黃 煜 李 利 王 浩

(大連測控技術(shù)研究所 大連 116013)

基于雙層總線的多通道聲源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 煜 李 利 王 浩

(大連測控技術(shù)研究所 大連 116013)

水下多通道聲源擁有采集數(shù)據(jù)量眾多,信號(hào)形式復(fù)雜的特點(diǎn)。該系統(tǒng)充分考慮了各類傳感器的輸出形式,設(shè)計(jì)了一種雙層總線結(jié)構(gòu),采用網(wǎng)絡(luò)總線嵌套CAN總線的形式對水下多通道聲源進(jìn)行控制。完成了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CAN總線接口電路設(shè)計(jì),以及各類傳感器的接入方式設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了一種有效的多通道聲源控制系統(tǒng)。

多通道聲源; 雙層總線; 網(wǎng)絡(luò)總線; CAN總線

Class Number TB565+4

1 引言

隨著水聲技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種水下設(shè)備功能的不斷豐富加強(qiáng),對水下聲源系統(tǒng)的控制已經(jīng)不再局限于簡單聲信號(hào)的發(fā)射,需要采集監(jiān)測的水下數(shù)據(jù)越來越多,這就使得水下電子設(shè)備之間的通信越來越復(fù)雜,同時(shí)意味著需要更多的信號(hào)連接線[1]。線束的增加不僅會(huì)加大水下設(shè)備的開發(fā)難度,也會(huì)降低設(shè)備工作的穩(wěn)定性。因此,引入一種雙層總線設(shè)計(jì),可以在有效控制線束增長的同時(shí),實(shí)現(xiàn)各類水下信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸,幫助水下設(shè)備發(fā)展到一個(gè)嶄新的高度。

鑒于實(shí)際應(yīng)用中水下系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量眾多,采集信號(hào)形式復(fù)雜多樣的特點(diǎn)[2],本文采用網(wǎng)絡(luò)總線嵌套CAN總線的形式對水下聲源進(jìn)行控制。通過采用這種雙總線結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了內(nèi)層CAN總線對各類水下模擬量的采集,以及外層LAN總線對包括內(nèi)層CAN總線在內(nèi)的系統(tǒng)各部分的網(wǎng)絡(luò)接入。

2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總線設(shè)計(jì)

水下系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)其他部分實(shí)現(xiàn)連接,實(shí)現(xiàn)對包括溫深、姿態(tài)、漏水等狀態(tài)監(jiān)測模塊在內(nèi)的輔助測量模塊的數(shù)據(jù)采集,同時(shí)完成對水下多通道聲源的工作狀態(tài)的控制。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)圖

如圖所示,對于控制系統(tǒng)部分,控制計(jì)算機(jī)連接到局域網(wǎng)上。多個(gè)通道的模擬聲信號(hào)發(fā)生器也全部連接到局域網(wǎng)上。上位控制計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)絡(luò),按照指定的通信協(xié)議,將各個(gè)通道的模擬聲信號(hào)數(shù)據(jù)通過TCP/IP下載到各通道的模擬信號(hào)發(fā)生器中。上位計(jì)算機(jī)對各通道的模擬信號(hào)發(fā)生器的啟?？刂萍耙袅空{(diào)節(jié)指令也通過同一網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸。

采集系統(tǒng)部分主要需要采集的數(shù)據(jù)包括水下測量電子艙的漏水監(jiān)測數(shù)據(jù)、水下裝置溫度、深度數(shù)據(jù)、水下裝置姿態(tài)數(shù)據(jù)、各功放的工作狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及定位信號(hào)發(fā)射機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

由于實(shí)際使用過程中,水下載體與水上系統(tǒng)之間距離往往較遠(yuǎn),所以選擇使用光纖來實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸,以減少電纜上的能量消耗[3]。使用LAN光端機(jī)和光纖將水上系統(tǒng)與水下載體連接,在水下載體內(nèi)使用帶有光纖接口的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)恢復(fù)出TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)。

水下載體的姿態(tài)傳感器安裝于水下密封電子艙內(nèi),其使用RS232接口形式輸出測量數(shù)據(jù)。通過LAN-232轉(zhuǎn)換器,將監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制采集指令轉(zhuǎn)換為RS232的形式,姿態(tài)傳感單元掛接于此RS232接口上,根據(jù)RS232接口傳來的指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作,并將采集到的數(shù)據(jù)上傳至狀態(tài)監(jiān)控計(jì)算機(jī)中。

針對使用模擬量進(jìn)行輸出的傳感器,模擬聲源監(jiān)測控制系統(tǒng)采用CAN總線采集模塊和CAN-LAN轉(zhuǎn)換器結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)這一類傳感器的網(wǎng)絡(luò)接入。將這些傳感器的傳感信號(hào)接入水下密封電子艙內(nèi)的AI單元上。AI單元掛接于CAN總線接口電路,通過CAN總線,對水下所有電子艙內(nèi)通過使用模擬量進(jìn)行輸出的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[4],并經(jīng)過LAN-CAN轉(zhuǎn)換器,上傳給狀態(tài)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。同時(shí)將監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制采集指令經(jīng)LAN-CAN轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為CAN總線的形式,發(fā)送至各個(gè)水下采集單元,水下采集單元根據(jù)上位機(jī)的指令進(jìn)行開始采集,結(jié)束采集,上傳數(shù)據(jù)等基本操作。

輔助測量系統(tǒng)的水下數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 輔助測量系統(tǒng)水下數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖

為了實(shí)現(xiàn)功放工作狀態(tài)的監(jiān)測,針對各功放單元所使用的設(shè)備狀態(tài)指示輸出形式,模擬聲源監(jiān)測采集系統(tǒng)選擇采用RS485總線掛接DI單元的處理方式。將DI單元掛接于此RS485接口,定位信號(hào)發(fā)射機(jī)及各功放單元的設(shè)備狀態(tài)輸出電平信號(hào)接入指定DI單元的指定通道。通過RS485總線,上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過讀取各個(gè)DI單元的輸入端子狀態(tài)即可完成對定位信號(hào)發(fā)射機(jī)及各功放單元的設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測。

3 系統(tǒng)的CAN總線設(shè)計(jì)

由于水下?lián)碛卸鄠€(gè)分段,每個(gè)分段又存在有多個(gè)需要采集的數(shù)據(jù),采用常規(guī)的通信技術(shù)將存在大量的線纜,會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

CAN是一種多主對等的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò),通過通信數(shù)據(jù)編碼實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)僅使用兩條屏蔽雙絞線就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[5]。CAN總線的引入不僅大大節(jié)省了水下的線纜數(shù)量,而且在簡化系統(tǒng)的同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。

控制器局域網(wǎng)(Control Area Network,CAN)是現(xiàn)場總線的一種,是一種有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[6]。與其他串行式網(wǎng)絡(luò)所不同的是,CAN總線采用了帶優(yōu)先級(jí)的CSMA/CD協(xié)議對總線進(jìn)行仲裁,所以,CAN總線構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)允許網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息,這樣,CAN總線可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),保證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性,也能保證信息處理的實(shí)時(shí)性。此外,CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu),且它的每幀信息都有CRC校驗(yàn),這樣就能夠保證很低的數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)率[7]。CAN總線最早被廣泛應(yīng)用于汽車的控制測量系統(tǒng),由于其強(qiáng)大的性能和較低的成本,如今,CAN總線技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等諸多方面, 并被公認(rèn)為是最具有前途的現(xiàn)場總線之一[8]。

為了利用CAN總線對系統(tǒng)的水下部分的大量AI單元進(jìn)行采集,對CAN總線接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。CAN總線接口主要由微處理器(MCU)、CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器三部分組成。

微處理器,負(fù)責(zé)對CAN控制器進(jìn)行初始化,并控制其完成數(shù)據(jù)的收發(fā)等通信任務(wù)。CAN總線控制器采用了Philips公司生產(chǎn)的SJA1000,它作為獨(dú)立的CAN通信控制器,用于完成CAN總線通信協(xié)議中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能,為微處理器提供了總線的物理線路接口。SJA1000在邏輯上完成了數(shù)據(jù)傳輸所需的編碼和解碼,但還需要在其與物理總線之間增加CAN總線收發(fā)器來增加系統(tǒng)的差動(dòng)收發(fā)能力。CAN總線收發(fā)器使用了PCA82C250,它是全世界使用最廣泛的CAN收發(fā)器。它可以產(chǎn)生CAN總線正常工作所需的差分電壓,作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口,為總線提供差動(dòng)發(fā)送能力,為CAN控制器提供差動(dòng)接收能力[9]。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,在SJA1000與PCA82C250之間引入了高速光耦器件6N137,使CAN總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。CAN總線接口的電路原理圖如圖3所示。

圖3 CAN總線接口電路原理圖

SJA1000的AD0-AD7與STC89C52的P0口相連,CS端接P2.7口,當(dāng)P2.7為0時(shí),STC89C52的片外儲(chǔ)存器地址可選中SJA1000,微處理器可以通過這些地址對SJA1000進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。兩個(gè)芯片的RD、WR、ALE端分別對應(yīng)連接,SJA1000的INT端與STC89C52的INT0相連,以便微處理器可以通過中斷方式訪問SJA1000。為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力而引入的高速光耦6N137的兩個(gè)電源VCC和VDD必須完全隔離,否則光耦起不到隔離的作用[10]。

針對大量的水下模擬量,基于CAN總線的采集模塊選擇采用了基于芯片ADS8401的AI模塊來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集。ADS8401是16位的A/D轉(zhuǎn)換器件,可以進(jìn)行高精度的模擬量采集。通過將該模塊掛接于CAN總線接口模塊上,實(shí)現(xiàn)采集水下模擬量的AI單元。水下所有模擬量輸出的傳感器數(shù)據(jù)均可通過該AI單元來實(shí)現(xiàn)水下模擬量的網(wǎng)絡(luò)接入。

4 結(jié)語

文章針對如今水下系統(tǒng)控制參數(shù)眾多,信號(hào)形式多樣的特點(diǎn),提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)總線與CAN總線相結(jié)合的雙層總線結(jié)構(gòu),在有效的控制線束增長的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了內(nèi)層CAN總線對各類水下模擬量的采集,以及外層LAN總線對包括內(nèi)層CAN總線在內(nèi)的系統(tǒng)各部分的網(wǎng)絡(luò)接入。

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[10] Philips Semiconductors, CAN Specification 2.0 Part B[M]. 1991.9:19-33.

Design of Multi-channel Sound Source Control System Based on Double Layer Bus

HUANG Yu LI Li WANG Hao

(Dalian Scientific Test & Control Technology Institute of CSIC, Dalian 116013)

Underwater multi-channel sound source has a large amount of data and complex signal form. This system considers the form of all kinds of sensors, designs a double layer bus structure.By using CAN bus based on network bus, the underwater multi-channel sound source can be controlled. In this paper, the design of network bus structure, the design of CAN bus interface circuit, and the design of the access method of all kinds of sensors have been completed. An effective multi-channel sound source control system has been realized.

multi-channel sound source, double layer bus, network bus, CAN bus

2016年7月19日,

2016年8月26日

黃煜,男,碩士,助理工程師,研究方向:嵌入式系統(tǒng),水聲工程。李利,女,碩士,工程師,研究方向:嵌入式系統(tǒng),信號(hào)處理。王浩,男,博士,高級(jí)工程師,研究方向:嵌入式系統(tǒng),水聲定位技術(shù)。

TB565+4

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.035