CAN 總線在艦船導航系統中的應用分析?

2019-11-13 08:19:06羋小龍王亞波楊宗元

艦船電子工程 2019年10期

羋小龍王亞波楊宗元

（1.海軍裝備部北京 100076）（2.武漢第二船舶設計研究所武漢 430205）

1 引言

信息技術和網絡技術的迅速發展對艦船導航系統信息傳輸提供了多種通訊傳輸方式。目前，艦船上已有的導航系統大多采用RS422串口、以太網構建系統網絡［1～5］。串口擴展性差，以太網在傳輸帶寬及節點數上雖有較大的提升，但傳輸延時具有不可預見性。艦船導航系統信息主要是以高頻率、短報文為主，CAN 總線在短報文傳輸中的實時性、可預測性等特點能夠更好地滿足系統要求，填補原有通訊方式的不足。

為更好地驗證CAN 總線性能與艦船導航系統傳輸要求匹配性，結合艦船導航系統信息種類、信息傳輸頻率等實際特征，對CAN 總線性能進行了測試與分析。

2 測試系統設計

2.1 測試系統框架設計

CAN 總線傳輸測試系統由4 臺基于VxWorks操作系統的PC 主機組成［6～8］。其中，PC 機1 為接收節點，模擬艦船導航系統綜合處理類設備；PC機2～4 為發送節點，模擬艦船導航系統傳感器類設備。CAN總線傳輸測試系統框架示意圖如圖1所示。

圖1 CAN總線傳輸測試系統示意圖

2.2 測試方法設計

1）網絡穩定性測試方法

PC機2～4按照優先級設定以不同頻率發送數據，數據幀格式包含當前幀號，幀號從0 開始，依次遞增；數據幀內容采用自增模式，便于接收到數據后查驗數據是否丟包。

2）網絡吞吐率測試方法

PC 機2～4 按照優先級設定不間斷發送數據，設置發送數據量，在發送完畢之后記錄所花費的時間，根據發送數據量和發送時間即可計算出各發送節點數據發送速率；數據接收節點采用每接收到一定量數據即記錄累計時間的方法進行記錄，在數據接收完畢后剔除第一次記錄的累計時間和最后一次記錄的累計時間，根據中間有效計時和每段計時范圍內的數據接收量，即可計算出接收節點的數據接收速率。

3）數據延時測試方法

PC機2～4按照優先級設定以不同頻率發送數據，通過衛星對各PC 機進行校時。利用各PC 機本地時鐘，分別記錄各發送節點產生第一幀數據的時間和接收節點接收到最后一幀數據的時間，計算PC機2～4→PC機1的數據傳輸總延時。

4）網絡負載能力測試方法

PC機2～4按照優先級設定以不同的頻率發送數據，逐次提高各發送節點的數據量和更新頻率，記錄發送的總數據包數和丟失的數據包數。

3 測試軟件設計

測試軟件主要包括初始化模塊、工作模式設定模塊、信息發送處理模塊和信息接收處理模塊，測試軟件總體框架如圖2所示。

圖2 測試軟件總體框架圖

3.1 傳感器模式

3.1.1 信息發送處理

信息發送處理流程如圖3所示。

3.1.2 數據幀格式

數據幀格式見表2。

為方便測試，對原始數據幀進行封裝，增加其它輔助信息便于數據校驗［9～10］。數據幀封裝格式如圖4所示。

圖3 信息發送處理流程框圖

表2 數據幀格式

圖4 數據幀封裝格式

3.1.3 時序

傳感器模式時序如圖5所示。

3.1.4 數據發送

CAN網絡數據發送流程如圖6所示。

根據CAN 網絡協議規定，每次發送的數據幀容量最多不超過8 字節，因此，需對數據幀進行拆包處理［11］，拆包處理過程如圖7所示。

圖5 傳感器模式時序圖

圖6 CAN網絡數據發送流程圖

圖7 數據幀拆包處理示意圖

在進行數據幀拆包處理時，當發送的數據長度是8字節的整數倍時，每幀數據長度為8字節；當發送的數據長度不是8 字節的整數倍時，最后一幀數據幀的長度為余數字節，發送數據幀結構如圖8 所示。為接收方便，在數據幀發送之前首先發送起始幀，規定起始幀的幀號為0；起始幀表明發送數據的開始，幀中含有發送數據的長度。在接收端可根據該數據進行組合得到實際發送的數送的數據，其幀結構及含義如圖9 所示。數據幀發送結束后緊接著發送一幀結束幀，表明數據接收完畢，結束幀幀號規定為0x0f，其幀結構如圖10所示。