基于CAN现场总线的时间信息共享技术研究

引言
     电子时间引信系统从火控计算单元提取的射弹飞行时间数据需要实时可靠地传送给编程装置，为保证时间信息传送的准确、及时，我们采用了CAN总线进行时间信息的传输。CAN总线具有突出的可靠性和实时性，适合在复杂的战场环境下工作，基于CAN现场总线的时间信息数据接口，可充分保证时间信息传送，并为电子时间引信系统提供标准的数据接口，便于应用在其它防空武器系统的嵌入式改造或未来数字化防空武器系统中。
CAN现场总线概述
     CAN(Controller Area Network)总线诞生和发展于汽车工业自动控制领域，是两线制“多主对等”总线型拓扑网络，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，是唯一有国际标准的现场总线(Field Bus)，目前发展到CAN2.0B规范，应用范围极为广泛。
     CAN总线用“显性(Dominant)”和“隐性(Recessive)”两个互补的逻辑值表示“0”和“1”，总线接口上同时发送显性和隐性位时，总线值是显性，实现逻辑与。CAN总线的位速率与其传输距离有关，传输距离在40m以内速率最大可达1Mbps，最大传输距离10km上的位速率为5kbps。根据ISO/OSI参考模型，CAN的层次划分为：(1)数据链路层(Data Link Layer)，包括逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)；(2)物理层(Physical Layer)。
     CAN总线的信息以几个不同的固定格式的报文发送，报文传输有四种不同类型的帧：数据帧(Data Frame)、远程帧(Remote Frame)、错误帧(Error Frame)和过载帧(Overload Frame)，数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧2种不同格式，不同之处在于标识符域的长度分别为11位和29位。CAN的帧(Frame)由不同的位域(Bit Field)组成，以最重要的数据帧为例介绍帧的结构，数据帧包括7个不同的位域：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结尾(如图1所示)。

为了获得最安全的数据发送，CAN总线采取强有力的措施来进行错误检测和处理。报文传输过程中有5种错误类型：位错误、填充错误、CRC错误、格式错误和应答错误，对于故障的界定有3种状态：“错误激活”、“错误认可”和“总线关闭”。

智能节点接口技术
     CAN总线采用总线型网络拓扑，实际应用中也可采用具有支线的“树型拓扑”。节点是CAN网络上信息的起点和终点，智能节点是指具有微处理器的节点，它在可靠性、兼容性、信息处理能力等方面具有优势。
     智能节点硬件设计包括CAN控制芯片与MCU的连接和CAN控制芯片与PC机的连接。典型的智能节点结构为“MCU+CAN控制器+CAN驱动器”，具有CAN模块的微控制器（MCU）将前2者合二为一，如PIC18F458、MC68HC908GZ16、P8Xc591，操作使用更加方便。PC机上的智能节点设计多采用CAN适配卡，由ISA接口、双口RAM、嵌入式微处理器、CAN控制器、CAN驱动器组成。智能节点软件设计的核心内容为CAN节点初始化、报文发送和报文接收，还包括CAN总线错误处理、总线关闭处理、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。
采用PIC18F458微控制器设计的智能节点如图2所示。

 时间提取单元和编程装置的设计实现
     时间提取单元和编程装置是电子时间引信系统的重要组成部分，两者协调工作完成射弹飞行时间的隔离提取、数据共享和编码发送，设计实现上采用“功能电路+数字接口”的方案，作为节点连接在CAN总线上。两者的机械结构设计要充分考虑与现有武器装备的机械兼容性和电磁兼容性，不能影响现有装备的结构和工作状态。 [page]

时间提取单元的设计实现
     时间提取单元的任务功能是从武器系统火控计算单元中提取射弹飞行时间，并将其发送到CAN总线上。其电路结构如图3所示，主要由射弹飞行时间数字量隔离提取电路、射弹飞行时间模拟量隔离提取电路、A/D转换电路、控制信号(开关量)隔离采集电路、数字接口、隔离型DC/DC电源模块等部份组成，可以提取16位的射弹飞行时间数字量或1路射弹飞行时间模拟量、8位控制信号，输出为CAN总线信号，使用双绞线在1km的范围内得到高达70kbps的传输速率。光电隔离电路采用双光耦构成电流串联负反馈电路实现模拟信号的线性隔离传输，即用两个相同型号的光耦输入端串联，组成差分负反馈，来补偿光耦的非线性电流传输系数，通常使用双光耦芯片可以得到较好的一致性，使电路传输特性更好。典型的双光耦芯片(如HCNR200)内部结构及其应用电路如图4所示。A/D转换使用ADC0809芯片完成，隔离型DC/DC电压变换器选用爱立信的电源模块PKV3211PI，其输入电压范围为9V~36V，输出电压5V，输出功率2.5W，模块化设计，小体积砖形封装，可以满足要求。 
     视火控计算单元和提取位置的不同，时间提取单元的机械结构设计可采用转接头或总线卡等的不同形式。对于向量式瞄准具，将时间提取单元电路板与射弹飞行时间求取电路板通过接插件直接连接，共同放置于安装盒内；从火控计算单元内部连接件上提取数据时，使用相同型号的连接件(包括公头和母头)作为附加装置，内部将两端对应位置连线，从连线上提取所需数据信号给光耦电路；火控计算机数据总线提取数据，将电路设计成接口卡的形式，直接插在计算机主板空余的插槽上。

编程装置的设计实现
        编程装置的任务功能是从CAN总线上获取射弹飞行时间数据，进行数据编码，并通过射频模块转换为射频信号发送。其电路结构如图5所示，由数字接口、微控制器、无线射频模块和监控电路组成。微控制器AT89S51为电路的核心，完成数据接收、数据编码、射频模块控制、数据串行发送等诸多功能，大大简化了电路结构；监控电路采用X25045，监控微控制器的工作状态，防止程序“跑飞”；数字接口与时间提取单元相同；无线射频模块采用原厂提供的标准电路板(设置为发送状态)，其天线为腐蚀在PCB板上的铜线，在天线外2~20m的范围形成射频编程窗口。

        编程装置电路板安装在长方体形盒里，外部通过接插件分别与CAN总线(两芯插头和插座)和无线射频模块(7芯的插头和插座)相连接。整个编程装置盒固定于火炮炮箱上方，距炮口约2.5m的位置，且将射频模块PCB板有天线一侧朝向管身方向，以便获得较好的射频性能。

参考文献：
1 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计. 北京：北京航空航天出版社，1996.
2 徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51应用程序.设计［M］..北京：电子工业出版社，2000.
3 饶运涛.现场总线CAN原理及应用技术. 北京：航空航天大学出版社，2003.
4 陈艳峰等. 实用线性光电隔离放大电路分析研究. 单片机应用技术选编(8)