每個(gè)CANopen從站設(shè)備都內(nèi)置一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，共有初始化(Initializing)、預(yù)操作(Preoperational)、操作(Operational)和停止(Stopped)4種狀態(tài)。NMT的所有狀態(tài)及狀態(tài)間轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。

圖5 NMT運(yùn)行狀態(tài)圖

故障診斷系統(tǒng)充分利用NMT中CANopen網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的自監(jiān)測(cè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CANopen從站(故障檢測(cè)板)自身狀態(tài)的監(jiān)控：從站節(jié)點(diǎn)在上電初始化后向主站節(jié)點(diǎn)發(fā)送“boot-up”信息，自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；CANopen主站節(jié)點(diǎn)通過(guò)心跳信息(從站廣播的心跳報(bào)文格式：COB-ID+NODE-ID+1位“Status”碼)來(lái)監(jiān)測(cè)從站節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中通訊異常的CANopen從站節(jié)點(diǎn)。

2.2.3 基于專家系統(tǒng)的故障診斷實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)采用理論上相對(duì)成熟的專家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷過(guò)程的智能化[6]，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中引入機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制。故障診斷軟件框架如圖6所示。對(duì)專家系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)制和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn)：

(1) 將雷達(dá)裝備研制廠所的專家知識(shí)和艦員、維修人員的維修經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)一編為知識(shí)庫(kù)(包括數(shù)據(jù)、事實(shí)、規(guī)則等)，并建立“雷達(dá)整機(jī)-分系統(tǒng)-板卡-電路模塊”的故障診斷樹模型；

(2) 采用正向推理機(jī)制，即由事實(shí)向結(jié)論方向進(jìn)行推理的方法。具體設(shè)計(jì)時(shí)按照規(guī)則由故障診斷樹模型的根節(jié)點(diǎn)遞歸查詢滿足條件的葉子節(jié)點(diǎn)(結(jié)論)；

(3) 故障診斷過(guò)程中采集的故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、推理過(guò)程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的結(jié)論均存放在SQLite實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

圖6 基于專家系統(tǒng)的故障診斷軟件框架

故障診斷軟件在故障決策與故障推理、知識(shí)庫(kù)的交互中引入了機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-模糊推理技術(shù)對(duì)已有的知識(shí)庫(kù)作為先驗(yàn)信息進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，通過(guò)建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊決策模型(ANNFDM)完成故障診斷過(guò)程中的故障預(yù)測(cè)和分類，使得診斷的準(zhǔn)確率和效率有了顯著的提高。

3 運(yùn)行界面與性能分析

雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)的診斷結(jié)果在海軍標(biāo)準(zhǔn)顯控臺(tái)人機(jī)界面上顯示。人機(jī)顯示界面軟件采用VC++.NET 2008進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)行界面如圖7所示。由于CAN總線驅(qū)動(dòng)能力的限制，如應(yīng)用于對(duì)有源T/R組件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷時(shí)，要求從站節(jié)點(diǎn)數(shù)大于127個(gè)，只需增加CAN中繼器以增加CAN總線的驅(qū)動(dòng)能力即可。

圖7 雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行界面

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展，要求系統(tǒng)內(nèi)多部雷達(dá)設(shè)備的顯示控制軟硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有構(gòu)件化和集成化等特點(diǎn)。為應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，本文充分利用CANopen協(xié)議的實(shí)時(shí)性好、互操作性強(qiáng)、開放性高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CANopen協(xié)議的雷達(dá)故障診斷系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)試表明，該故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅具備良好的通訊兼容性和診斷智能性，還具備較好的實(shí)時(shí)性、可靠性和可擴(kuò)展性。

[1] 丁鷺飛.雷達(dá)原理[M]. 4版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] Holger Zeltwanger.現(xiàn)場(chǎng)總線CANopen設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 周立功，黃曉清，嚴(yán)寒亮譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3] XIA Shi-xiong，QIAO Da-lei，CHEN Dai. A New Design and Implementation of an Attendance Checking Node for Coal Mines[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2007,17( 2).

[4] Edouard TISSERANT，Laurent BESSARD. The CanFestival CANopen stack manual[EB-OL]. [2013-12-08]. http://www.canfestiva1.org.

[5] Mike Owens,Grant Allen. The Definitive Guide to SQLite[M]. 2nd edition. New York: Apress，2010.

[6] 龐斌.雷達(dá)故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2013.12.

Design of a radar failure diagnosis system based on CANopen protocol

YANG Ya-bo1, QIAO Da-lei2

(1.Unit 91404 of the Chinese PLA, Qinhuangdao 066001, China;2. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

With the development of modern radar systems, the new requirement is proposed in terms of radar fault detection. Based on the in-depth study on the CANopen protocol stack, a radar failure diagnosis system is designed and realized based on the CANopen protocol. The hardware scheme and the design idea of the software of the master and slave nodes are introduced. The implementation of the intelligent expert system is also discussed in the process of failure diagnosis.

CANopen; radar failure diagnosis; CanFestival; expert system

2014-04-15；

2014-05-10

楊亞波(1982-)，男，助理工程師，研究方向：雷達(dá)工程和雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；喬大雷(1980-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。

TN956

A

1009-0401(2014)02-0066-05