基于CAN總線的綜合船橋模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計＊

陳立家 黃立文

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢 430063)

船橋模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠部分代替船橋設(shè)備的實(shí)船測試,船橋設(shè)備可以在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上通過聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)備功能測試.在功能測試完成后再進(jìn)行實(shí)船的可靠性測試,這樣能縮短船橋設(shè)備的開發(fā)周期,減少船橋設(shè)備的開發(fā)成本.目前,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),處于一個探索研究階段.本文以美國Sperry公司的船橋設(shè)備為對象,論述我校船舶操縱模擬器與Sperry船橋系統(tǒng)集成方案.系統(tǒng)采用速度快、可靠性高和可擴(kuò)展能力強(qiáng)的CAN現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建開放式、分布式一體化網(wǎng)絡(luò)能夠使這2個系統(tǒng)有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)模擬船橋的綜合集中監(jiān)視、實(shí)時控制與運(yùn)動仿真.該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合了綜合船橋和船舶操縱模擬器的優(yōu)點(diǎn),必將成為船舶操縱模擬器的一個新的發(fā)展方向[1-2].

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

船橋模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由雷達(dá)、電子海圖、綜合信息顯示、模擬系統(tǒng)服務(wù)器、模擬系統(tǒng)教練員站、三維視景和若干船用傳感器(包括GPS,AIS,計程儀,羅經(jīng)和VDR等)組成.其中模擬系統(tǒng)服務(wù)器和教練員站負(fù)責(zé)解算六自由度船舶運(yùn)動模型,設(shè)置航海環(huán)境、海域和交通狀況并控制、監(jiān)視并重放和分析訓(xùn)練過程,是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)船舶運(yùn)動的核心.三維視景系統(tǒng)利用現(xiàn)代先進(jìn)計算機(jī)圖像處理技術(shù),為操作者提供最直接、信息量最大的信息來源.使操作者具有身臨其境的感覺,在視景效果上采用了 Anti-aliasing,Z-buffering,MIPMAP texture等技術(shù),可顯示具有豐富紋理的天空、海面和相關(guān)物標(biāo)航海環(huán)境等內(nèi)容.系統(tǒng)中的雷達(dá)、電子海圖、綜合信息顯示和船用傳感器部分為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)真實(shí)的系列船用設(shè)備.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

傳統(tǒng)的船用傳感器設(shè)備采用NMEA0183協(xié)議和普通串口形式進(jìn)行通信,在多傳感器環(huán)境下組網(wǎng)比較困難、接口相對復(fù)雜、不能達(dá)到導(dǎo)航傳感器之間的數(shù)據(jù)共享,因此本文提出的解決方案為將所有船用導(dǎo)航傳感器從串口升級為CAN總線,綜合信息顯示控制臺與模擬系統(tǒng)以太網(wǎng)的通信通過以太網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn),與串口接口的通信CAN總線和接口轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn).那么當(dāng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)和串行口之間要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信時,可以通過綜合信息顯示控制臺內(nèi)部的程序來實(shí)現(xiàn)[3].

圖1 全船實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 基于CAN總線協(xié)議的船橋模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 CAN總線系統(tǒng)硬件設(shè)計

1)接口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 由于系統(tǒng)中各個導(dǎo)航設(shè)備使用的接口為傳統(tǒng)的 RS-232串行接口,數(shù)據(jù)傳輸遵循NMEA0183協(xié)議,因此系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵之一是需要將RS-232轉(zhuǎn)換成為CAN總線,形成CAN總線的各個節(jié)點(diǎn).

RS-232與CAN總線轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,由光電隔離電路,單片機(jī)電路和CAN總線驅(qū)動電路組成.導(dǎo)航信息經(jīng)過船橋?qū)Ш絻x器自身的RS-232接口發(fā)送到轉(zhuǎn)換電路的6N137光電隔離電路.光電隔離電路對轉(zhuǎn)換電路和導(dǎo)航儀器之間實(shí)現(xiàn)了電器隔離,起到保護(hù)作用,同時也減少電磁干擾.MAX232器件起到T TL和RS232電平轉(zhuǎn)換的作用.單片機(jī)是轉(zhuǎn)換電路核心器件,起到調(diào)度作用.導(dǎo)航信息通過單片機(jī)的UART進(jìn)入單片機(jī),經(jīng)過單片機(jī)程序的處理,以報文的形式,存儲到CAN控制器中,自行發(fā)送.發(fā)出的報文經(jīng)過光電隔離電路送到CAN總線驅(qū)動電路.該驅(qū)動電路主要由PCA82C250組成.對CAN協(xié)議控制器提供差動接收能力,對傳輸總線提供差動發(fā)送能力.在轉(zhuǎn)換的CAN總線上理論上可以連接1 024個導(dǎo)航設(shè)備.含有航向信息的報文經(jīng)過PCA82C250送到總線上,與其它導(dǎo)航儀器進(jìn)行信息共享.因報文中有仲裁的信息,優(yōu)先級高的將會贏得總線,其它的轉(zhuǎn)換器處于接收狀態(tài).

圖2 CAN總線接口硬件結(jié)構(gòu)

2)CAN總線冗余設(shè)計 冗余是指系統(tǒng)或設(shè)備具有多于一種手段執(zhí)行同一種規(guī)定功能的能力.船橋?qū)Ш较到y(tǒng)需要采取冗余手段來提高系統(tǒng)的可靠性.本系統(tǒng)中采用的是一種雙路CAN總線冗余通信設(shè)計方案.其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示.硬件采用Fujitsu的一款帶2個CAN控制器的16位單片機(jī)MB90F543.設(shè)計系統(tǒng)采用兩套總線(CAN0,CAN1),每套包含獨(dú)立的總線電纜、總線驅(qū)動和總線控制器,可以實(shí)現(xiàn)物理介質(zhì)、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的冗余[4].總線驅(qū)動電路原理圖如圖4所示.

圖3 冗余CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 CAN總線接口驅(qū)動電路

2.2 CAN總線系統(tǒng)軟件設(shè)計[5]

CAN總線系統(tǒng)軟件程序設(shè)計主要包括節(jié)點(diǎn)初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序以及CAN總線切換等.在初始化CAN內(nèi)部寄存器時注意要使得各節(jié)點(diǎn)的位速率必須一致,而且接、發(fā)雙方必須同步.限于篇幅僅介紹CAN總線冗余切換程序設(shè)計思路.

系統(tǒng)采用雙CAN冗余方式運(yùn)行,系統(tǒng)中2路CAN總線同時工作,2路總線都正常時每一時刻在導(dǎo)航設(shè)備間傳遞同樣的數(shù)據(jù),每個節(jié)點(diǎn)對2路總線發(fā)來的數(shù)據(jù)都會接收到,但只讀取主CAN線路的數(shù)據(jù).如果CANH與CANL短路,CANH或CANL斷開、CANH與地短路、CANL電源短路、總線驅(qū)動器損壞等,均會造成發(fā)送和接收錯誤,產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)狀態(tài)改變中斷事件,調(diào)用總線轉(zhuǎn)換程序.總線轉(zhuǎn)換程序?yàn)椋和Ｖ构收峡偩€→啟用另一路總線→通過另一路總線發(fā)送通知報文→告知其他節(jié)點(diǎn)→設(shè)置相應(yīng)的一些標(biāo)志,對應(yīng)的程序流程圖如圖5.對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)改變的中斷子程序?yàn)?/p>

圖5 雙冗余總線切換流程

總線CAN0到總線CAN1的切換,總線CAN1到總線CAN0的切換,分別由兩個不同函數(shù)實(shí)現(xiàn)Bus0_Busl()和Bus1_Bus0().其中一路CAN總線出現(xiàn)故障后,節(jié)點(diǎn)會讀取另一路總線上的數(shù)據(jù),并發(fā)出警報,提示工作人員對損壞的那路CAN總線進(jìn)行修復(fù).這樣雙冗余CAN總線不僅在物理鏈路層上獲得了冗余,而且通過軟件編程使數(shù)據(jù)鏈路層和交互信息都得到了冗余,提高了通信系統(tǒng)的可靠性.

3 冗余CAN總線可靠性分析[6]

由于船舶上的特殊環(huán)境對船舶系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求,不但要求信息傳輸速度快,抗干擾能力強(qiáng),還要求網(wǎng)絡(luò)具有高穩(wěn)定性和高可靠性.故在現(xiàn)場總線技術(shù)上采用了上述的全面冗余同時運(yùn)行方式的CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案.

產(chǎn)品可靠性一般符合指數(shù)分布,若產(chǎn)品的壽命或某一特征值t的故障密度為

則稱t服從參數(shù)λ的指數(shù)分布.那么：

系統(tǒng)不可靠度

系統(tǒng)可靠度

故障率

平均故障間隔時間

設(shè)2路CAN通道的壽命服從指數(shù)分布,故障率分別為λ1和λ2,則CAN總線的2個通道的不可靠度分別為

同理：如三路冗余的CAN通道的不可靠度分別為

根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)的定義及可靠性邏輯框圖可知：可靠性數(shù)學(xué)模型為

式中：F3(t)為系統(tǒng)的不可靠度;Fi(t)為第i個單元的不可靠度.

這樣可以得出由這2路CAN通道組成的冗余模塊的不可靠度函數(shù)為

這樣可以得出由這3路CAN通道組成的冗余模塊的不可靠度函數(shù)為

假設(shè)雙路冗余CAN總線系統(tǒng)可靠度為

三路冗余CAN總線系統(tǒng)

假定單路CAN通道模塊的平均壽命(MTBF)為100 000 h,工作50 000 h,則單路CAN通道模塊的可靠度為

2路CAN通道模塊的可靠度為

3路CAN通道模塊的可靠度為

由此可見系統(tǒng)有單路CAN總線改進(jìn)為雙路冗余CAN總線后系統(tǒng)的可靠性得到了提升,而從2路CAN總線改進(jìn)為3路CAN總線后系統(tǒng)提升的幅度有限,而且3路冗余CAN總線從硬件實(shí)現(xiàn)的角度考慮,電路的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙路冗余的CAN總線系統(tǒng).

同時結(jié)合故障分布規(guī)律考慮,一般通信系統(tǒng)中冗余單元的個數(shù)與系統(tǒng)可靠度函數(shù)之間的關(guān)系如圖6所示(圖中：Ri(t)為系統(tǒng)可靠度,n為冗余單元個數(shù)).從圖中可以直觀看出,當(dāng)從n=1增加到n=2的時候,也就是使用雙冗余度的時候,系統(tǒng)的可靠度提升最快,但是隨著n的數(shù)值的不斷增大,可靠度的提升變得比較緩慢.因此本系統(tǒng)采用的是雙冗余的CAN總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).

圖6 冗余單元數(shù)與系統(tǒng)可靠度函數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)束語

提出基于CAN總線的船橋模擬試驗(yàn)系統(tǒng)并對該系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計,同時進(jìn)行可靠性分析并給予論證.結(jié)果表明：該總線系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的船橋?qū)Ш较到y(tǒng)內(nèi)部都是通過串口的方式通信存在的組網(wǎng)困難,不僅在船橋模擬系統(tǒng)中能大大提高系統(tǒng)的可靠性和通信效率,同時,對于船載導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化改進(jìn)也起到重要的參考意義.

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