基于CAN 總線的雷達分布式監控系統*

穆加艷，羅 睿，劉 赟，潘麗麗

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

隨著雷達性能的不斷提高，雷達分系統規模逐步擴大，對雷達系統整機操控及故障檢測系統的要求在逐步提高，同時雷達的整機監控系統對智能化、實時化方面的要求也在快速提高。過去大部分監控系統主要采用RS-485 總線，只定義了一些電器特性，無完整的協議規約，系統的實時性、通訊的可靠性、傳輸距離均已難以滿足當今雷達發展的要求。基于485 總線的監控系統只能有一個主站，其余為從站，這樣的系統就無法構成多主結構或冗余結構的系統。CAN 總線是一種具有國際標準的現場總線，應用非常廣泛。CAN的協議對應于OSI 模型里的物理層和數據鏈路層的功能服務，其最高通訊速率可達1 Mbit/s (最大總線長度40 m），任意2個節點之間的最大距離可以達到10 km(通訊速率為5kbit/s）。CAN 總線在傳輸層上有檢錯等措施，提高了可靠性。CAN 總線是一種多主機的總線，組網很靈活。它突破了RS-485 通信網絡的單主機局限，具有多主機工作方式，是一種多主機的串行通訊局域網絡，能有效地支持具有很高安全等級的分布式控制和實時控制，可同時掛110個智能節點。

1 CAN 總線簡介

CAN 總線的高性能、高可靠性和實時性等特點使得CAN的應用范圍越來越廣泛。它還具有抗干擾能力強和布線簡單的特點，能夠適合雷達的整機操控和故障檢測系統的要求。雷達系統實時性要求比較高，各個分控制節點能夠在較短時間限度內互相交換數據，以保證整個系統控制不會有明顯的滯后。

CAN 協議有兩層，分別為物理層和傳輸層。傳輸層是CAN 協議的核心部分，主要功能是接收物理層的報文，負責定時及同步、報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定、故障界定。CAN節點的層結構如表1所示。

表1 CAN節點的層結構

CAN的報文分標準格式和擴展格式兩種不同的幀格式。標準的CAN 格式有11 位標識符，擴展格式有29 位標識符。本文設計的系統采用擴展格式。幀類型有數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀等4 種。數據幀將數據從發送器傳送到接收器。總線單元發出遠程幀，請求發送具有統一識別符的數據幀。任何節點單元檢測到錯誤就發送錯誤幀。過載幀用來在先行的和后續的數據幀(或遠程幀）之間提供一個附加的延時。

數據幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC 場、應答場和幀結尾。幀起始(標準格式和擴展格式）標志數據幀和遠程幀的起始，僅由一個“顯性”位組成，只在總線空閑時才允許其他節點開始發送(信號）。所有的節點必須同步于首先開始發送報文的站的幀起始前沿。標準格式幀與擴展格式幀的仲裁場格式不同。在標準格式里，仲裁場由11 位識別符和RTR 位組成。ID-28～ID-18為識別符位。在擴展格式里，仲裁場包括29 位識別符、SRR 位、IDE 位和RTR 位。ID-28～ID-0為其識別符。為了區別標準格式和擴展格式，之前版本CAN 規范1.0－1.2的保留位r1 現表示為IDE Bit。標準格式識別符的長度為11 位，相當于擴展格式的基本ID(Base ID）。這些位按ID-28 到ID-18的順序發送。最低位是ID-18。7個最高位(ID-28～ID-22）一定不能全是“隱性”。擴展格式的識別符由29 位組成，其格式含兩個部分:11 位基本ID和18 位擴展ID。數據場(標準格式及擴展格式）由數據幀里的發送數據組成，可以為0～8個字節，首先發送MSB。

CAN 總線的數據以信息幀的形式按位串行傳送。總線空閑時，任何節點都能發送報文。一次只傳送一幀數據，由幀起始、仲裁域、控制域、數據域、校驗域、應答域和結束域組成一幀信息。

本文報文是指在CAN 總線系統中傳輸信息的有效部分，包括信息的標識符和數據，可由一個或多個信息幀的有效數據部分組成。

2 系統設計

2.1 總體設計

網絡拓撲結構采用總線型結構，可靠性高，增加和減少站點都很方便。總線型結構信息按組發送，所有節點共享一個通道，當多點同時發送數據時就有沖突產生。CAN 通過使用標識符的逐位仲裁來解決總線訪問沖突，確保了報文和時間均不損失。CAN的報文是具有優先權的。在該系統里，操控報文的優先權高于故障檢測報文的優先權。在有總線沖突的時候，有較高優先權報文的節點可以獲得總線的訪問權。

在系統的可靠性方面，采用動態冗余技術，兩套系統同時、同步運行。當聯機子系統檢測到錯誤時退出程序進行維修;另外的一個熱備份系統還在運行，備用模塊在待機過程中其失效率為零。

本文設計的分布式監控系統采用8051 單片機和CAN 控制器SJA1000 設計。SJA1000 是一種獨立的CAN 控制器，支持CAN2.0B 協議，溫度適應范圍為－40 ℃～+125 ℃。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統的總體框圖

上位監控機是基于X86的嵌入式VxWorks 系統，負責對系統各節點控制命令的發送以及各控制單元狀態故障的實時顯示。

終端CAN節點(CAN節點0和CAN節點1）的功能有兩個:一個是作為上位監控機與CAN 總線的接口，完成雷達的操控信息的轉發;另一個是對其他節點傳送過來的采集信息進行故障分析，判斷故障并發送故障信息給上位監控機。終端CAN節點有兩個，為冗余備份的，這主要是利用CAN的多主機的特性。

其他CAN節點(CAN節點2-N）是接收終端CAN節點的控制信息及采集分機的數據上報給終端CAN節點。

每個CAN節點的板卡采用統一的標準設計，單片機程序也相同。當每個CAN節點的板卡裝在分機里時，會根據分機里的撥碼開關的設置來自動識別位于哪個分機。

雷達控制系統的應用層通信協議采用“節點ID+命令+數據+校驗”的形式。標識符ID.21～ID.28 固定作為命令，不參與驗收濾波。數據則表示通信的具體內容。校驗為一個字節，采用校驗和的形式。由于CAN 總線本身具有15 位CRC 校驗，理論上其校驗強度應該完全可以滿足本系統對通信可靠性的要求，但在實際應用中并非如此，所以增加一個校驗位進行端端差錯控制。聯網通信流程圖如圖2所示。

圖2 聯網通信示意圖

終端CAN節點發送操控報文，分機CAN節點接收到后寫相應的內容到寄存器，并回送操控報文;終端CAN節點收到回送的報文就說明操控成功，否則就重發該操控報文;重發3 次，如果3 次都不成功，就上報上位監控機操控失敗。

終端CAN節點發送故障詢問報文，分機CAN節點接收到后把采集的數據信息發送給終端CAN節點;終端CAN節點收到數據信息就作故障分析;如果在一定的時間內沒有收到數據信息，就上報該分機的通信故障，偶爾有丟包的，就報上次的故障信息給上位監控機。

2.2 硬件設計

系統硬件設計采用8051 單片機和CAN 控制器SJA1000，包括兩個終端以及伺服、信號、發射各分系統。

硬件板卡里的單片機和SJA1000 連線圖見圖3。

圖3 單片機和SJA100的連接圖

2.3 軟件設計［1-2］

單片機軟件設計采用C 語言，開發工具為Keil C51。軟件設計時，充分考慮系統的安全性和可靠性，以及系統的實時響應能力。在安全性方面，除了CAN總線本身的錯誤檢驗措施外，還增加了1個數據校驗位的方式。在可靠性方面，采用動態冗余技術，兩套系統同時、同步運行。

主程序的功能是初始化全局變量和初始化SJA1000 控制器，根據節點的編號調用相應的模塊。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序框圖

圖5 終端CAN節點功能模塊的流程圖

RS232 串口通信采用波特率為19200bps，CAN 控制器采用PeliCAN 模式，波特率設置為100kbps。終端CAN節點功能模塊的流程圖如圖5。

3 結束語

本文設計的系統是基于CAN 總線的分布式監控系統，每個CAN節點以單片機為核心，利用CAN 控制器來收發數據。與傳統基于RS-485 總線的監控系統相比，該系統數據傳輸率高，可靠性極高，抗干擾能力強，具有非破壞性總線仲裁，支持競爭，在實際中已經得到了廣泛應用，取得了較好的效果。該系統的穩定性以及實時性都得到了驗證。

［1］饒運濤，鄒繼軍，王進宏，等.現場總線CAN 原理與應用技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［2］王幸之，王雷，鐘愛琴，等.單片機應用系統抗干擾技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2000.