基于CAN 總線的換料機攝像系統

顧中祥

摘要：根據換料機的特點，研發了一種運用分布式控制系統的攝像系統。系統采用 CAN 總線實現多個控制節點間的參數分布式傳輸；通過視頻分配和切換模塊實現耐輻射視頻多端輸出；系統設計視頻格式轉換模塊實現遠程監控。通過現場應用和參數測試，系統傳輸控制參數具有實時性，誤碼率低；視 頻傳輸有損耗低，可靠性高等優點。

關鍵詞：換料機；攝像系統；CAN 總線

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）09-266-02

Abstract：accordingtothecharacteristicsoftherefuelingmachine，developedacamerasystemusing adistributedcontrolsystem.ThesystemusesCAN busto re- alizethedistributedparametertransmissionofmultiplecontrolnodes；throughvideodistributionandswitchingmoduleofradiationresistantvideooutputterminal； systemdesignofvideoformatconversionmoduletorealizeremotemonitoringthroughthefieldapplicationandtheparameters.Testsystem，transmissioncontrol parameters with real-time， low error rate； video transmission with low loss， highreliability.

Key words： feeder； camera system； can bus

前言

核安全是核電工業發展的先決條件。作為大型壓水堆核電機組的核燃料運輸和儲存系統的核心設備，核燃料換料機運行的安全性和可靠性至關重要。換料機的任何故障都會有核燃料組件變形甚至放射性物質泄漏的風險。目前換料機主要進口于美國的西屋公司和法國的REEL，存在維修效率低的問題。為提高核工業的自主水平，在國家資金的支持下，換料機正逐漸本土化。攝像機作為換料機的關鍵部件之一，可為操作人員提 供可靠，穩定，低損耗的視頻數據，實現換料機安全交互操作。本文設計并 實現了一套分布式控制的攝像系統，可實現現場和遠程模式下的視頻信號轉換，傳輸和參數控制功能。分布式控制采用高可靠性，實時性，反單點 故障的 CAN 總線技術，實現節點之間的通信。在信號轉換和傳輸功能上實現了視頻分配，視頻切換和同軸差分轉換的方式。目前，該系統已經取得了成功的應用效果。[1]

1 整體系統設計

換料機攝像系統由三個攝像單元組成，攝像單元可以在水下工作，并具有抵御輻射的功能。為了減少操作者的被照射量，攝像機單元工作在水 下輻射區域，現場和遙控單元都處于非輻射區域，兩者都由水下輻射阻抗電纜連接。

控制器可以實現對每個相應的攝像機單元的單獨控制。考慮到控制單元的便攜性和系統的測量功能，系統需要增加手持設備和工業控制計算機節點，分別實現三個攝像機單元的信號接收與參數控制。除了攝像機 單元和控制器采用串行一對一的通訊外，其他節點都采用 CAN 總線技術。同時，考慮到現場工作區域的痕跡輻射的存在，應對長時間且不需要到現場檢測的任務，遠程控制模塊的加入是必要的，通過 201 米的總線距離隔離，確保工作人員遠離可能的輻射危害。

2 系統軟件設計

2.1 控制器配置。控制器配置基于 SiliconLab 集成開發環境進行 MCU 初

始化。在系統執行主循環之前，需要完成 UART、CAN、定時器、I/O 端口、時鐘等的設置。系統時鐘選擇內部 24MHz 時鐘源；I/O 端口設置功能：將通用 I/O 端口P04 和P05 映射為UART 端口，將 P06 和P07 映射為CAN 接口，將數字輸出端口映射為推挽輸出，其他數字端口設置為漏極開路，最終運用 I/O 端口的交叉開關；定時器被設置為以 8 位自動加載模式運行，并為程序中涉及的延遲提供參考；UART 設置包括波特率、數據長度以及奇偶校驗等。系統使用基于預分頻器時鐘的 16 位自動加載定時器產生 9600 位/ 秒的波特率。默認的數據長度是 8 位。CAN 單元初始化相對復雜，包括控制，位時鐘，信息控制和仲裁等寄存器設置。系統初始化步驟如下：將 SFRPAGE 寄存器設置為CAN0_PAGE；控制寄存器CAN0CN中的INIT，CCE和各種中斷使能位置高，允許CAN初始化；以系統時鐘作為基準，將其設置為0x7EC9，即

100Kbit/s；接著初始化發送和接收消息對象，設置 MsgVal 為 MsgVal 和讀/ 寫

狀態。最后，清零CCE和INIT位，CAN單元恢復正常工作。[2]

2.2 CAN 模塊操作。本節主要介紹 CAN 控制器的發送和接收工作流程。對于發送的消息，部分發送函數完成，另一部分需要在中斷函數中實現。發送函數先設置 SFRPAGE 寄存器，然后將數據寫入數據寄存器

CAN0IFxDA，然后設置CAN0IFxCM發送的字節數和發送使能，最后開始發送請求到中斷處理。中斷函數首先讀取狀態寄存器的 CAN0STAT 和

Interrupt 類型寄存器中的 CAN0IID 內容，然后清除中斷標志，最后通過狀態寄存器判斷待處理數據輸出的完成情況。CAN 控制器收到的消息自動完成，成功收到新消息后，收到消息設置標志并進入中斷功能。在中斷函數中，接收過程與發送類似，首先得到狀態寄存器和類型寄存器的內容， 然后清除中斷標志，最后通過狀態和中斷類型寄存器的判斷，將有效的 3 個字節數據存入緩存陣列。

3 系統測試與分析

3.1 控制參數傳輸測試。控制參數傳輸測試主要針對 CAN 總線。主機采用 USB-CAN-Ⅱ智能 PCI 型CAN 接口卡PCI-9810I 作為載體發送數據包，手持設備作為 CAN 發送節點也發送控制參數，每個控制器通過接收節點 CAN 控制參數獲取。通過參數傳輸的誤碼率來評估系統的傳輸穩定性，其中攝像機單元接收到的指令由 CAN 控制器對 CAN 數據包進行譯碼，然后通過UART編碼進行發送。實驗結果表明，CAN網絡能夠以

100Kbit/s 的速率與 UART 串行傳輸 8 個小時以上的無差錯控制命令。

3.2 視頻傳輸性能測試系統。原視頻到終端包含多個視頻格式轉換模塊，視頻丟失主要是由這些方面引起的。該測試將格式轉換引入的損耗轉 換為雙絞線傳輸的等效，即系統測試雙絞線傳輸前后的視頻信噪比表征系統視頻傳輸性能。由于 200 米雙絞線造成的視頻丟失在理論上是系統中最大的，因此系統采用現場和遠程 IPC 分別配備由于 200 米雙絞線造成的視頻丟失在理論上是系統中最大的，因此系統采用現場和遠程 IPC 分別配備圖像采集卡 DS-4004HC 的方式，并經過長期傳輸后對視頻進行采集和分析。

4 結論

本文設計并實現了一套可應用于換料機的基于 CAN 總線的攝像系統分布式控制系統，。它具有視頻格式轉換，視頻信號傳輸，控制參數傳輸 和多主控節點的功能。該系統在控制參數傳輸測試中有良好的實時性和低誤碼率。在視頻傳輸測試中有損耗低、可靠性高的優點。目前，攝像系統 已經成功應用于國內換料機，并獲得了專家的認可，在實際應用中也取得了較好的效果。

參考文獻：

[1]趙阿鵬，李元昊，吳鳳岐等.基于二三維陣列換料機換料機計數法

[J].核動力工程，2014，35（2）：55-127.

[2]穆朝暉，李衛東，劉饒.基于雙網的核燃料換料機控制系統研究[J]. 控制工程，2014，21（5）：64-97.