盧紹慶

(中國船舶集團(tuán)有限公司 昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，昆明 650216)

0 引言

無人水下潛航器(UUV)是一種無人操控的自主潛航器，可以在無人控制的狀態(tài)下全天候、多航時地自主完成水下任務(wù)，成為在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域中重要的海洋開發(fā)和安全保障的工具[1]，在軍事、水下探測、深海打撈救生和海洋科學(xué)調(diào)查等多學(xué)科均獲得了廣泛的應(yīng)用。某高速水下航行器主要由控制系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)、動力推進(jìn)系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)和相關(guān)地面保障調(diào)試設(shè)備組成，各系統(tǒng)之間有大量信息數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實時交換，在以往的技術(shù)方案中，一般使用多種規(guī)格的線纜將各系統(tǒng)、組件、部件、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等聯(lián)接起來，由控制系統(tǒng)進(jìn)行集中統(tǒng)一控制，分系統(tǒng)間通過擴(kuò)展串行通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于各系統(tǒng)間纜線很多，給開發(fā)、調(diào)試、故障排查、產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配、工藝控制等多方面帶來了較大麻煩，而且普通串行通訊普遍存在抗干擾能力弱、數(shù)據(jù)容量小、實時性差、網(wǎng)絡(luò)故障后容易癱瘓等問題[2]。

為了提高整個系統(tǒng)的可靠性，降低大量線纜在生產(chǎn)調(diào)試時帶來的工藝復(fù)雜性，減小信號間的串?dāng)_，提高系統(tǒng)間信息交換的實時性，在系統(tǒng)設(shè)計中采用了CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)建一個數(shù)據(jù)交換控制網(wǎng)絡(luò)，將各系統(tǒng)、組部件、地面保障調(diào)試設(shè)備作為總線網(wǎng)絡(luò)中的通訊節(jié)點，使各節(jié)點均能實時獲得其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息數(shù)據(jù)，并對信息做出快速響應(yīng)，從而可以較好地解決上述問題。

網(wǎng)絡(luò)化航行器控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，涉及到如何高效率、無差錯地自動管理、調(diào)度、分配CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行系統(tǒng)性地研究設(shè)計。根據(jù)IEC 61158中國際電工委員會的相關(guān)定義，現(xiàn)場總線是一種串行方式傳輸、多點通信的數(shù)字式數(shù)據(jù)總線，工作于制造過程及現(xiàn)場區(qū)域的設(shè)備裝置與控制室內(nèi)的自動化系統(tǒng)之間的通信總線[3]；德國Bosch公司推薦了CAN現(xiàn)場總線，按照國際OSI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，由應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，是一種支持實時控制網(wǎng)絡(luò)的分布式串行數(shù)據(jù)總線[4]，采用短報文幀進(jìn)行傳輸，具有強(qiáng)抗干擾能力、高可靠性等特點，尤其適合工業(yè)化應(yīng)用場景的開關(guān)量控制等多種環(huán)境[5]。

1 CAN現(xiàn)場總線技術(shù)

1.1 CAN總線技術(shù)及高層協(xié)議

CAN總線信號傳輸為雙絞線，通訊速率最高為1 Mbit/s時，通訊距離可達(dá)40 m，最多可掛設(shè)備為110個。CAN信息幀傳輸可采用標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀及遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層采用獨特的設(shè)計技術(shù)，每幀數(shù)據(jù)都包含有CRC循環(huán)冗余校驗及其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率低，總線節(jié)點在嚴(yán)重錯誤的情況下，可自動切斷與總線的通訊聯(lián)系，以使總線上的其它操作不受影響[6]。

相對于傳統(tǒng)通信普遍采用的站地址編碼模式，CAN總線協(xié)議對通訊數(shù)據(jù)塊使用了報文標(biāo)識符進(jìn)行編碼。這是CAN總線的一個最大特點及優(yōu)點，能夠使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信節(jié)點數(shù)量在理論上不受到限制[7]，在CAN 2.0A版本中，使用了11位報文標(biāo)識符，編碼數(shù)量可以達(dá)到2 032種，而CAN 2.0B版本中定義的29位報文標(biāo)識符可以使編碼數(shù)量幾乎不會受到限制。

CAN報文中使用長度為8個字節(jié)的數(shù)據(jù)段，可以定義數(shù)據(jù)段長度為0～8個字節(jié)，在工業(yè)領(lǐng)域中的工作狀態(tài)、測試數(shù)據(jù)及控制命令一般都可以滿足使用；而且，傳輸最大長度為8個字節(jié)的數(shù)據(jù)段，不會占用總線過長時間，能夠保證通信的時效性；在各CAN總線節(jié)點中還設(shè)計有自動標(biāo)定、自檢測、錯誤診斷等檢錯和糾錯措施，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性指標(biāo)[8]。

CAN允許多個主站同時運行，采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有分散式仲裁及廣播式通信的特點[9]，在任意時刻，CAN總線上任意節(jié)點可以不用區(qū)分主次關(guān)系，主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息。因此，可在各通信節(jié)點之間實現(xiàn)對等化自由通信，CAN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的信息能分成不同的優(yōu)先等級，可以滿足不同級別的實時通信要求[10]。

到目前為止，CAN總線憑借著可靠的性能與優(yōu)異的設(shè)計，得到了十分廣泛的應(yīng)用。但是它只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[11]，按照OSI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，CAN總線定義了CAN 2.0A版及CAN 2.0B升級版，只提供了最底層的基本協(xié)議，沒有明確規(guī)定如何具體使用應(yīng)用層的細(xì)節(jié)，這就需要用戶自己定義高層應(yīng)用協(xié)議，才能滿足實際系統(tǒng)的需要。

在實際的工程應(yīng)用中，CAN總線需要一個應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議來定義CAN報文的各種標(biāo)識符，分配、定義數(shù)據(jù)段中的8個字節(jié)數(shù)據(jù)的實際內(nèi)容，支持CAN設(shè)備的所有互換和互用，用來實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理、設(shè)備功能、通信模式的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計[12]，以便支持對傳輸時間要求極嚴(yán)的過程數(shù)據(jù)控制和對設(shè)備參數(shù)的直接訪問。

在水下航行器多個項目研制過程中，目前均采取“自定義協(xié)議”方式設(shè)計控制系統(tǒng)，但在多數(shù)情況下，僅能實現(xiàn)基本 CAN 總線的通訊，完成應(yīng)用層面自定義簡單報文和傳輸協(xié)議?！白远x協(xié)議”不兼容標(biāo)準(zhǔn)型高層協(xié)議，難以做到各種CAN 設(shè)備之間的兼容、互用、互通?！白远x協(xié)議”在可靠性、完備性、拓展性等多方面完全依賴于協(xié)議制訂人員的技術(shù)水平、項目研發(fā)經(jīng)驗等不可控的因素，不能保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是控制網(wǎng)絡(luò)存在故障或干擾情況下的容錯、糾錯和診斷能力得不到保證。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化CANopen高層協(xié)議

為滿足某高速航行器項目中高速、強(qiáng)外部干擾、高可靠性等技術(shù)要求，控制系統(tǒng)采用CAN總線構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)，CAN總線波特率為500 kbps，選擇了標(biāo)準(zhǔn)化CANopen協(xié)議作為航行器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化高層通信協(xié)議。

CANopen協(xié)議是國際自動化標(biāo)準(zhǔn)CAN用戶和制造商協(xié)會CiA(CAN-in-automation)定義的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議(即國際標(biāo)準(zhǔn))[13]。CANopen可以給CAN總線控制系統(tǒng)提供豐富的功能，該協(xié)議完全公開，使不同的CAN設(shè)備之間能夠互相兼容，具備如下技術(shù)特點：

1)協(xié)議透明、公開，可免費下載源代碼，無需專門授權(quán)，便于用戶二次開發(fā)使用；

2)經(jīng)過惡劣的實際工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境充分驗證，全世界裝機(jī)用戶數(shù)量大；

3)可以在任意一種硬件平臺上構(gòu)建CAN總線網(wǎng)絡(luò)，完全兼容標(biāo)準(zhǔn)型底層CAN硬件；

4)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，允許多達(dá)127個節(jié)點同時通信；

5)可以根據(jù)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)配置；

6)實時性強(qiáng)、可靠性高，可通過軟件實現(xiàn)所有協(xié)議功能，低成本組網(wǎng)，不受硬件平臺制約。

CANopen協(xié)議應(yīng)用層提供了4種應(yīng)用服務(wù)：網(wǎng)絡(luò)管理(NMT)、基于CAN總線的報文規(guī)范(CMS)、參數(shù)修改(LMT)和動態(tài)標(biāo)識符分配(DBT)[14]。

CANopen協(xié)議分集管理及定義，主要由若干個協(xié)議文本組成，其中最基本的通信子協(xié)議和最重要的DS301 應(yīng)用層，已經(jīng)定義了CANopen的通信機(jī)制和通信基本概念，規(guī)定了所有設(shè)備都要遵循的CANopen規(guī)范。此外，協(xié)議集還為電機(jī)和馬達(dá)驅(qū)動、I/O模塊、閉環(huán)控制器、傳感器和可編程設(shè)備、火車控制、電梯控制等應(yīng)用領(lǐng)域，專門定義了很多設(shè)備協(xié)議子集[15]。只要遵循這些協(xié)議的定義，開發(fā)出來的設(shè)備就可以很容易組建CANopen網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。

由于各種歷史的原因，國內(nèi)各行業(yè)較晚開展對CANopen協(xié)議的研究，而且對CAN現(xiàn)場總線在國內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展更加落后，尤其限制了對 CAN總線技術(shù)進(jìn)一步深入化推廣和應(yīng)用。據(jù)研究，國際上的少數(shù)開源軟件協(xié)議棧以Can Festival為代表，但是存在靈活性較差，不支持二次配置等問題而難以開發(fā)應(yīng)用，因此急需加強(qiáng)國內(nèi)CANopen軟件協(xié)議棧的自主研發(fā)能力。

CANopen協(xié)議在惡劣的工業(yè)化環(huán)境下能夠穩(wěn)定運行，裝機(jī)用戶數(shù)量龐大，經(jīng)過了十幾年實際工程化驗證，加入采取應(yīng)用世界標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，進(jìn)行二次集成、再次開發(fā)的技術(shù)路線，則能夠解決前述“自定義協(xié)議”帶來的一系列問題。

2 CANopen技術(shù)架構(gòu)

2.1 CANopen通信模型

如圖1所示，按照CANopen協(xié)議規(guī)范，支持該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(主站或從站)，都可以用一個抽象的通信模型來描述，模型可以抽象為雙端口模型，其一端連接CAN總線，另一端連接具體的I/O端口數(shù)據(jù)，而端口數(shù)據(jù)與實際的物理應(yīng)用對象直接關(guān)聯(lián)。

圖1 CANopen網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型

CANopen協(xié)議一般使用OD對象字典(Object Dictionary)來描述應(yīng)用程序和設(shè)備之間的接口，每一個通信設(shè)備都包含特定的OD對象字典，該對象是配置和數(shù)據(jù)的集合體，CANopen軟件協(xié)議棧支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對其OD對象字典的修改和訪問[16]。

2.2 CANopen對象字典(OD)

對象字典OD由一般由很多對象的成員組成，每個成員可以通過其16 位索引值(Index)和8 位子索引值(SubIndex)來進(jìn)行訪問和尋址。為了簡化對象的實際操作，每個通信節(jié)點的具體對象字典OD并不需要提供完備的所有對象內(nèi)容，只需提供描述該設(shè)備所必需要的主要對象成員即可。

在CANopen世界標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(標(biāo)準(zhǔn)號為DS301)中，已經(jīng)包含了通信節(jié)點對象字典OD的規(guī)劃及分布的詳細(xì)定義，在一般應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，用戶主要對通訊描述部分和設(shè)備描述部分的成員對象進(jìn)行配置和定義。

2.3 CANopen通訊對象

CANopen 網(wǎng)絡(luò)通訊模型一共定義了4種常用通訊對象：

1)網(wǎng)絡(luò)管理對象(NMT)；

2)預(yù)定義報文或特殊功能對象；

3)服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)；

4)過程數(shù)據(jù)對象(PDO)。

其中，網(wǎng)絡(luò)管理對象(NMT)主要用于對網(wǎng)絡(luò)上指定的節(jié)點進(jìn)行狀態(tài)設(shè)定和參數(shù)配置，CANopen主站向從站發(fā)送指定用途的NMT報文，報文中包含了狀態(tài)設(shè)置具體命令，可以將從站節(jié)點強(qiáng)制進(jìn)入指定狀態(tài)當(dāng)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能。

預(yù)定義報文或特殊功能對象主要包括一系列特殊的報文，例如時間戳(TIME)報文、同步對象(SYNC)報文和緊急事件(EMC)報文，時間戳TIME報文用于設(shè)置各從站時鐘，同步對象SYNC用于對各從站進(jìn)行同步控制和操作，緊急事件EMC報文用于傳輸緊急事件。

服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)是一種特殊的對象，CANopen主站通過向其它節(jié)點發(fā)送SDO報文的方式，可以讀出或者寫入/改寫該節(jié)點的對象字典OD，功能類似于讀寫從站設(shè)備的參數(shù)，兩者之間的SDO采用明確的“請求-應(yīng)答”模式進(jìn)行通信操作。

過程數(shù)據(jù)對象(PDO)是CANopen 網(wǎng)絡(luò)很重要的一種對象報文，PDO對象通常用來收發(fā)實時的過程控制數(shù)據(jù)，每一個 PDO對象包含有映射參數(shù)和通訊參數(shù)。其中，通訊參數(shù)用來配置CAN報文標(biāo)識符，定義PDO報文的觸發(fā)條件(同步或異步觸發(fā))；而映射參數(shù)用一般來描述對象字典OD的入口參數(shù)，定義該對象是怎樣映射到PDO對象報文當(dāng)中，即每個對象在PDO對象報文中的起始位置和結(jié)束位置，映射參數(shù)的具體定義內(nèi)容，必須要求通信的主站和從站雙方事先已知[17]，才可以按照此定義各自編程實現(xiàn)。

在實際的應(yīng)用設(shè)計中，可以通過應(yīng)用程序動態(tài)配置來改變對象映射的參數(shù)，也可以預(yù)先定義PDO對象報文的內(nèi)容，還可以在CANopen網(wǎng)絡(luò)啟動、管理時自動進(jìn)行配置。

為了適應(yīng)不同的通信應(yīng)用場合，PDO對象報文的傳輸設(shè)計為兩種方式都可以觸發(fā)，一種是同步方式觸發(fā)，另一種是異步方式觸發(fā)，兩種方式通過傳輸類型用0～255來定義，數(shù)值<254的都是同步方式觸發(fā)，一般是在收到指定數(shù)目的SYNC同步對象之后，從站自動啟動一次PDO對象報文的傳輸。而異步方式觸發(fā)是采用事件方式進(jìn)行自動觸發(fā)[17]，允許的觸發(fā)事件包括外部數(shù)字輸入/輸出狀態(tài)改變、定時器/計數(shù)器計數(shù)溢出事件等條件產(chǎn)生時從站自動觸發(fā)。

CANopen網(wǎng)絡(luò)通信過程中，優(yōu)先級較高的信息幀如果不加以管理，就會因事件方式觸發(fā)而占用總線，引起通信數(shù)據(jù)量大而網(wǎng)絡(luò)擁堵，這可以通過給PDO對象報文人為指定一個禁止時間的辦法，防止其它優(yōu)先級較低的信息幀得不到發(fā)送的機(jī)會；還可以通過指定一個定時周期或事件的方式，當(dāng)定時時間到或指定事件發(fā)生時，立即自動觸發(fā)PDO對象報文的傳輸。

尤其需要說明的是，以上描述的標(biāo)準(zhǔn)型CANopen網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的最小軟件配置需求如下：

1)必須支持NMT網(wǎng)絡(luò)管理對象；

2)至少支持1個SDO服務(wù)數(shù)據(jù)對象；

3)至少支持1個PDO過程數(shù)據(jù)對象[18]；

4)其他通信對象為可選項，不作特別要求。

2.4 某航行器CANopen控制系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，某水下航行器主要由控制組件、姿態(tài)系統(tǒng)、電源管理組件、電池監(jiān)測電路、電機(jī)調(diào)速控制器、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、發(fā)控接口電路、載荷系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)、進(jìn)排水組件、調(diào)試系統(tǒng)、發(fā)控設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、各種開關(guān)量、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。各通信節(jié)點通過擴(kuò)展隔離CAN接口連接到控制網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成整個基于CANopen總線的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。

圖2 航行器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，調(diào)試系統(tǒng)其實包含了多臺套地面保障專用設(shè)備及通用設(shè)備，還包括了校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)第三方測試設(shè)備等，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，考慮到調(diào)試系統(tǒng)一般僅僅在工房準(zhǔn)備階段使用，而航行器在水下實航階段并不參以運行，特將所有調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，先將數(shù)據(jù)信息打包匯集，再傳輸?shù)胶叫衅骺刂凭W(wǎng)絡(luò)的方式，可以明顯簡化系統(tǒng)設(shè)計量，且便于后續(xù)新增加入其他保障類調(diào)試設(shè)備，為了描述方便，僅以調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行概括性統(tǒng)稱。

其中，控制組件是整個CANopen總線網(wǎng)絡(luò)的控制核心，作為網(wǎng)絡(luò)控制主站管理者身份，運行CANopen協(xié)議主站代碼，控制組件主要由控制計算機(jī)各節(jié)點(含主控計算機(jī)、備份計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)管理計算機(jī)、仿真調(diào)試計算機(jī)等4個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點)構(gòu)成；其他總線節(jié)點運行CANopen協(xié)議從站代碼，以從站身份接入控制網(wǎng)絡(luò)，其中電源管理組件由電源電路及后備電源電路2個節(jié)點構(gòu)成；智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)由四套獨立運行的高速電機(jī)位置伺服控制電路組成，共4個節(jié)點接入控制網(wǎng)絡(luò)。

載荷系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)均為與控制系統(tǒng)同級別大系統(tǒng)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，共享數(shù)據(jù)、參數(shù)和能源，其中載荷系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)量較大，需要使用速率為1 Mbps的CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此在載荷系統(tǒng)和控制網(wǎng)絡(luò)間加入一個CAN網(wǎng)關(guān)，用于橋接兩個不同速率的網(wǎng)絡(luò)。而模擬系統(tǒng)的通信速率與控制網(wǎng)絡(luò)相同，可以集中后以一個節(jié)點身份接入控制網(wǎng)絡(luò)；各種開關(guān)量、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)因機(jī)構(gòu)數(shù)量多，如果每個機(jī)構(gòu)都接入CAN控制網(wǎng)絡(luò)，則會明顯加大網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)可靠性，因此專門設(shè)計了一個開關(guān)量、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將各種機(jī)構(gòu)的信號集中采集、發(fā)送。

上述控制網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點共計23個，后續(xù)描述的CANopen控制節(jié)點模型主要針對主要/核心組件協(xié)議進(jìn)行介紹，其他輔助性節(jié)點、組件的設(shè)計方法與之類似就不做詳細(xì)介紹。

控制系統(tǒng)按照信息化、數(shù)字化的發(fā)展要求構(gòu)建信息化體系，采用現(xiàn)場總線構(gòu)建混合數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺，使用實時性較高的CAN總線作為控制網(wǎng)主干，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)中各重要組部件之間參數(shù)、數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。

按照CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼艾F(xiàn)場布線規(guī)范要求，控制系統(tǒng)CAN總線采取功能化網(wǎng)絡(luò)分段的方式構(gòu)建，不同的網(wǎng)段之間使用CAN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行橋接，只需要修改CAN網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用軟件，就能夠?qū)⒉煌ㄓ嵥俾?、不同接口協(xié)議的節(jié)點自動接入網(wǎng)絡(luò)。

CANopen高層協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通訊的具體幀格式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶蛢?nèi)容，從而實現(xiàn)各個系統(tǒng)、各通信節(jié)點之間的各種運行參數(shù)、控制命令、信息狀態(tài)的可靠接收和傳送，完成主控制核心節(jié)點與各受控執(zhí)行機(jī)構(gòu)、部件等節(jié)點的聯(lián)系。

3 CANopen控制節(jié)點

3.1 CANopen網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成

CANopen控制網(wǎng)絡(luò)中，一般包括但不限制為一個網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點或從節(jié)點僅是從網(wǎng)絡(luò)通信的角度進(jìn)行劃分，實際上各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成基本類似，一般包括主控芯片CPU處理器、存儲電路、時鐘電路、電源產(chǎn)生/變換電路、CAN總線控制器、總線接口電路、網(wǎng)絡(luò)隔離電路、網(wǎng)絡(luò)接口連接器等部分[19](如圖3所示)，電路核心部分是CAN總線控制器和主控芯片CPU處理器，整個電路中的CANopen通信協(xié)議由內(nèi)嵌運行于CPU處理器中的應(yīng)用軟件代碼實現(xiàn)。

圖3 CANopen網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成圖

其中，供電電源由網(wǎng)絡(luò)接口連接器的電源輸入插針接入，按照CANopen協(xié)議規(guī)范，供電電源一般為直流DC24V電壓，隔離電源產(chǎn)生/變換電路將DC24V變換為CPU處理器使用的DC5V或DC3.3 V電源、網(wǎng)絡(luò)隔離電路使用的ISO5V電源、其他外部設(shè)備使用的DC12V電源。

網(wǎng)絡(luò)隔離電路一般由具備高隔離能力的高速光電耦合器(例如HCPL-0710)組成，或者使用高速磁耦合隔離方式設(shè)計；總線接口電路基于專用的CAN總線接口芯片電路構(gòu)成，一般使用進(jìn)口第二代產(chǎn)品TJA1040或TJA1050芯片進(jìn)行設(shè)計，價格稍高，但抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，也可以使用第一代82C250芯片進(jìn)行設(shè)計，價格便宜，但抗干擾能力稍弱。

下面，針對某水下航行器網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)各主要節(jié)點及組件，按照CANopen協(xié)議的規(guī)范及要求建立網(wǎng)絡(luò)通信模型，分配網(wǎng)絡(luò)資源及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、數(shù)據(jù)等對象。

3.2 控制組件主節(jié)點

為了減少CAN網(wǎng)絡(luò)配置工作量，控制系統(tǒng)使用CANopen網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的通用預(yù)定義連接集來分配標(biāo)識符CAN-ID，這些CAN-ID將在NMT網(wǎng)絡(luò)初始化完成進(jìn)入配置態(tài)后生效，CANopen設(shè)備只為支持的通信對象提供相應(yīng)的CAN-ID。

CAN-ID標(biāo)識符內(nèi)容包括了通訊功能部分，決定了通訊對象的優(yōu)先級和節(jié)點的ID，用于區(qū)分CANopen各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，允許在單一主節(jié)點和最多127個從節(jié)點之間進(jìn)行點對點通信，同時還支持無應(yīng)答的網(wǎng)絡(luò)管理NMT、同步SYNC和時間廣播TIME報文。

按照CAN規(guī)范定義，節(jié)點ID值越小，節(jié)點的通信優(yōu)先級越高，ID值越大，通信優(yōu)先級越低。因此，將姿態(tài)系統(tǒng)、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)等需要快速交換數(shù)據(jù)的節(jié)點ID分配為較小值，將調(diào)試設(shè)備等不需要快速交換數(shù)據(jù)的節(jié)點ID分配為較大值，再輔以報文事件觸發(fā)模式，則可以減小CAN通信數(shù)據(jù)量，明顯優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)占用率。

控制系統(tǒng)CAN總線通信目前使用11位標(biāo)識符(CAN 2.0A版本并向上兼容)，按照CANopen協(xié)議規(guī)范，一般從CAN網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送方對Tx和Rx進(jìn)行描述定義，即發(fā)送節(jié)點的Tx就是接收節(jié)點的Rx，發(fā)送節(jié)點的Rx就是接收節(jié)點的Tx，下述網(wǎng)絡(luò)模型中遵循此定義。

各CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間均使用過程數(shù)據(jù)報文PDO進(jìn)行實時性數(shù)據(jù)交換(如TxPDO或RxPDO)，使用服務(wù)數(shù)據(jù)報文SDO進(jìn)行參數(shù)設(shè)置(如TxSDO或RxSDO)、數(shù)據(jù)管理等非實時性數(shù)據(jù)交換。

航行器控制組件作為CANopen網(wǎng)絡(luò)的通信主節(jié)點，定時發(fā)出同步SYNC報文，使用網(wǎng)絡(luò)管理NMT報文管理各從節(jié)點，統(tǒng)一協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點同步有序工作。各節(jié)點按照網(wǎng)絡(luò)SYNC同步方式工作，使用過程數(shù)據(jù)PDO(如TxPDO或RxPDO)報文進(jìn)行實時性數(shù)據(jù)交換。

3.3 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)從節(jié)點

如圖4所示，智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用1個TxPDO1過程數(shù)據(jù)報文，向CANopen網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)送航行器實時舵角、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)、電流、電壓等數(shù)據(jù)。

圖4 智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)CANopen網(wǎng)絡(luò)模型

智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用1個RxPDO1過程數(shù)據(jù)報文，接收航行器控制組件發(fā)送的操舵指令。通訊方式為收到CANopen主節(jié)點發(fā)送的1個SYNC報文同步發(fā)送1個TxPDO1報文，快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)指令。

其中CAN信息接受對象為航行器控制組件(ID=3)、CAN網(wǎng)關(guān)(ID=11)等。

3.4 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)從節(jié)點

如圖5所示，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)使用一個TxPDO1過程數(shù)據(jù)報文，向CANopen網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)送推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)實時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、航行器航行速度、負(fù)載電流、電壓及狀態(tài)信息。

圖5 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)CANopen網(wǎng)絡(luò)模型

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)使用1個RxPDO1過程數(shù)據(jù)報文，接收航行器控制組件發(fā)送的航行器目標(biāo)航速、啟?？刂频炔僮髦噶睢Ｍㄓ嵎绞綖槭盏紺ANopen主節(jié)點發(fā)送的5個SYNC報文同步發(fā)送1個TxPDO1報文，采取慢速回應(yīng)主節(jié)點的方式，利于減小網(wǎng)絡(luò)占用時間。

其中CAN信息接受對象為航行器控制組件(ID=3)、調(diào)試系統(tǒng)(ID=30)、模擬系統(tǒng)(ID=12)、CAN網(wǎng)關(guān)(ID=11)等。

3.5 姿態(tài)系統(tǒng)從節(jié)點

如圖6所示，姿態(tài)系統(tǒng)使用1個TxPDO1過程數(shù)據(jù)報文，向CANopen網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)送航行器實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，通訊方式為收到CANopen主節(jié)點發(fā)送的1個SYNC報文同步發(fā)送1個TxPDO1報文，快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)指令。

圖6 姿態(tài)系統(tǒng)CANopen網(wǎng)絡(luò)模型

其中CAN信息接受對象為航行器控制組件、CAN網(wǎng)關(guān)、模擬系統(tǒng)和調(diào)試系統(tǒng)等。

3.6 發(fā)控系統(tǒng)從節(jié)點

如圖7所示，發(fā)控系統(tǒng)通過發(fā)控接口電路，使用1個復(fù)用TxPDO1過程數(shù)據(jù)報文，向CANopen網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)送發(fā)控接口電路實時數(shù)據(jù)及狀態(tài)，包括發(fā)控設(shè)備發(fā)送的航行器設(shè)定參數(shù)、發(fā)控參數(shù)等數(shù)據(jù)。

圖7 發(fā)控系統(tǒng)CANopen網(wǎng)絡(luò)模型

發(fā)控系統(tǒng)使用1個復(fù)用RxPDO1過程數(shù)據(jù)報文，接收航行器控制組件發(fā)送的應(yīng)答數(shù)據(jù)及操作指令。接收通訊方式為收到CANopen主節(jié)點發(fā)送的2個SYNC報文同步發(fā)送TxPDO1報文。

其中CAN接受對象為航行器控制組件、調(diào)試系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)、CAN網(wǎng)關(guān)等。

發(fā)控系統(tǒng)CAN通訊采用“周期+狀態(tài)改變”模式進(jìn)行，既能通過SYNC報文同步通訊，又可以在需要參數(shù)設(shè)置時直接通訊，即發(fā)控系統(tǒng)檢測到需要改寫航行器控制組件中的發(fā)控、導(dǎo)航參數(shù)時，通過該復(fù)用PDO數(shù)據(jù)報文，直接操作航行器控制組件的對象字典，改寫其中的對應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)發(fā)控、控制功能。

為了節(jié)約CAN通訊資源，通訊過程中發(fā)控系統(tǒng)與航行器控制組件使用復(fù)用PDO技術(shù)，將服務(wù)數(shù)據(jù)報文SDO直接整合到快速的過程數(shù)據(jù)報文PDO中，在PDO通訊數(shù)據(jù)域(共8個字節(jié))填入SDO服務(wù)數(shù)據(jù)報文的數(shù)據(jù)域，通過修改數(shù)據(jù)域中的對象字典索引值Index、子索引值SubIndex，配合參數(shù)數(shù)據(jù)(CAN數(shù)據(jù)中的字節(jié)4～字節(jié)7)，即可靈活地實現(xiàn)大批量、多組參數(shù)數(shù)據(jù)的讀寫功能。

4 CANopen系統(tǒng)應(yīng)用

某高速水下航行器采用了CANopen協(xié)議架構(gòu)，按照信息化、數(shù)字化的發(fā)展要求，采用CAN總線構(gòu)建數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺，搭建貫穿整個航行器所有系統(tǒng)、組部件、傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，使用實時性較高的CAN總線作為控制網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)中各重要組部件間控制數(shù)據(jù)和指令的傳輸，實現(xiàn)主控電路與各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的信息聯(lián)系。

將時效性較強(qiáng)、與控制系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)的各系統(tǒng)接入CAN網(wǎng)絡(luò)，組成一個CANopen實時控制網(wǎng)段；將時效性不大、數(shù)據(jù)量較大的調(diào)試系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)等組成獨立網(wǎng)段，通過CAN網(wǎng)關(guān)接入控制網(wǎng)絡(luò)，兩個網(wǎng)段間主要傳輸系統(tǒng)狀態(tài)、規(guī)避信息、同步信息，以及控制系統(tǒng)定時發(fā)送的北京時間戳，作為數(shù)據(jù)記錄時間基準(zhǔn)使用。在航行器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，控制系統(tǒng)作為CANopen網(wǎng)絡(luò)主站，定時發(fā)出同步SYNC報文，使用網(wǎng)絡(luò)管理NMT報文管理其他從節(jié)點，統(tǒng)一協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點同步有序地工作。

按照設(shè)計要求，生產(chǎn)了多套基于標(biāo)準(zhǔn)CANopen協(xié)議的航行器控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測試，為了最大程度地降低風(fēng)險，保證試驗設(shè)備的安全性，對比測試分為3個階段開展，第一階段是搭建完整航行器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實驗室測試平臺，完成控制網(wǎng)絡(luò)功能驗證和程序的調(diào)試；第二階段是在第一階段成功完成后，將控制系統(tǒng)安裝到真實的航行器內(nèi)部，在現(xiàn)場工房內(nèi)進(jìn)行陸上全系統(tǒng)模擬測試試驗；第三階段將航行器投放到水中，按照設(shè)定的任務(wù)，進(jìn)行水下實航試驗，獲得外測和內(nèi)測數(shù)據(jù)后，將其與原“自定義協(xié)議”系統(tǒng)進(jìn)行逐項比對，得出最終結(jié)論。

測試驗證過程主要從以下幾方面進(jìn)行測試：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信速率、網(wǎng)絡(luò)可靠性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率、網(wǎng)絡(luò)拓展性、協(xié)議完備性、全系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新周期、網(wǎng)絡(luò)管理能力、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)難度、新節(jié)點加入難易度、網(wǎng)絡(luò)故障自愈能力、網(wǎng)絡(luò)故障自診斷能力、硬件成本、系統(tǒng)開發(fā)難度、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試難度。

對比驗證過程嚴(yán)格按照相同測試條件、相同任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行，安排同一批熟練人員對兩套航行器系統(tǒng)進(jìn)行測試，全部測試結(jié)束后，由第三方質(zhì)量檢測員對外測、內(nèi)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗分析，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求為合格，達(dá)不到為不合格，明顯超過為優(yōu)良，最終統(tǒng)計得出驗證結(jié)果，對比驗證結(jié)果如表1所示。

表1 CANopen協(xié)議與“自定義協(xié)議”的控制系統(tǒng)特性對比測試

對比測試項目中，“網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率”指標(biāo)尤其重要，相比于其他總線技術(shù)，CAN總線通信機(jī)制的最大特點是對通信負(fù)載非常敏感，一旦通信負(fù)載增加，網(wǎng)絡(luò)通信性能會大幅度下降，現(xiàn)有的補(bǔ)償方法基本無法實現(xiàn)在通信負(fù)載不增加的前提下補(bǔ)償通信的延時以及丟幀[20]。對比測試數(shù)據(jù)表明，使用標(biāo)準(zhǔn)化CANopen通信協(xié)議開發(fā)的控制系統(tǒng)，在相同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況下，采用同樣的硬件平臺和通信速率，構(gòu)建的控制網(wǎng)絡(luò)可靠性非常高，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率較低，明顯優(yōu)于“自定義協(xié)議”系統(tǒng)，尤其是關(guān)系到控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的“全系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新周期”、故障自愈能力、故障自診斷能力，以及網(wǎng)絡(luò)管理能力、組網(wǎng)難度、新節(jié)點加入難易程度、系統(tǒng)開發(fā)難度、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試難度等方面全面超過“自定義協(xié)議”系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

某高速水下航行器采用了基于CANopen網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計出航行器控制系統(tǒng)，進(jìn)行了大量組部件級測試工作，開展了岸上工房系統(tǒng)級調(diào)試，完成了實航試驗。經(jīng)過多航次、多目標(biāo)、對抗性實航試驗驗證，航行器控制系統(tǒng)功能正常，滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求。

經(jīng)過外部標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備實際測試，航行器控制系統(tǒng)CANopen網(wǎng)絡(luò)采用500 kbps波特率，全系統(tǒng)(包括控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、姿態(tài)系統(tǒng)、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)、地面調(diào)試系統(tǒng)、CAN網(wǎng)關(guān)電路、發(fā)控接口電路、載荷系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)等)運行快速，信息交換流暢，傳輸滯后小，整個控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率為21.9%，明顯優(yōu)于國際CANopen現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)會要求。

即使在干擾信號強(qiáng)烈的高速實航試驗過程中，CANopen控制網(wǎng)絡(luò)工作正常，能穩(wěn)定可靠地高效工作，姿態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)快速，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)刷新率滿足控制要求，證明航行器CANopen控制網(wǎng)絡(luò)滿足設(shè)計要求，該技術(shù)適用于通用UUV、ROV等多種水下航行器系統(tǒng)，值得推廣應(yīng)用。