專利名稱：基于can總線的深海長距離數(shù)字通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深海長距離有線數(shù)字通信領(lǐng)域，是一種基于CAN總線的深海長距離數(shù)字通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著人類生產(chǎn)力的不斷提高，對資源的需求量也日益增加，陸地上的資源日漸枯竭，而廣闊無際的海洋蘊(yùn)藏著極其豐富的資源，因此，海洋資源成了世界各國競爭的焦點(diǎn)之一。開發(fā)海洋，特別是大洋底部要克服很多困難--水深、水下高壓、水底透光度小、局部區(qū)域高溫、不能帶有通信中繼器等等，但如何解決水面與洋底機(jī)構(gòu)間的長距離通信是開發(fā)海洋首先要面對的問題。普通的數(shù)字信號通信距離只有幾十米；電磁波在水中衰減很快，不適合水下通信；聲納系統(tǒng)要求的功率大，且傳輸信號的延遲很嚴(yán)重，不能滿足信號的實(shí)時(shí)性；利用電力線載頻通信，需要進(jìn)行兩次數(shù)-模，模-數(shù)轉(zhuǎn)換，不但成本高，而且傳輸速率慢，不能滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于CAN(控制器局域網(wǎng))總線的深海長距離數(shù)字通信系統(tǒng)，它具有高可靠性的長距離數(shù)字信號通信系統(tǒng)，以滿足深海探測中的通信要求。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)水下終端節(jié)點(diǎn)組成，水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)由0號節(jié)點(diǎn)通信模塊和控制主機(jī)組成，水下終端節(jié)點(diǎn)由與0號節(jié)點(diǎn)通訊模塊結(jié)構(gòu)相同的1號節(jié)點(diǎn)通信模塊和水下拖體控制器組成。
0號節(jié)點(diǎn)通信模塊它包括，中央處理器、串行通信驅(qū)動模塊、CAN總線驅(qū)動模塊、信息存儲模塊等四大部分。中央處理器采用高速的數(shù)字信號處理芯片TMS320LF2407，此款DSP中帶有一個(gè)硬件乘法器，處理數(shù)據(jù)能力很強(qiáng)，且本身帶有SCI串行通信和CAN總線通信控制器；串行通信模塊由串行通信驅(qū)動芯片MAX202和串行通信接口組成，它與中央處理器的串行通信口引腳相連接；CAN總線驅(qū)動模塊由中央處理器上的CAN控制器和PAC82C250 CAN通信驅(qū)動芯片組成，連接在CAN總線的物理介質(zhì)—萬米鎧裝電纜上；信息存儲模塊主要包括存儲器芯片AT28C256和邏輯控制器芯片GAL16V8，連接在中央處理器的地址和數(shù)據(jù)總線上。
1號節(jié)點(diǎn)通信模塊和0號節(jié)點(diǎn)通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，只是軟件有所不同。
遠(yuǎn)距離通信采用萬米鎧裝電纜作為CAN總線的物理介質(zhì)，此種電纜的電阻率小，耐壓強(qiáng)度很高，適合在深海和長距離通信中應(yīng)用。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益的效果是在深海海底，在如深水高壓、水底透光度小、局部區(qū)域高溫、水下地形復(fù)雜、水下設(shè)備供電困難、信息傳輸距離遠(yuǎn)等不利的環(huán)境下，可以很好地克服上述困難，實(shí)現(xiàn)深海海底長距離無中繼數(shù)字通信的要求，不用進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，可以保證有很高的通信速率和通信可靠性。


圖1本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2本發(fā)明的CAN總線接線方式圖；圖3本發(fā)明的通信節(jié)點(diǎn)模塊示意圖；圖4本發(fā)明的串行口電平匹配電路；圖5本發(fā)明的CAN驅(qū)動模塊電平匹配電路；圖6本發(fā)明的通信節(jié)點(diǎn)詳細(xì)電路圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)水下終端節(jié)點(diǎn)組成，水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)由0號節(jié)點(diǎn)通信模塊和工控機(jī)組成，水下終端節(jié)點(diǎn)由1號節(jié)點(diǎn)通信模塊和水下拖體控制器組成，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通過串行通信RS-232交換數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)通過CAN驅(qū)動接口掛接在萬米鎧裝電纜上。
CAN總線采用差動電平傳輸信號，萬米鎧裝電纜由內(nèi)芯和外芯組成，分別作為CAN的高電平(CAN_H)和低電平(CAN_L)線，在萬米鎧裝纜的兩端用終端電阻將內(nèi)芯和外芯連接起來，如圖2所示，水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)和水下終端節(jié)點(diǎn)分別跨接在萬米鎧裝纜的兩端，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的CAN通信線路。
如圖3，圖6所示，0號節(jié)點(diǎn)通信模塊包括，中央處理器1、串行通信驅(qū)動模塊2、CAN總線驅(qū)動模塊3、信息存儲模塊4。中央處理器1主要是采用高速的數(shù)字信號處理芯片TMS320LF2407 DSP，此款中央處理器中帶有一個(gè)硬件乘法器，處理數(shù)據(jù)能力很強(qiáng)，且本身帶有SCI串行通信和CAN總線通信控制器；串行通信模塊2由串行通信驅(qū)動芯片MAX202和串行通信接口組成，它與中央處理器的串行通信口引腳相連接；CAN總線驅(qū)動模塊3由DSP上的CAN控制器和PAC82C250CAN通信驅(qū)動芯片組成，連接在CAN總線的物理介質(zhì)一萬米鎧裝電纜上；信息存儲模塊4主要包括存儲器芯片AT28C256和邏輯控制器芯片GAL16V8，連接在中央處理器的地址和數(shù)據(jù)總線上。
由于中央處理器芯片TMS320LF2407 DSP采用3.3V電壓供電，引腳的輸入/輸出電平均為3.3V的TTL邏輯電平，而標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行通信邏輯電平為±12V，所以要經(jīng)過信號電平轉(zhuǎn)換、驅(qū)動芯片來實(shí)現(xiàn)串行通信，本系統(tǒng)采用串行通信驅(qū)動芯片MAX202芯片作為中央處理器芯片的串行通信接口的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動芯片。由于中央處理器芯片TMS320LF2407 DSP的供電電壓為3.3V，所以和外圍的5V供電工作的芯片相連接時(shí)，要涉及到邏輯電平匹配問題。中央處理器芯片TMS320LF2407 DSP與串行通信驅(qū)動芯片MAX202之間的電平匹配電路如圖4所示，中央處理器芯片TMS320LF2407 DSP的串行通信口輸出引腳SCITXD上輸出的3.3V邏輯電平信號經(jīng)過晶體管二極管D1和上拉電阻R1后和串行通信驅(qū)動芯片MAX202的串行通信信號輸入引腳T2I相連接，串行通信驅(qū)動芯片MAX202的串行通信信號輸出引腳T20輸出的信號經(jīng)過電阻R2、R3的分壓和中央處理器芯片TMS320LF2407串行通信口輸入引腳SCIRXD相連接。
CAN總線采用差動電平方式傳輸信號，而中央處理器上CAN控制器的輸出為普通的電平電壓，所以要采用PAC82C250電平匹配芯片。CAN驅(qū)動芯片的供電電壓也是5V所以也要經(jīng)過電平匹配才能與中央處理器芯片TMS320LF240 DSP相連，其電路圖如圖5所示，中央處理器芯片TMS320LF2407 DSP的CAN控制器輸出引腳CANTX上輸出的3.3V邏輯電平信號經(jīng)過晶體管二極管D2和上拉電阻R4后和CAN驅(qū)動芯片PAC52C250芯片的輸入引腳TXD相連接，CAN驅(qū)動芯片PAC82C250的信號輸出引腳RXD輸出的信號經(jīng)過電阻R5、R6的分壓和中央處理器芯片TMS320LF2407DSP CAN輸入引腳CANRX相連接。
信息在以電纜為物理介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)上傳輸，不僅要克服通信距離的困難，而且更重要的一點(diǎn)是要克服電纜上的信號干擾和衰減保證信息的可靠性，因此要用帶屏蔽功能和電阻率低的電纜傳輸，另外，這么長的距離通信，如果用普通的同軸電纜，那它的自重就足以將其拉斷，所以本系統(tǒng)選用萬米鎧裝電纜作為CAN總線通信的物理介質(zhì)。除了硬件上采取的必要的措施外，軟件的數(shù)據(jù)包中包含目的地址、源地址、校驗(yàn)碼等等，在每次接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行奇偶校驗(yàn)和糾錯(cuò)校驗(yàn)。此外還采用了信息回傳模式，即水下節(jié)點(diǎn)每接到一個(gè)信息包都將信息包回發(fā)給主機(jī)節(jié)點(diǎn)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)再校驗(yàn)此信息包是否與其發(fā)送的信息包一致，如一致表明鏈路正確已建立，可以執(zhí)行下一步的命令；如不一致，或沒有接收到水下節(jié)點(diǎn)回發(fā)的信息包，則主機(jī)節(jié)點(diǎn)要重發(fā)此指令；重發(fā)超過三次或長時(shí)間無應(yīng)答則表明網(wǎng)絡(luò)上的該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，進(jìn)行報(bào)警提示。
另外，為了保證信號傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，總線上的數(shù)據(jù)占用總線的時(shí)間一定要短，所以在軟件中要將信號分解成短幀信號，建議每幀8個(gè)字節(jié)，這樣與TMSLF2407 DSP上的CAN控制器郵箱剛好匹配。這樣一來信號占用總線的時(shí)間就大大縮短，可以避免不必要的競爭冒險(xiǎn)，還可以提高信號抗干擾的能力。
節(jié)點(diǎn)0通信模塊上的第二郵箱設(shè)為接收方式，標(biāo)識符設(shè)為2447H，第三郵箱設(shè)為發(fā)送方式，標(biāo)識符設(shè)為2448H；節(jié)點(diǎn)1通信模塊上的第二郵箱設(shè)為接收方式，標(biāo)識符設(shè)為2448H，第三郵箱設(shè)為發(fā)送方式，標(biāo)識符設(shè)為2447H。節(jié)點(diǎn)0通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)通過第三郵箱來完成，第三郵箱將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上之后，節(jié)點(diǎn)1通信模塊的第二郵箱由于其標(biāo)識符與節(jié)點(diǎn)0通信模塊的第三郵箱相同，會接收到此數(shù)據(jù)。反之，節(jié)點(diǎn)1通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)通過第三郵箱來完成，第三郵箱將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上之后，節(jié)點(diǎn)0通信模塊的第二郵箱由于其標(biāo)識符與節(jié)點(diǎn)1通信模塊的第三郵箱相同，也會接收到此數(shù)據(jù)，這樣就完成了水面和水下兩節(jié)點(diǎn)的信息互通。
CAN總線的兩條差動信號線的兩端要用終端電阻相連，如圖2所示，終端電阻的標(biāo)準(zhǔn)阻值是R0＝120Ω。但在本系統(tǒng)中由于通信線路很長，通信電纜的電阻就達(dá)到了R＝30Ω左右，與終端電阻相比不能再看成是導(dǎo)線了，這樣一來通信的可靠性將大大降低，所以增加CAN的終端電阻使之繼續(xù)與電纜匹配，推薦終端電阻的阻值為R0＝100R具體通信過程1)甲板控制系統(tǒng)通過串口向干端通訊模塊發(fā)布通訊命令，此命令包含對拖體的控制命令和信息讀取命令等；2)干端通訊模塊在接收到甲板控制系統(tǒng)的命令后，將它翻譯為現(xiàn)場總線的短幀命令，逐一經(jīng)過載頻驅(qū)動后向濕端通訊模塊發(fā)送。
3)濕端通訊模塊在收到干端通訊模塊的信息后，每一幀均向干端發(fā)出回應(yīng)，如果干端收到的回應(yīng)信息不正確，則此幀將被重發(fā)。
4)濕端通訊模塊在接收完所有對應(yīng)于此通訊命令的短幀命令后，將其翻譯成與拖體控制系統(tǒng)通訊的命令，通過串口向拖體控制系統(tǒng)發(fā)送。
5)拖體控制系統(tǒng)在接收到命令后，產(chǎn)生相應(yīng)的動作，并按照通訊命令的要求產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答信息，發(fā)送給濕端通訊模塊。
6)濕端通訊模塊在接收到拖體控制系統(tǒng)的命令后，將它翻譯為現(xiàn)場總線的短幀命令，逐一經(jīng)過載頻驅(qū)動后向干端通訊模塊發(fā)送。
7)干端通訊模塊在收到濕端通訊模塊的信息后，每一幀均向濕端發(fā)出回應(yīng)，如果濕端收到的回應(yīng)信息不正確，則此幀將被重發(fā)。
8)干端通訊模塊在接收完所有對應(yīng)于此應(yīng)答信息的短幀命令后，將其翻譯成與甲板控制系統(tǒng)通訊的命令，通過串口向甲板控制系統(tǒng)發(fā)送。
9)甲板控制系統(tǒng)在收到應(yīng)答信息后，檢驗(yàn)此應(yīng)答信息有無錯(cuò)誤，如果沒有錯(cuò)誤發(fā)生，則完成此通訊過程。如果發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤，則重發(fā)此信息，或根據(jù)判斷轉(zhuǎn)發(fā)另一信息。
10)如果甲板控制系統(tǒng)經(jīng)過一定的延時(shí)后仍未能收到應(yīng)答信息，則將通訊命令重發(fā)。
11)如果重發(fā)三次仍未能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)獲得應(yīng)答，則認(rèn)為通訊系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重故障，顯示警告信息要求進(jìn)行處理。
權(quán)利要求
1.一種基于CAN總線的深海長距離數(shù)字通信系統(tǒng)，其特征在于整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)水下終端節(jié)點(diǎn)組成，水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)由0號節(jié)點(diǎn)通信模塊和控制主機(jī)組成，水下終端節(jié)點(diǎn)由與0號節(jié)點(diǎn)通信模塊相同的1號節(jié)點(diǎn)通信模塊和水下拖體控制器組成，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通過串行通信RS-232交換數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)通過CAN總線接口掛接在萬米鎧裝電纜的兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CAN總線的深海長距離數(shù)字通信系統(tǒng)，其特征在于所說的節(jié)點(diǎn)通信模塊它包括，中央處理器(1)、串行通信驅(qū)動模塊(2)、CAN總線驅(qū)動模塊(3)、信息存儲模塊(4)，中央處理器(1)是采用高速的數(shù)字信號處理芯片TMS320LF2407 DSP；串行通信模塊(2)由串行通信驅(qū)動芯片MAX202和串行通信接口組成，它與中央處理器的串行通信口引腳相連接；CAN總線驅(qū)動模塊(3)由中央處理器上的CAN控制器和PAC82C250 CAN通信驅(qū)動芯片組成，連接在CAN總線的物理介質(zhì)--萬米鎧裝電纜上；信息存儲模塊(4)包括存儲器芯片AT28C256和邏輯控制器芯片GAL16V8，連接在中央處理器(1)的地址和數(shù)據(jù)總線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于CAN總線的深海長距離數(shù)字通信系統(tǒng)。它包括一個(gè)水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)水下終端節(jié)點(diǎn)，水上主機(jī)節(jié)點(diǎn)由0號節(jié)點(diǎn)通信模塊和控制主機(jī)組成，水下終端節(jié)點(diǎn)由與0號節(jié)點(diǎn)通信模塊結(jié)構(gòu)相同的1號節(jié)點(diǎn)通信模塊和水下拖體控制器組成，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通過串行通信接口RS－232交換數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)通過CAN總線接口掛接在萬米鎧裝電纜的兩端。本發(fā)明主要依托于CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，在深海海底，在如深水高壓、水底透光度小、局部區(qū)域高溫、水下地形復(fù)雜、水下設(shè)備供電困難、信息傳輸距離遠(yuǎn)等不利的環(huán)境下，可以很好地克服上述困難，實(shí)現(xiàn)深海海底長距離無中繼數(shù)字通信的要求，不用進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，可以保證有很高的通信速率和通信可靠性。
文檔編號H04B3/00GK1420638SQ0215447
公開日2003年5月28日 申請日期2002年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月17日
發(fā)明者金波, 沈海闊, 陳鷹, 徐振賢, 李勇, 陳飛飛 申請人:浙江大學(xué)