总第２５０期 ２０１５年第４期 舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．４ １４７ 基于ＣＡＮ总线的水下航行器 分布式控制系统的研究与设计 吕志刚 （中国船舶重工集团公司第七一。研究所宜昌４４３００３） 摘要论文将介绍一种应用于水下航行器的分布式控制系统的设计方法，该系统由中央控制单元、通讯部分和分布 式控制器组成，具有连线简单、扩充方便、通讯稳定可靠、控制实时性高等特点。并对分布式控制器的硬件电路设计和控制 软件作了阐述，该控制系统已应用于某大型水下航行器中，控制效果良好。 关键词ＣＡＮ总线；分布式控制；ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１４Ａ；水下航行器 ＴＰ２７３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２—９７３０．２０１５．０４．０３９ 中图分类号Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＮ．ｂｕｓ ＬＶ Ｚｈｉｇａｎｇ （Ｎｏ．７１０ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＳＩＣ，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００３） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｒｉｎｅ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏ１ ｕｎｉｔ（ＣＣＵ），ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｎｎｅｃ— ｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｈｉｇｈ’Ｓ ｃｏｎｔｒｏ１ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’Ｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａ ｌａｒｇｅ ｍａｒｉｎｅ ｖｅｈｉ— ｃｌｅｓ。ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏ１ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ＣＡＮ—ｂｕｓ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１４Ａ，ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ２７３ １ 引言 水下航行器控制系统是航行器信息处理和控制 的主体，其设计好坏将决定航行器的整体行为和性 能，航行器控制系统结构一般可分为三种类型＿１］：１） 集中控制方式：利用一台微型计算机实现全部功能， 这种方式具有结构简单、经济的特点，但处理能力有 运动学计算、控制算法、运动轨迹等，子控制器由多 个ＣＰＵ组成，每个ＣＰＵ控制一个相应的执行机构， 这些ＣＰＵ和中央控制单元通过总线形式相联系。 这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高， 是一种比较理想的航行器控制方式＿９］。 ２控制系统结构 本控制系统采用分布式控制方式，因为在水下 航行器控制系统中控制对象多而分散，若采用点对 点的集中控制方式，控制模块与被控对象之间就需 限，难以满足高性能控制要求并且控制器风险高度 集中。２）主从控制方式，用主从两个ＣＰＵ进行控 制，主ＣＰＵ担当系统管理、航行器语言编程和人机 接口功能；从ＣＰＵ担当各个子模块的具体控制。３） 分布式控制：普遍采用中央控制单元、子控制器二级 分布式结构，中央控制单元负责整个系统管理以及 要大量连接电缆，会导致航行器内部布线复杂且制 造和安装困难，并且存在故障隐患。分布式控制结 构可以根据控制对象的位置来设计控制模块，从而 收稿日期：２０１４年ｌＯ月２日，修回日期：２０１４年１１月１８日 作者简介：吕志刚，男，硕士，工程师，研究方向：水中兵器学。 １４８ 吕志刚：基于ＣＡＮ总线的水下航行器分布式控制系统的研究与设计 总第２５０期 缩短了控制对象与控制模块之间的距离。各模块 通过ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）总线通信， 该方式仅需要一根线作为通信线。此外，分布式系 统结构还可以降低单板的静态电流，增加单板的稳 定性。本控制系统由中央控制单元模块、通讯模块 和子控制器模块组成Ｉ２］，如图１所示。 图１分布式控制系统简图 ２．１ 中央控制单元控制模块 中央控制单元是控制系统的中枢，要求体积 小，运算速度快，满足实时控制的要求，通常采用高 性能工业控制计算机。中央控制单元主要负责与 各分布式控制器进行通信，并根据这些控制器反馈 的状态实现相应的控制策略，然后将控制命令通过 ＣＡＮ总线发送给相应的子模块。主控制模块的微 控制器采用了可靠性高、抗干扰能力强的专用通信 芯片ＳＪ１０００，其内部集成了ＣＡＮ控制器，控制程 序流程如图２所示。 图２控制程序流程图 ２．２通讯模块 航行器的分布式控制系统中，对通信方式的选 择至关重要，中央控制单元和各节点控制器间的通 信既要满足硬件连接简单，扩充方便，又要满足通 信的高可靠性和实时性。本设计采用ＣＡＮ总线作 为通信标准，ＣＡＮ总线是一种有效支持分布式和 实时控制的串行通讯网络，与一般的通信网络相比 具有可靠性高、实时性和灵活性好的优点，非常适 合作为航行器控制系统中的通信方式。 在控制系统中，中央控制单元通过ＰＣ１０４板 中集成的ＣＡＮ通信接口连接到ｃＡＮ网络，在中 央控制单元中调用ＰＣ１０４主板卡提供的ＣＡＮ模 块驱动涵数，来实现ＣＡＮ通信的管理和监控。 ＣＡＮ网络各设备间通过双绞线连接，因为双绞线 的特性阻抗为１２０ｆｌ，为了增强ＣＡＮ通信的可靠性 和抗干扰性，在ＣＡＮ网络的两个端点加入１２０ｆｌ 的抑制反射的终端匹配电阻＿７ｑ］。 图３ ＣＡＮ通信原理图 ２．３子控制器模块 子控制器模块是整个控制系统的底层，与各节 点驱动电机集成在一起，实际上是一个单独的功能 控制和驱动模块，主要用来控制各个节点功能的具 体执行过程，子控制器接收中央控制单元的控制命 令，对各个节点的功能进行控制，同时把底层的信 息反馈给中央控制单元，便于中央控制单元协调规 划，统一管理。所有的子控制器的通信模块和微处 理器在硬件上完全相同，根据各节点的功能控制差 异，内部下载的软件程序有所不同。各个子控制器 是整个控制系统的核心，它的性能好坏直接关系到 水下航行器的整体性能。 ３控制器硬件系统设计 控制器硬件系统结构可分为主处理器单元、电 源及电源隔离电路、ＣＡＮ通信接口电路、检测电 路、驱动电路等模块，具体电路形式如图４所示。 图４控制系统硬件电路 ３．１主控制器芯片 本设计核心控制芯片采用了微芯公司的 ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１４Ａ单片机，该芯片混合了高速运算能力 和ＭＣＵ高性能控制特Ｉ生于一体，提供了许多外设，包 括１６位比较／ＰＷＭ输出功能、数据转换接口（ＩＸ２Ｉ）、 ２０１５年第４期 舰船电子工程 １４９ ＵＡＲＴ模块、两个ＣＡＮ总线模块、３线ＳＰＩ模块、１６ 位捕捉输入功能、１２位模数转换器等见图５所示 引， 因此非常适合于对实现航行器各功能进行数字控制。 网ＣＩ ＡＮ２网ＡＩ ｌ ＤＣ网ｌ Ｉ模块ｌ ｌ模块ｌ ｌ ｌ 定时器Ｉ Ｉ ＤＣＩ 图５主控制器功能组成模块 ３．２ ＣＡＮ接口电路 ｄｓＰＩＣ３ＯＦ６Ｏ１４Ａ芯片内集成了ＣＡＮ控制器， 要完成数据帧的收发还需要外加ＣＡＮ驱动芯片， 本设计采用微芯公司的ＭＣＰ２５５１作为ＣＡＮ驱动 器＿１。。。为了增强抗外部干扰，在ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１４Ａ 的ＣＴＸ和ＣＲＸ引脚与ＣＡＮ驱动器之间加两个 高速光电耦合器６Ｎ１３７Ｅ 。 引脚编号引脚名称引脚功能 图６ ＭＣＰ２５５１封装类型和引脚信息 ３．３电源隔离电路 本系统设计中电源的隔离采用小功率电源模 块（ＤＣ／ＤＣ）和滤波芯（ＢＮＸｏ０２）片来实现，如图７ 所示。 ———————— ＰＳＧ ｃＧ 茵 ： 图７电源隔离电路 ４控制系统软件设计 系统中各个ＥＣＵ通过ＣＡＮ总线发送接收命 令，实现与中央控制单元通信，从而实现相应的功 能和状态的反馈，软件的设计是基于ＭＰＬＡＢＣ３０ —软件编写的，程序主要由ＣＡＮ初始化、发送数据和 接收数据三部分组成，如图８所示。 图８主程序流程图 ５ 结语 本文设计的系统采用分布式控制，采用ＣＡＮ 总线作为通信方式通信，和过去航行器控制中常用 的ＲＳ２３２、ＲＳ４８５总线相比具有通讯稳定可靠、实 时性高等优点，且结构简单、成本低。在分布式控 制器中选用了ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１４Ａ作为控制芯片，既 能方便地利用丰富的外围模块实现控制功能，又能 以较快的运算速度实现较复杂的数据处理，克服了 过去集中式控制系统中的中央控制单元任务集中、 任务多等缺点。该控制系统即插即用，功能扩展和 故障处理方便、连线简单；并且缩短了模拟信号的 传输距离，有效地该善了抗干扰能力。 参考文献 Ｅｌｉ范永，谭民．机器人控制器的现状及展望ＥＪ］．机器人， １９９９，２Ｉ（１）：７５—８０． ［２］刘华，程莉，等．机器人控制器与被控机器人的通讯方 法研究ＥＪ］．机器人技术与应用，２００２（４）：３４—３７． ［３］邬宽明．ＣＡＮ总线原理和应用系统设计［Ｍ］．北京：北 京航空航天大学出版社，１９９６． ［４］杨飞，郑贵林．基于ＣＡＮ总线的监控系统设计［Ｊ］．微 计算机信息，２００５，２１（７）：３４—３６． ［５］芯片公司．ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１４Ａ数据手册［Ｍ］．钱德勒：芯 片公司，２００６． ［６］芯片公司．ＭＣＰ２５５１ ＣＡＮ高速接收器数据手册［Ｍ］． 钱德勒：芯片公司，２００６． ［７－１ Ｓａｎｆｒｉｄｓｏｎ Ｍ．分散式实时计算机控制系统的时间问题 ［Ｒ］．斯德哥尔摩：机械设计皇家技术学院机电一体化 实验部技术报告，２０００． ［８］Ｓｈｉ Ｇ Ｙ．用于典型ｌｏｂ－ｓｈｏｐ排定问题的遗传算法ＶＪ］． 系统科学国际期刊，１９９７（１）：２５—３２． Ｅ９］Ｅｋｅｒ Ｊ，Ｈａｇａｎｄｅｒ Ｐ，Ａｒｚｅｎ Ｋ Ｅ实时控制任务反馈调 度器ＥＪ］．控制工程实践，２００８（１２）：１３６９—１３７８． ［１０］杨洁．ＣＡＮ总线在移动机器人中的应用研究［Ｄ］．西 安：西安科技学院，２００２．