某武器系統的CAN通信系統設計與實現*

韓 薇，馬禮舉，溫 凱，郭 毅

(1中國兵器工業第203研究所，西安 710065;2駐847廠軍事代表室，西安 710043)

0 引言

20世紀80年代以來，信息工程、計算機技術、電子技術等日新月異的發展不斷給軍工科技提供新的思路。武器系統需要共享傳輸的信息越來越多，類型越來越復雜，CAN總線具有數據傳輸速率高、實時性強、可靠性高、結構簡單、互操作性好等優點，克服了傳統總線的缺陷，是武器系統通訊的一種有效解決方案。

但是，導彈發射車的CAN網絡具有其獨特性:不僅車上有多個CAN節點，彈上也有多個CAN節點;導彈發射后，彈上部分節點與車上節點斷開，且彈上節點、車上節點各自繼續完成CAN通信。如何保證導彈在位時，在滿足實時性前提下系統CAN通信穩定可靠;導彈發射后飛離導彈發射車時，導彈發射車上的CAN節點通信不受影響;導彈飛行過程中，彈上的CAN節點通信穩定可靠，是文中研究的關鍵問題。

1 武器系統CAN網絡拓撲

1.1 網絡拓撲類型

網絡拓撲有總線形、環形、星形、網形及這幾種結構套用的復雜結構，總線形是 CAN國際標準ISO11898推薦使用的拓撲。但由于總線形結構對總線分支的長度要求(見圖1，d＜0.4m)，宜采用優化的總線形結構——菊花鏈形網絡(見圖2，d=0)。

圖1 總線形網絡

圖2 菊花鏈形網絡

環形拓撲結構中，單個節點或一處線纜發生故障將會造成整個網絡的癱瘓。

星形結構中，網絡中的每個節點通過一個中央設備連接在一起，各節點將數據發送到中央設備，再由中央設備將數據轉發到目標節點。星形網絡中任何單根電纜只連接兩個設備(如一個節點和一個集線器)，因此單個電纜或節點發生故障，頂多影響兩個節點，不會導致整個網絡的通信中斷;星形結構中各節點可以很容易的移動、隔絕或與其他網絡連接，擴展性強。這些特點非常適合導彈特性，可以很好解決導彈飛離對CAN網絡的影響問題。

但星形網絡的缺點也很明顯:中央設備故障會導致整個網絡的癱瘓。另外，星形結構所需的線纜和配置明顯多于環形或總線形網絡，但其總長度與環形或總線形網絡一樣受波特率、節點數量等因素制約。若節點數較多、波特率較高或系統實時性要求高，不適于用星形結構。所以，導彈發射車系統(地面網)顯然不適合星形結構。

1.2 武器系統網絡拓撲

1.2.1 系統網絡拓撲設計

某武器系統地面15個節點，彈上8個節點，若全部采用星形結構，假設地面每個節點距“中央設備”的平均距離為3m、彈上每個節點距“中央設備”的平均距離為5m，則總線總長度為:

根據1.2.2 節的論述，此結果大于 134.2m，是不適用的，因此系統不能全部采用星形結構。若全部采用菊花鏈形結構，由于導彈發動機燃燒噴出的尾焰、導彈發射后的沖擊力都可能對菊花鏈的連接點產生影響，影響整個系統的通訊。所以，將8發導彈單獨組網并與地面網絡隔離是必要的，即采用“雙網”完成系統通訊。

地面各節點位置相對固定，適合采用菊花鏈型網絡。總線的主干網布好后，在聯試聯調中各節點移動、離開主干網，都不會影響其他節點的正常通訊。彈上網絡適合選擇星形結構。

基于以上分析，最終的某武器系統網絡由導彈網絡及導彈發射車網絡(地面網)組成，地面CAN網絡為菊花鏈形結構，由屏蔽雙絞線加兩端的匹配電阻構成，各部件節點掛接在網絡上;導彈網絡為星形結構，所有節點通過接插件接在CANHUB上。網絡拓撲見圖3，圖3中虛線所示的連接，在導彈飛離發射架后斷開。

圖3 地面網與彈上網之間通訊示意圖

地面網與彈上網之間通訊，還需要轉接設備，目前使用發控裝置(圖3中節點3)進行轉接。發控裝置有兩個獨立的CAN口，一個與地面網絡連接，另一個與彈上網絡連接;發控裝置CPU對數據判讀，將兩個CAN口數據相互傳遞，實現地面數據上傳或彈上數據下傳。在實驗室摸底時，發控裝置計算機兩個CAN口數據轉接的延遲不大于2ms。

在導彈發射前，地面網所有分系統已經上電工作，彈上只有彈上計算機接收地面發控裝置裝定的諸元。導彈擊發并飛離發射架后，彈上計算機與發控裝置的連接斷開，導彈所有節點上電工作，形成導彈、導彈發射車兩個獨立的CAN網絡。增加或失去一個節點對CAN網絡通訊沒有明顯影響，而且導彈與武器站兩個網絡之間沒有直接連接，所以導彈是否在位不影響武器系統的通訊。

1.2.2 最大總線線路估算

根據各項參數及芯片特性，考慮網絡拓撲結構的特點，計算總線最大長度及兩個節點之間的最小距離有如下兩個公式:

其中:Lmax為可行的最大總線線路長度;tprop為最大的雙向傳播延遲;tloop.eff為有效的收發器循環延遲;tloop.eff.oth為其它元件(如 CAN 控制器、光耦等)的有效循環延遲;tp為總線電纜的特定延遲。

其中:ρmax為電纜的每個長度單位橫截面積的最大特征阻抗;Vdiff，out，min為顯性電平差動輸出電壓的最小值;Vth，max為接收器的最大顯性閥值電壓;Ksm為檢測顯性位的期望安全余差;RT，min為終端電阻的最小值;Rdiff，min為節點差動輸入阻抗的最小值;nmax為連接總線的最大節點數量。

芯片PCA82C250在高速模式下，tloop，eff=155ns;

根據式(1)，得:

同理，根據式(2)，可得:

綜合以上結果，Lmax選取不大于134.2m即可。實際網絡敷設完畢后長度約34m，遠小于要求的最大長度。

2 系統通訊延時

2.1 系統流程分析

系統工作流程主要分為5個階段，其中只有傳遞對準階段數據量大、實時性要求高，其他時間段的通訊有的數據量大但實時性要求不高，有的實時性要求高但數據量不大。在傳遞對準階段，節點A將敏感到的傳遞對準信息通過CAN總線發送給發控裝置，發控裝置再轉發給彈上計算機;彈上計算機通過RS422將傳遞對準信息傳給節點B，節點B執行傳遞對準任務。

2.2 傳遞延時計算

按照傳遞對準信息傳遞要求，有:

式中:B為波特率，T轉為發控裝置的兩個CAN口進行傳遞對準信息傳遞所需時間。T轉在電路上有微秒級的延遲，更多的延遲是進行打包轉發、數據拼接所耗費的時間。經過實驗室摸底，時間T轉＜2 ms。t0不大于5ms，則上式為:

2.2.1 波特率選250kbps

當波特率選擇250kbps時，式(3)為18.94ms＜20ms;此時總線負載預計為:

當總線數據量小于30%時，CAN總線才能穩定可靠工作。波特率為250kbps時，CAN總線負載大于30%，不能滿足系統要求。

2.2.2 波特率選500kbps

當波特率為500kbps時，式(3)為17.08ms＜20ms;此時總線負載預計為:

能夠滿足CAN總線的要求。

2.2.3 小結

綜上所述，系統在進行傳遞對準時，如果沒有其他大數據量的信息傳遞，波特率選擇為500kbps時，傳遞對準信息傳遞時間小于20ms，總線負載小于30%，能夠滿足系統要求。

3 結論

由于武器系統的特殊性，其CAN通信網絡采用菊花鏈與星形結構相結合的拓撲結構，且對系統通訊延時進行了詳細計算與實驗室摸底。

在樣機聯試與導彈飛行試驗中，武器系統通信網絡工作穩定，能夠滿足系統要求，可為今后其他類似系統提供參考。

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