一種多冗余通信模塊的設計及實現

趙 楠，孫逢欣，羅寧昭，聶 冬，孫雷強

（1. 海軍裝備部艦船辦，北京豐臺100071；2. 海軍工程大學，武漢430033；3. 海軍駐武漢地區軍事代表局，武漢430033；4. 海軍大連地區裝備修理監修室，遼寧大連116041）

一種多冗余通信模塊的設計及實現

趙 楠1，孫逢欣2，羅寧昭2，聶 冬3，孫雷強4

（1. 海軍裝備部艦船辦，北京豐臺100071；2. 海軍工程大學，武漢430033；3. 海軍駐武漢地區軍事代表局，武漢430033；4. 海軍大連地區裝備修理監修室，遼寧大連116041）

隨著艦船中壓電網智能化的不斷發展，電氣設備間的通信需求也不斷提高，某新型船舶平臺網要求至少具備2個以太網接口和3個CAN接口，需要設計新型的通信模塊。本文設計了從CAN總線向以太網轉發數據的方案，并選用了德州儀器最新的TMS570處理器制作了該通信模塊，成功實現了由一個CAN接口接受數據，另外兩路以太網以及CAN接口轉發數據。本通信模塊可以極大增強電氣設備的通信性能，使現有設備滿足多冗余通信的需求。

船舶智能電網 CAN總線 以太網 通信模塊

0 引言

智能電網這一概念包括了電網的發、輸、變、配、用等環節，是全球電力行業新的機遇與挑戰，是21世紀重大的科技創新和變革趨勢之一。國內外的研究學者十分關注智能電網的研究，以實現傳統電網的升級換代[1-3]。

而通信技術是智能電網的關鍵技術之一，一方面，通信系統可以給智能電網提供數據獲取、保護和控制的支持；另一方面，智能電網的目標和主要特征是建立一個電網和通信緊密結合的網絡。

某新型艦船為簡化系統結構，采用了全船統一的平臺網完成設備之間的通信，該網絡的組織形式是雙冗余的以太網、CAN總線?，F有設備間的通信大部分是通過CAN總線進行的，其通信接口數量有限，無法滿足平臺網的通信要求，因此需要設計新的通信模塊，使現有設備可以連通平臺網。由于現有設備與通信模塊的通信也是通過CAN總線完成，這就要求通信模塊至少具備2個以太網接口和3個CAN通信接口，本文的設計目標是設計一個具備2個以太網接口和3個CAN通信接口的通信模塊。

1 硬件設計

ARM是一種嵌入式的處理器，具有性能高、功耗低、成本低等特點，是移動處理器的主流產品。選用了德州儀器的TMS570系列的處理器。TMS570是一款雙核鎖步的高可靠性MCU，可以符合國際電工委員會IEC 61508 SIL-3或ISO 26262 ASIL-D安全標準[4]。而本文選用的TMS570LC435芯片是該系列最新芯片，它集成了ARM Cortex-R5F浮點CPU、4MB的集成閃存以及512KB的RAM，可以滿足處理速度的需求。而且它還具有多個通信接口，與需求相比僅缺少一個以太網，可以采取串口轉以太的方式來彌補，在查找資料之后選用致遠公司的IPort-3以太網串口數據轉換模塊將一個串口轉為以太網接口。

設計及制作通信模塊硬件。首先對單片機最小系統進行設計，包括電源電路、復位電路、JTAG調試電路、晶振和MCU供電電路。最小系統可以保證MCU正常工作，能夠用調試器正常的下載程序并進行調試。其次，選用合適的CAN接口、以太網接口芯片設計了CAN、以太網接口電路，實現通信模塊的功能。然后，選擇各種元件的封裝并在軟件中進行繪制，根據原理圖進行PCB板的布局及連線，最終繪制出PCB板。最后，制作了PCB板，根據PCB板和原理圖焊接元件，完成通信模塊的設計及制作。

2 軟件的設計

該模塊的功能是每從設備接收一個CAN數據幀就將該幀的數據通過兩個CAN接口發送出去，并將其轉換為以太網UDP數據幀通過另外兩個接口發送出去。因此程序的思路是相應CAN通道接到數據幀進入中斷函數后在中斷函數中完成對CAN數據幀的轉發。

在CAN數據幀轉換為UDP數據幀中，本文采取了固定的發出和接收端口，可以根據需求的不同任意的設定。每收到一個CAN數據幀，如果幀ID是需要接收的ID，就利用UDP幀封裝并發送給特定的目標和端口。對于串口轉以太網模塊，也可以利用IPort-3的設置完成這種轉換。整個程序的流程圖如圖1所示：

圖1 軟件流程框圖

3 實驗測試

進行了5次單個數據幀的發送以測試該模塊可以實現設計的功能，發送情況如圖2所示。

圖2 單次數據發送

圖3是第一次測試中CAN2接口轉發的數據，通過和圖2對比證明通信模塊成功轉發了相應數據。

圖3 CAN2接收結果

圖4是在第一次測試中以太網接口轉發的數據，通過和圖2對比發現通信模塊成功轉發了相應數據。

Design and Implementation of A Multi Redundant Communication Module

Zhao Nan1, Sun Fengxin2, Luo Ningzhao2, Nie Dong3, Sun Leiqiang4
(1. Navy Equipment Department, Beijing 100071, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. Naval Representatives Office of Naval Armaments Department in Wuhan, Wuhan 430033, China; 4. Navy Equipment Repair Room in Dalian, Dalian 116041,Liaoning, China)

With the increasing intelligence of the ship’s medium-voltage power network, the demand of communication among the electrical equipments increases. A new type of ship’s platform network requires at least two Ethernet interfaces and three CAN interfaces to complete information transfer, and a new type of communication modules should be designed. In this paper, a scheme that forward data from CAN bus to Ethernet is designed, and the communication modules is built with TMS570 processor which can achieve a CAN interface to receive data, the other two Ethernet and CAN interface forwarding data. This communication module can enhance the communication performance of the device, and make existing equipment to meet the needs of multiple redundant communications.

ship smart grid; CAN network; Ethernet; communication module

TP393

A

1003-4862（2016）12-0066-02

2016-08-19

趙楠(1982-)，男，工程師，研究方向：電氣工程。