無人水下航行器控制系統CAN總線通信設計與仿真研究＊

徐 襲 石 敏

（1.91388部隊93分隊 湛江 524022）（2.水聲對抗技術重點實驗室 湛江 524022）

1 引言

在水下目標模擬技術應用中，無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作為一種良好的特征模擬設備，通過加載部分裝置即可逼真模擬部分水下運動物體的目標特性。由于水下環境的復雜性及UUV自身特點，要實現較好的特征模擬功能，對其自身控制系統的可靠性與實時性要求較高，系統需完成大信息量、高實時性的數據傳輸與交換，方能實現UUV的精準、高效控制與特征模擬。網絡控制系統（Network Control Systems，NCS）是近年來發展起來的新型控制方法，可用于解決UUV的復雜控制問題。網絡控制的核心在于控制通信網絡協議與結構，根據UUV控制系統構架，CAN（Controller Area Network，CAN）網絡作為一種可靠的工業應用總線網絡，完全可以滿足 UUV控制系統網絡通信的要求［1～2］。本文在CAN網絡通信原理的基礎上，研究分析UUV控制系統網絡結構及通信協議，設計UUV控制系統的CAN網絡通信編碼方式，并利用CANoe總線仿真工具，對設計的CAN總線網絡進行了仿真驗證。

2 CAN原理

CAN即控制器局域網，是由德國BOSCH公司提出，目前已經形成國際標準，主要用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。由于其高可靠性及獨特的設計，其應用范圍越來越廣，不再局限于汽車工業，已在機械制造、海洋船舶、機器人及傳感器等領域得到快速發展與應用。其主要特點可概括如下［3］：

1）通信方式靈活。CAN為多主方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動向網絡其他節點發送信息，不分主從；

2）采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點會主動的退出發送，而最高優先級的節點可不受影響的繼續傳輸數據，節省了總線沖突仲裁時間，不會出現網絡癱瘓情況；

3）CAN只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無需專門的調度；

4）CAN的直接通信距離最遠可達10kM（傳輸速率5Kb／s以下），通信速率最高可達1Mb／s；

5）CAN上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個，報文標識符可達2032種（CAN2.0A），擴展標準的報文標識符幾乎不受限制；

6）CAN的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

結合UUV控制系統的網絡需求，CAN總線所具備的以上特點完全可以滿足其控制系統需求。

3 UUV網絡控制系統

UUV控制系統由于控制量多，控制要求高，傳統的集中控制系統通信方式已滿足不了其要求。UUV在水下工作時，各部分裝置發揮效能，確保其正常工作，如由慣性導航系統進行水下導航，水面狀態由全球定位系統（Global Positioning System，GPS）進行位置校正［4］。應用 CAN 總線的UUV控制系統的網絡體系結構如圖1所示：

圖1 UUV控制系統網絡結構

系統由自動駕駛儀、電推系統、舵機控制系統、避碰系統、水聲通信系統等組成，其中自動駕駛儀作為主機，完成整個CAN總線網絡信息系統的數據傳輸與管理，控制UUV的工作狀態，系統其它功能部分作為CAN網絡節點可發送數據或接收傳輸給自己的數據，使各部件間的內部信息能通信互聯，實現對UUV的控制需求［5～6］。

4 通信設計

4.1 數據幀格式

UUV控制網絡采用CAN總線通訊協議。按照信息量需求，可選擇采用CAN2.0B協議，其傳輸數據幀支持29位擴展報文標志符。根據UUV不同部件其不同功能實現需求，可將其大致分為四部分來描述要傳遞的控制信息，分別是優先級部分、接收節點標志部分、發送節點標志部分、模式／數據標志位部分、報文編號部分和數據編號部分，具體設置時應根據系統的需要和擴展要求設置，某典型數據幀設置如表1。

表1 某UUV控制系統CAN典型數據幀設置

各節點對接收到的報文，按照預先定義，進行區分和處理。報文數據科采用二進制格式，除特殊定義外，符合相應的標準即可。

4.2 傳輸參數

UUV控制系統要實現實時高效的控制，除了設計好相應的CAN通信數據幀格式外，還需考慮UUV內部實際物理傳輸的需求。與大型船舶相比較，UUV內部傳輸布線空間位置不同，傳輸的數據量大小不同，物理傳輸距離長短不同，電磁環境影響程度不同，要實現高速率、可靠的控制系統，必須合理的選擇相應的傳輸介質，設定合理的傳輸速率等網絡要素。選擇合適的波特率，使得系統可以依靠CAN總線控制器自身的仲裁和錯誤處理機制，達到最大程度上的抑制外界干擾的目的，提高CAN總線系統的可靠性。典型的UUV控制系統CAN網絡傳輸參數的典型數據如表2所示。

表2 某UUV控制系統CAN典型參數設置

按照UUV系統要求，對通信傳輸參數進行選擇和設置，構建CAN網絡通信，參數設置的正確與否，需要進行分析和驗證，以便應用于實際的系統中具備可靠性。

5 仿真分析

為保證UUV控制系統CAN網絡協議相關參數設置的正確性，可采用總線應用開發軟件CANoe對所構建的CAN通信網絡進行虛擬節點的數字仿真。若仿真效果較好，可在虛擬仿真的基礎上，加入實際部件節點硬件，進行半實物仿真驗證［7］。

5.1 仿真系統

圖2 CANoe模擬仿真軟件界面

對UUV控制系統CAN網絡進行仿真使用CANoe軟件即可完成，該軟件是德國Vector公司開發的CAN總線應用系統開發軟件?？捎蒝ector的CAN總線接口硬件，實現虛擬總線與真實物理總線的連接。

使用CANoe進行CAN總線的全數字仿真，也可進行物理節點與虛擬節點相結合的半實物仿真，可對真實物理總線的通信進行實時監控［8］。利用 CANoe構建仿真系統及半實物仿真，仿真系統構建軟件界面如圖2所示。

主要根據UUV控制系統的CAN通信設計的數據幀及參數，對CANdb數據庫進行設置，逐一對總線系統節點、傳輸數據幀、數據場和環境變量配置，然后進行仿真配置，主要設置系統設計波特率、采樣點和濾波參數等，最后進行CAPL語言編程，編制相關的節點傳輸機制和模式，完成后，即可進行仿真測試，驗證方案的可行性。

5.2 測試要素

對UUV控制系統的CAN總線通信設計方案的測試，首先啟動仿真環境，通過統計窗口觀察總線上的數據幀的發送和接收情況，窗口界面如圖3所示。

圖3 CANoe仿真系統數據統計與分析窗口

CAN總線通信測試，依據數據統計窗口相關顯示內容，注意以下幾方面［9～0］：

1）系統作為CAN節點的信息發送接收功能是否完成；

2）CAN總線平均總線負載率（Bus Load）和總線峰值負載率（Peak Load）是否滿足設計要求；

3）各節點的工作流程是否合理、完善。總線的負荷與各節點工作流程密切相關，可以通過調整工作流程達到減輕CAN總線負荷的目的；

4）CAN總線上的數據傳輸的實時性是否滿足要求。

針對以上測試要素，測試時若滿足不了相應的UUV控制系統通信工作要求，可以及時在軟件中調整，再次進行仿真測試驗證；若該系統CAN通信測試結果滿足要求，可轉入到對該網絡的半實物仿真中，即用物理節點代替計算機虛擬節點，進一步驗證UUV控制系統CAN網絡通信設計的可行性，半實物仿真示意圖如圖4所示。

圖4 CANoe半實物仿真示意圖

通過前述典型協議分析和設計，利用CANoe仿真，可驗證UUV控制系統CAN網絡傳輸設計的正確性，其控制網絡測試網絡負載小于25%，無錯誤幀及丟幀現象出現［13］。

6 結語

運行良好的控制系統是保證UUV準確模擬水下運動物體目標特性的前提，本文采用CAN總線對UUV控制系統通信網絡進行設計和分析，討論了CAN網絡數據幀在系統中的具體應用設計和傳輸參數設置，并使用CANoe仿真軟件對所設計的UUV控制系統CAN網絡進行了仿真，通過仿真驗證了UUV控制系統CAN網絡通信設計的正確性，該方法應用于UUV控制系統通信網絡設計，將有效提高UUV系統控制特性和特征模擬性能。

［1］鄔寬明.CAN總線原理與應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002：18－32.

［2］史久根.CAN現場總線系統設計技術［M］.北京：國防工業出版社，2004：25－32.

［3］王曉燕，裴亮，付曉.基于CAN總線的浮標數據采集系統設計［J］.微計算機信息，2008，24（5）：20－21.

［4］張立川，徐德民，劉明雍.無人水下航行器網絡控制器設計［J］.船舶工程，2010，32（5）：30－32.

［5］劉衛東，高立娥，徐建寧，等.基于CAN總線的自主水下航行器內部通信與仿真［J］.系統仿真學報，2007，19（6）：1320－1322.

［6］張穎，張有志，方敏，等.基于CAN總線多主節點結構的自治水下機器人通信系統［J］.上海海事大學學報，2010，31（1）：39－42.

［7］楊立，嚴衛生，高劍，等.一種基于CANoe的CAN總線系統開發方法［J］.測控技術，2007，26（4）：66－67.

［8］任維彬，宋小慶，陳克偉.基于CANoe的戰車綜合電子系統任務信息流測試與分析［J］.裝甲兵工程學院學報，2012，26（1）：72－77.

［9］肖龍龍，程謀森，張為華.運載器控制系統CAN總線數據傳輸仿真與評估研究［J］.2009，29（2）：256－260.

［10］黎善斌.基于網絡控制系統的CAN實時性能研究［J］.化工自動化及儀表，2003，30（4）：1－6.

［11］盧珺，程遠勝.單片機系統中CAN總線位移傳感器的設計［J］.計算機與數字工程，2011（9）.

［12］郝佳，吳杰長，郭朝有.CAN總線通信過程的Stateflow建模與仿真［J］.計算機與數字工程，2011（9）.

［13］荊楠，王林，安佰岳.基于CAN總線網絡控制系統中的時延分析及對策［J］.計算機工程與設計，2009，30（20）：4599－4602.