基于现场总线技术的信号传输方案的研究

引言

现阶段用于实现系统中各相关组件信号传输方式的设计大多为简单的点对点导线式传输方式，这种传输方式在信号数量较少的情况下可谓是一种简单可行的方式，但针对信号数量很多而且空间有限的情况，这种设计方式便显得有些笨拙，例如由于信号数量很多导致插接件、导线数量增多，不仅给某导弹引信控制系统的结构设计带来很多压力，也会因为大量插接件的使用降低系统信号传输的可靠性，同时还因为大量导线的存在而降低系统的环境适应性和电磁兼容性等。

随着某导弹引信控制系统设计技术的发展，其功能要求更加复杂，而其结构小型化和可靠性、安全性等性能指标等要求不断提高，传统的点对点导线式的信号传输方式越来越无法满足该系统的发展要求，随着传统的信号传输设计弊端的凸显和数字控制技术及网络通信技术的成熟，一种新型的现场总线传输方案越来越受到设计者的重视，以现场总线为核心的新型信号传输方式的设计，能够有效克服传统的点对点导线式传输方式的弊端，改善系统信号传输的性能指标。

1 方案的总体设计原则

系统中各相关组件间信号传输的实现是整个系统功能实现必不可少的一环，因此，在研究和设计过程中必须保证系统工作过程中所有信号传输的实时、可靠[1]。具体的设计原则可归结如下：

a）继承性原则：合理借鉴和继承传统设计方案中成熟合理的设计经验，并用于新型系统信号传输的方案研究，以突出设计重点，缩短设计周期，提高效率，节省经费。

b）先进性原则：现场总线方案本身便是相对传统设计的一项重大突破，所以在从事系统信号传输的研究和设计过程中应该着眼于未来需要，在成熟技术的基础上尽可能采用先进方法和产品，优化考虑高速率硬件和灵活高效的通信协议。

c）可靠性原则，新型现场总线方案，一方面带来电缆的简化，有利于提高可靠性，另一方面因为增加了总线接口和自检测任务，系统的局部复杂度有所增加，而弹上工作环境较为恶劣，有可能形成新的故障隐患，因此，现场总线的选取必须注意性能与可靠性的均衡考虑，做到合理设计。

d）灵活性原则：控制系统的组件众多，功能各异，信号性质差别很大，在方案的研究和设计过程中应根据各自特点和总体功能的需要，灵活进行配置，采用总线与专线结合的方式进行合理的设计。

e）冗余原则：冗余是传统信号传输设计过程中的重要经验，也是总线方案的基本原则，合理采用冗余设计不但可以提高总线系统的可靠性，还能改善系统性能。

2 方案的初步设计实现

根据IEC的标准和现场总线基金会（FF）的定义，现场总线是一种全数字、串行、双向的通信系统，通过该系统将传感器、执行器与控制器等现场设备连接起来，因此，能用来实现复杂系统各个元件的“智能化”，真正形成现场分散的通信网络。

下面针对某导弹引信控制系统中信号特征和系统中各相关组件功能实现的要求，依据方案的设计原则对其信号传输方案展开初步的研究分析。

2.1 现场总线选型

在对FF、Lon Works、Profibus、CAN、HART等不同种类的现场总线特点进行分析和比对中发现，CAN总线是目前众多现场总线中最有应用前景的一种。CAN支持多主点方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。其优越性主要是：多主结构的总线；接线简单，最高通信速率可以达到1Mbit／s；CAN协议对数字通信模块进行编码；CAN总线的低误码率保证了数据通信的可靠性。

在对某导弹引信控制系统的控制和测试要求进行分析中得知，CAN总线完全可以满足该系统的控制可靠性和实时性要求。但其在总线数据吞吐率方面存在不足，对此考虑通过分别设计系统的控制通道和测试通道，或者采用可配置型的现场总线，如Profibus等，以兼顾控制与测试的不同需求。

2．2 基于现场总线的接口设计

采用现场总线的接口实现某导弹引信控制系统前系统与后系统及地面测控系统之间的信号传输需进行硬件和软件两方面的研究和设计。

2．2．1 硬件设计

首先，要确定被连接系统中各相关组件、部件的检测信号和控制信号的数量、类型及信号特征。由于该系统中各相关子系统间传输的电气信号数量繁多，按照种类可以分为电源线、系统控制信号线、系统测试信号线。为了满足系统总体的需要，同时达到尽量优化系统中信号传输的设计，从理论上讲，这些信号经过适当的变换都可以经过总线进行传输，而在实际设计中应根据各相关组件和部件的功能、信号类型考虑其重要性要求进行合理设计。本方案考虑在主体数字总线网络中结合少量专线连接的思路进行信号传输的设计，如电源信号、自毁信号、电池激活信号等。具体的连接关系如图1所示。

其次，要依据被连接系统中各相关组件、部件选择相应的控制器和总线适配器件，如图1中的“通信模块”，该部分为系统信号传输方案的关键部分，本方案结合系统总体的抗干扰性和安全性等指标对该部分进行了初步的设计。具体原理框图如图2所示。

2．2．2 软件设计

软件设计包括CAN节点初始化程序、报文发送和报文接收程序3部分。在软件开发过程中充分考虑了CAN总线错误处理、总线隔离处理、接收滤波处理、波特率参数设置和自动检测，以及CAN总线通信距离和节点数的计算等方面的内容，并结合系统总体要求的可靠性指标对其中部分功能进行了适当删减。

3 方案设计的意义

在某导弹引信控制系统的信号传输方案中，以现场总线方式取代传统的点对点导线方式对提高整个系统信号传输的性能指标具有重要的意义。

a)减少了系统电缆中的导线、连接器数量，减轻了结构设计的压力，有利于小型化系统结构的设计实现。

b)减少了系统电缆中的导线、连接器数量，降低了系统电缆连接复杂性，改善了信号的抗干扰性，提高了小型化系统的电磁兼容性和可靠性。

c)可以实现某导弹引信控制系统整装状态下的系统测试，还可以实现系统内各组件、部件的分时局部加电，以完成可使用性检查。

4 结束语

尽管目前的总线传输速率不断提高，但与点对点的专线传输相比是有延迟的，这就要求设计者在进行控制系统方案设计时必须充分考虑总线的传输能力及其满足控制系统实时性、可靠性要求的能力，因此，该方案研究过程中的大量技术细节还需要从理论和实践上加以研究和验证。

由于接口电路在系统中需占用一定的体积，考虑到某导弹引信控制系统小型化结构的要求，在本方案研究过程中还可以兼顾考虑芯片集成方案技术。