王鑫淦，杜選民，尹子源

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適用于主動拖曳發(fā)射陣的通信總線設計

王鑫淦，杜選民，尹子源

(上海船舶電子設備研究所，上海201108)

主動拖曳發(fā)射陣工作環(huán)境苛刻，對功率模塊的可靠性要求較高，需要合適的通信總線對發(fā)射陣內(nèi)各功率模塊進行實時監(jiān)控。文章提出了一種適用于主動拖曳發(fā)射陣的通信總線方案，該總線方案能在復雜電磁環(huán)境下無誤碼通信，實現(xiàn)對各功率模塊的狀態(tài)監(jiān)控。通過拖曳發(fā)射陣湖上和海上性能試驗，驗證了該總線方案的可行性和穩(wěn)健性。

主動拖曳發(fā)射陣；功率模塊監(jiān)控；通信總線；RS485網(wǎng)絡

0 引言

主動發(fā)射陣是主動拖曳式聲吶中的重要組成部分，其內(nèi)部含有數(shù)十個功率放大模塊，用來驅(qū)動發(fā)射換能器，如圖1所示[1]。

由于發(fā)射陣受拖曳這一形式的限制，其可用空間小、散熱環(huán)境差。然而功率模塊屬于大功率電子設備，在如此惡劣的環(huán)境下工作，其可靠性對整個發(fā)射陣的正常運行起到至關重要的作用。為此，有必要對功率模塊進行實時監(jiān)測。一般情況下，主動拖曳發(fā)射陣中功率模塊的個數(shù)在幾十到上百不等，因此需要設計一種合適的通信總線對各功率模塊進行監(jiān)控。

圖1 主動拖曳式聲吶示意圖

1 網(wǎng)絡選擇

現(xiàn)行的工業(yè)網(wǎng)絡可分為三類：HART(Highway Addressable Remote Transducer)網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡和RS485網(wǎng)絡。

HART網(wǎng)絡：HART是由艾默生提出的一個過渡性總線標準[2]，主要在4~20 mA電流信號上面疊加數(shù)字信號，物理層采用BELL2022頻移鍵控技術。但此協(xié)議不是一個開放的標準。從長遠來看，由于HART通信速率低、組網(wǎng)困難、成本高等原因，其應用前景呈逐年下滑的態(tài)勢。

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡：現(xiàn)場總線技術是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一[2]。它是一種數(shù)字化、串行、多站式的通信網(wǎng)絡，用來實現(xiàn)控制現(xiàn)場的儀表與控制室內(nèi)的控制設備間的數(shù)據(jù)連接。其關鍵標志是能支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信。

RS485網(wǎng)絡：RS485是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式，常采用MODBUS串行通信協(xié)議，其具有設備簡單、價格低廉、抗干擾能力強、能進行長距離通信等特點，在工程上得到廣泛應用[2]。

本文結合工程實際，采用了RS485網(wǎng)絡作為通信總線，對拖曳發(fā)射陣中各功率模塊進行監(jiān)控。

2 總線設計

2.1 拓撲結構

本文RS485總線采用了菊花鏈的聯(lián)網(wǎng)方式，如圖2所示。在該拓撲結構下，發(fā)送接收器通過較短的網(wǎng)絡分支連接到總線上。

圖2 RS485總線拓撲結構

由于拖曳發(fā)射陣空間有限，內(nèi)部走線較多，為此本文采用半雙工工作模式，只需一對信號線即可，如圖3所示。此時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)必須分時進行，同時要確保在任何時候掛接在總線上的發(fā)送器只有一個處于使能狀態(tài)。

圖3 RS485半雙工工作模式

2.2 抗干擾設計[3-8]

圖4 RS485總線終端處理

其次，每個收發(fā)節(jié)點到總線的距離必須小于發(fā)送端輸出信號上升時間對應波長的1/10[3]，如式(1)所示。

對于遠程數(shù)據(jù)通信，各節(jié)點在接地位置存在電位差，這將增大共模噪聲。將遠程各節(jié)點的地相連，同樣會引起大的地環(huán)路電流，導致共模噪聲耦合到信號線上。當共模噪聲增大到超過接收器的輸入共模抑制范圍時，就會導致通信失敗。

在遠距離通信中為了避免接地電位差橫跨RS485總線，有效的方法是將收發(fā)器的信號線、供電線與本地的信號、電源隔離。此時，電源隔離器、信號隔離器能避免電流在遠程節(jié)點間的流動，即避免了環(huán)路電流。圖6給出了多節(jié)點遠程通信下采用隔離型收發(fā)器的示意圖。除了第一個節(jié)點，所有節(jié)點都通過隔離器與總線相連。第一個非隔離收發(fā)器給總線提供了單端參考地。

圖6 遠程通信下多節(jié)點隔離收發(fā)工作

本文采用了美國ADI公司開發(fā)的增強型RS485隔離收發(fā)器ADM2587。ADM2587在單個封裝內(nèi)集成了一個三通道隔離器、一個三態(tài)差分線路驅(qū)動器、一個差分輸入接收器和一個isoPower隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了信號和電源完全隔離。該器件同時具有限流和熱關斷特性，可防止發(fā)生輸出短路以及總線競爭導致功耗過大的情況。

3 軟件設計[9-10]

本文采用了單址查詢模式，主節(jié)點采取輪詢的方式對各從機進行查詢，從節(jié)點收到命令并處理請求后，向主節(jié)點返回一串消息，即從機應答。該模式中主節(jié)點請求，從節(jié)點應答，每個節(jié)點有一個獨一無二的地址，從而可以被尋址到。

3.1 通信協(xié)議

通信協(xié)議實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)無差錯的雙向傳輸，這里的基本通信單位是幀。一個完整的信息幀由連續(xù)的字節(jié)序列組成，有明確的開始和結束標志。

本文所采用的幀結構如表1所示。

表1 幀結構

表1中包頭確定了一幀的開始；發(fā)方地址為發(fā)送信息一方的地址，當主機查詢從機時，發(fā)方地址為主機地址，當從機應答主機反饋信息時，發(fā)方地址為從機地址；收方地址為接收信息一方的地址，當主機查詢從機時，收方地址為從機地址，當從機應答主機反饋信息時，收方地址為主機地址；數(shù)據(jù)為收發(fā)雙方進行交互的信息，包括命令數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)等；此外為了保證數(shù)據(jù)傳輸無差錯，本文采用了CRC校驗對傳輸?shù)男畔M行校驗。CRC校驗碼由發(fā)送方生成，添加在幀尾，隨信息幀一同發(fā)送。當接收方收到信息幀后，按同樣的算法進行校驗，如果校驗碼不同，則視為數(shù)據(jù)出錯。

3.2 軟件流程

本文采用微控制器對RS485收發(fā)器進行控制，程序中采用中斷方式接收串口數(shù)據(jù)。當從機接收到數(shù)據(jù)以后，首先將數(shù)據(jù)幀中的地址信息與本機地址進行比對，如果地址匹配，再對數(shù)據(jù)進行校驗。如果校驗正確，從機立即進行反饋應答；如果校驗不正確，請求主機重新發(fā)送信息。圖7給出了從機節(jié)點的程序流程圖。

從機反饋給主機的信息包含拖曳發(fā)射陣內(nèi)各功率模塊的狀態(tài)信息，包括工作電壓、工作電流、保護標志等。各從機對拖曳發(fā)射陣內(nèi)對應功率模塊的狀態(tài)進行實時采集，當確定需要對主機進行反饋應答時，從機將功率模塊的狀態(tài)信息反饋給主機，從而達到實時監(jiān)控的作用。然后通過上位機軟件將獲取的各功率模塊狀態(tài)信息顯示出來，從而能夠直觀地了解功率模塊的工作狀態(tài)。

圖7 從機節(jié)點程序流程圖

4 結論

本文從硬件和軟件兩部分對拖曳發(fā)射陣內(nèi)通信總線的應用設計進行了詳細的分析研究。通過拖曳發(fā)射陣湖上和海上的性能實驗，充分驗證了本文提出的RS485總線的可靠性和穩(wěn)健性。在實驗過程中，主從機通信正常無誤碼，上位機軟件能實時顯示各功率模塊的狀態(tài)信息。由此可見，本文提出的RS485通信總線方案非常適用于拖曳發(fā)射陣監(jiān)控領域，當然也可廣泛應用于其他電磁環(huán)境惡劣的應用領域。

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Design of communication bus for active towed transmitting array

WANG Xin-gan, DU Xuan-min, YIN Zi-yuan

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

Because of the harsh working conditions for active towed transmitting array, the transmitting power modules require high reliability. Therefore, the right communication bus is neededful to carry on the real-time monitoring to the power modules in transmitting array. This article presents a solution of communication bus for active towed transmitting array, which ensures that no transmission error happens in complex electromagnetic environment, and that the real-time monitoring to the working state of power modules is realized. Through the experiments on lake and sea, the feasibility and robustness of this solution is verified.

active towed transmitting array;power monitoring module; communication bus; RS485 internet

TN911.7

A

1000-3630(2017)-01-0023-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.01.005

2016-04-01;

2016-07-16

王鑫淦(1987－), 男, 江蘇南通人, 碩士研究生, 研究方向為水聲信號處理。

王鑫淦, E-mail: jerry871217@163.com