基于双层总线的多通道声源控制系统设计

黄 煜 李 利 王 浩

(大连测控技术研究所 大连 116013)

基于双层总线的多通道声源控制系统设计

黄 煜 李 利 王 浩

(大连测控技术研究所 大连 116013)

水下多通道声源拥有采集数据量众多,信号形式复杂的特点。该系统充分考虑了各类传感器的输出形式,设计了一种双层总线结构,采用网络总线嵌套CAN总线的形式对水下多通道声源进行控制。完成了系统的网络总线结构设计、CAN总线接口电路设计,以及各类传感器的接入方式设计。实现了一种有效的多通道声源控制系统。

多通道声源; 双层总线; 网络总线; CAN总线

Class Number TB565+4

1 引言

随着水声技术的不断发展以及各种水下设备功能的不断丰富加强,对水下声源系统的控制已经不再局限于简单声信号的发射,需要采集监测的水下数据越来越多,这就使得水下电子设备之间的通信越来越复杂,同时意味着需要更多的信号连接线[1]。线束的增加不仅会加大水下设备的开发难度,也会降低设备工作的稳定性。因此,引入一种双层总线设计,可以在有效控制线束增长的同时,实现各类水下信号的实时传输,帮助水下设备发展到一个崭新的高度。

鉴于实际应用中水下系统采集数据量众多,采集信号形式复杂多样的特点[2],本文采用网络总线嵌套CAN总线的形式对水下声源进行控制。通过采用这种双总线结构,实现了内层CAN总线对各类水下模拟量的采集,以及外层LAN总线对包括内层CAN总线在内的系统各部分的网络接入。

2 系统的网络总线设计

水下系统通过网络与系统其他部分实现连接,实现对包括温深、姿态、漏水等状态监测模块在内的辅助测量模块的数据采集,同时完成对水下多通道声源的工作状态的控制。系统的网络逻辑结构如图1所示。

图1 系统的网络逻辑结构图

如图所示,对于控制系统部分,控制计算机连接到局域网上。多个通道的模拟声信号发生器也全部连接到局域网上。上位控制计算机通过局域网络,按照指定的通信协议,将各个通道的模拟声信号数据通过TCP/IP下载到各通道的模拟信号发生器中。上位计算机对各通道的模拟信号发生器的启停控制及音量调节指令也通过同一网络实现传输。

采集系统部分主要需要采集的数据包括水下测量电子舱的漏水监测数据、水下装置温度、深度数据、水下装置姿态数据、各功放的工作状态监测数据以及定位信号发射机状态数据等。

由于实际使用过程中,水下载体与水上系统之间距离往往较远,所以选择使用光纤来实现信息的远距离传输,以减少电缆上的能量消耗[3]。使用LAN光端机和光纤将水上系统与水下载体连接,在水下载体内使用带有光纤接口的网络交换机恢复出TCP/IP协议的网络电信号。

水下载体的姿态传感器安装于水下密封电子舱内,其使用RS232接口形式输出测量数据。通过LAN-232转换器,将监控计算机的控制采集指令转换为RS232的形式,姿态传感单元挂接于此RS232接口上,根据RS232接口传来的指令执行相应动作,并将采集到的数据上传至状态监控计算机中。

针对使用模拟量进行输出的传感器,模拟声源监测控制系统采用CAN总线采集模块和CAN-LAN转换器结合的形式实现这一类传感器的网络接入。将这些传感器的传感信号接入水下密封电子舱内的AI单元上。AI单元挂接于CAN总线接口电路,通过CAN总线,对水下所有电子舱内通过使用模拟量进行输出的传感器的数据进行采集[4],并经过LAN-CAN转换器,上传给状态监控计算机。同时将监控计算机的控制采集指令经LAN-CAN转换器转换为CAN总线的形式,发送至各个水下采集单元,水下采集单元根据上位机的指令进行开始采集,结束采集,上传数据等基本操作。

辅助测量系统的水下数据采集结构框图如图2所示。

图2 辅助测量系统水下数据采集结构框图

为了实现功放工作状态的监测,针对各功放单元所使用的设备状态指示输出形式,模拟声源监测采集系统选择采用RS485总线挂接DI单元的处理方式。将DI单元挂接于此RS485接口,定位信号发射机及各功放单元的设备状态输出电平信号接入指定DI单元的指定通道。通过RS485总线,上位监控计算机通过读取各个DI单元的输入端子状态即可完成对定位信号发射机及各功放单元的设备状态的监测。

3 系统的CAN总线设计

由于水下拥有多个分段,每个分段又存在有多个需要采集的数据,采用常规的通信技术将存在大量的线缆,会增加整个系统的复杂程度。

CAN是一种多主对等的现场总线通信网络,通过通信数据编码实现各个节点仅使用两条屏蔽双绞线就可以实现数据发送和接收[5]。CAN总线的引入不仅大大节省了水下的线缆数量,而且在简化系统的同时提高了系统的可靠性。

控制器局域网(Control Area Network,CAN)是现场总线的一种,是一种有效支持分布式控制及实时控制的串行通信网络[6]。与其他串行式网络所不同的是,CAN总线采用了带优先级的CSMA/CD协议对总线进行仲裁,所以,CAN总线构建的网络允许网络上的节点同时发送信息,这样,CAN总线可以构成多主结构的系统,保证了系统设计的可靠性,也能保证信息处理的实时性。此外,CAN总线采用短帧结构,且它的每帧信息都有CRC校验,这样就能够保证很低的数据传输出错率[7]。CAN总线最早被广泛应用于汽车的控制测量系统,由于其强大的性能和较低的成本,如今,CAN总线技术已经被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等诸多方面, 并被公认为是最具有前途的现场总线之一[8]。

为了利用CAN总线对系统的水下部分的大量AI单元进行采集,对CAN总线接口电路进行了设计。CAN总线接口主要由微处理器(MCU)、CAN总线控制器和CAN总线收发器三部分组成。

微处理器,负责对CAN控制器进行初始化,并控制其完成数据的收发等通信任务。CAN总线控制器采用了Philips公司生产的SJA1000,它作为独立的CAN通信控制器,用于完成CAN总线通信协议中的物理层和数据链路层的功能,为微处理器提供了总线的物理线路接口。SJA1000在逻辑上完成了数据传输所需的编码和解码,但还需要在其与物理总线之间增加CAN总线收发器来增加系统的差动收发能力。CAN总线收发器使用了PCA82C250,它是全世界使用最广泛的CAN收发器。它可以产生CAN总线正常工作所需的差分电压,作为CAN协议控制器和物理总线之间的接口,为总线提供差动发送能力,为CAN控制器提供差动接收能力[9]。

为了进一步增强CAN总线节点的抗干扰能力,在SJA1000与PCA82C250之间引入了高速光耦器件6N137,使CAN总线上的各个节点实现电气隔离。CAN总线接口的电路原理图如图3所示。

图3 CAN总线接口电路原理图

SJA1000的AD0-AD7与STC89C52的P0口相连,CS端接P2.7口,当P2.7为0时,STC89C52的片外储存器地址可选中SJA1000,微处理器可以通过这些地址对SJA1000进行相应的读写操作。两个芯片的RD、WR、ALE端分别对应连接,SJA1000的INT端与STC89C52的INT0相连,以便微处理器可以通过中断方式访问SJA1000。为了增强系统抗干扰能力而引入的高速光耦6N137的两个电源VCC和VDD必须完全隔离,否则光耦起不到隔离的作用[10]。

针对大量的水下模拟量,基于CAN总线的采集模块选择采用了基于芯片ADS8401的AI模块来实现模拟信号的采集。ADS8401是16位的A/D转换器件,可以进行高精度的模拟量采集。通过将该模块挂接于CAN总线接口模块上,实现采集水下模拟量的AI单元。水下所有模拟量输出的传感器数据均可通过该AI单元来实现水下模拟量的网络接入。

4 结语

文章针对如今水下系统控制参数众多,信号形式多样的特点,提出了一种基于网络总线与CAN总线相结合的双层总线结构,在有效的控制线束增长的同时,实现了内层CAN总线对各类水下模拟量的采集,以及外层LAN总线对包括内层CAN总线在内的系统各部分的网络接入。

[1] 阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2005:21-22.

[2] 邹宁波.基于单片机的多路数据采集系统设计[J].仪器仪表,2011,18(6):12-13.

[3] 杨庆柏.现场总线仪表[M].北京:国防工业出版社,2005:24-25.

[4] 张铁山.汽车测试与控制技术基础[M].北京:北京理工大学出版社,2007:38-39.

[5] 杨晶.CAN总线接口电路设计[J].办公自动化,2010(1):34-45.

[6] 侯明,杜奕.基于CAN总线的接口电路设计[J].通信技术,2008(7):138-140.

[7] 清昆,蒋继成.基于AT89C52单片机CAN总线节点的设计[J].自动化技术与应用,2009,28(5):55-68.

[8] 曾粤,刘妍.基于RS232接口的承重数据采集系统[J].电气时代,2011(2):35-36.

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

[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

黄煜,男,硕士,助理工程师,研究方向:嵌入式系统,水声工程。李利,女,硕士,工程师,研究方向:嵌入式系统,信号处理。王浩,男,博士,高级工程师,研究方向:嵌入式系统,水声定位技术。

TB565+4

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.035