基于双层CAN总线的声纳数据通信系统设计

随着数字式声纳系统的发展，声纳基阵越来越大，系统功能日趋复杂，一部现代声纳要对几十路甚至几百路的数据进行采集，大容量数据的远距离传输成为声纳设计的重要课题。以往采用的以太网传输方式为超时重发机制，单点的故障容易扩散，造成整个网络系统的瘫痪。由于CAN总线传输距离远、速度快，有较强的抗电磁干扰能力，已成为国际上应用最广的现场总线之一。CAN为多主方式工作，其节点分成不同的优先级，采用非破坏仲裁技术，报文采用短帧结构，数据出错率极低，节点在错误严重的情况下可自动关闭输出。本系统利用双层CAN总线实现声纳数据通信，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

1 设计原理
本数据通信系统要同时对多区域、多单元的数据信息进行传输及管理控制，因此采用分层、分区域的思想实现通信。系统采用单片机中间控制器作为各采集区域的核心控制器，实现上下层间的数据交换。采集单元自身具有微控制器和存储器，既可作为系统的重要组成部分，参与系统功能的实现，也可作为独立单元来完成数据采集功能，即在系统出现通信等故障的情况下，采集单元仍可以独立实现数据采集功能，并进行数据存储，提高了系统的可靠性。单片机中间控制器是数据通信的区域控制器，提供上层网络和下层网络通讯的双接口。一方面通过底层网络(Bot-CAN Bus)与各个采集单元进行通讯，实现对本区域数据的传输与处理；另一方面通过上层网络(Top-CAN Bus)与上位机进行数据通讯，实现上位机对各个采集区域和采集单元的信息采集和控制。系统结构原理框图如图1所示。

2 系统设计
系统主要由上位机、单片机中间控制器PIC18F4580、CAN总线控制器MCP2510、收发器TJA1040T、高速光耦HCPL0600、各采集单元等组成。接口包括采集单元的CAN总线接口、单片机中间控制器的双CAN总线接口和上位机的CAN总线接口。采集单元的CAN总线接口采用标准的CAN总线接口。上位机采用工业控制计算机，可通过CAN适配卡连接到CAN总线网络上。单片机中间控制器的双层CAN总线接口电路是系统设计的关键，其原理框图，如图2所示。
2．1 双层CAN总线接口电路
单片机中间控制器PIC18F4580自身就集成了一路CAN控制器，该路CAN总线与各采集单元进行通信。为了实现两路独立的CAN总线，需要通过单片机的SPI口向外扩展一路CAN控制器，该路CAN总线实现与上位机的通信。
外扩展CAN控制器选用MieroChip生产的独立可编程CAN控制器芯片MCP2510，MCP2510是一种带有SH接口的CAN控制器，它支持CAN2．0A／B协议，并能够发送和接收标准及扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。MCP2510通过SPI接口与PIC18F4580进行数据传输，最高数据传输速率可达5 MB／s，PIC18F4580可通过MCP2510与CAN总线上的其他MCU单元通讯。MCP2510内含3个发送缓冲器、两个接收缓冲器，同时还具有灵活的中断管理能力，这些特点使得MCU对CAN总线的操作变得灵活简便。为提高系统的抗干扰能力，在CAN控制器和CAN收发器之间加入高速光耦HCPL0600，其数据传输速率为10 MB／s，隔离电压为2 500 V。CAN数据收发器选用Philips公司生产的TJA1040T，具有功耗低和电磁兼容性好的特点。使用MCP2510扩展CAN总线的接口电路原理图，如图3所示。

图3中，单片机只给出部分管脚来说明具体的设计方法。使用单片机的RA5管脚来输出MCP2510的片选信号，单片机的INT1管脚作为接收到有效数据包时的中断输入脚，利用单片机的SPI端口SDO，SDI和SCK与MCP251O实现数据的接收与发送。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，MCP2510的TXCAN和RXCAN并不是直接与TJA1040的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦HCPL0600连接，这样可实现总线上各CAN节点间的电气隔离。另外，CAN总线两端接有一个120 Ω的电阻，其作用是匹配总线阻抗。实验证明，忽略匹配电阻的接入会使数据通信的抗干扰性以及可靠性降低，甚至无法实现数据通信。
单片机与各采集单元之间的通信利用自身集成的CAN控制器实现，只需将高速光耦HCPL0600与PIC18F4580的CAN控制器部分直接接口即可，不再赘述。为方便系统测设，设置了3个发光管指示灯，分别对CPU状态和两层CAN总线网络运行状态进行显示。