一種多冗余通信模塊的設(shè)計及實現(xiàn)

趙 楠，孫逢欣，羅寧昭，聶 冬，孫雷強

（1. 海軍裝備部艦船辦，北京豐臺100071；2. 海軍工程大學(xué)，武漢430033；3. 海軍駐武漢地區(qū)軍事代表局，武漢430033；4. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，遼寧大連116041）

一種多冗余通信模塊的設(shè)計及實現(xiàn)

趙 楠1，孫逢欣2，羅寧昭2，聶 冬3，孫雷強4

（1. 海軍裝備部艦船辦，北京豐臺100071；2. 海軍工程大學(xué)，武漢430033；3. 海軍駐武漢地區(qū)軍事代表局，武漢430033；4. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，遼寧大連116041）

隨著艦船中壓電網(wǎng)智能化的不斷發(fā)展，電氣設(shè)備間的通信需求也不斷提高，某新型船舶平臺網(wǎng)要求至少具備2個以太網(wǎng)接口和3個CAN接口，需要設(shè)計新型的通信模塊。本文設(shè)計了從CAN總線向以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方案，并選用了德州儀器最新的TMS570處理器制作了該通信模塊，成功實現(xiàn)了由一個CAN接口接受數(shù)據(jù)，另外兩路以太網(wǎng)以及CAN接口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。本通信模塊可以極大增強電氣設(shè)備的通信性能，使現(xiàn)有設(shè)備滿足多冗余通信的需求。

船舶智能電網(wǎng) CAN總線 以太網(wǎng) 通信模塊

0 引言

智能電網(wǎng)這一概念包括了電網(wǎng)的發(fā)、輸、變、配、用等環(huán)節(jié)，是全球電力行業(yè)新的機遇與挑戰(zhàn)，是21世紀(jì)重大的科技創(chuàng)新和變革趨勢之一。國內(nèi)外的研究學(xué)者十分關(guān)注智能電網(wǎng)的研究，以實現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級換代[1-3]。

而通信技術(shù)是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，一方面，通信系統(tǒng)可以給智能電網(wǎng)提供數(shù)據(jù)獲取、保護和控制的支持；另一方面，智能電網(wǎng)的目標(biāo)和主要特征是建立一個電網(wǎng)和通信緊密結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)。

某新型艦船為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了全船統(tǒng)一的平臺網(wǎng)完成設(shè)備之間的通信，該網(wǎng)絡(luò)的組織形式是雙冗余的以太網(wǎng)、CAN總線。現(xiàn)有設(shè)備間的通信大部分是通過CAN總線進行的，其通信接口數(shù)量有限，無法滿足平臺網(wǎng)的通信要求，因此需要設(shè)計新的通信模塊，使現(xiàn)有設(shè)備可以連通平臺網(wǎng)。由于現(xiàn)有設(shè)備與通信模塊的通信也是通過CAN總線完成，這就要求通信模塊至少具備2個以太網(wǎng)接口和3個CAN通信接口，本文的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一個具備2個以太網(wǎng)接口和3個CAN通信接口的通信模塊。

1 硬件設(shè)計

ARM是一種嵌入式的處理器，具有性能高、功耗低、成本低等特點，是移動處理器的主流產(chǎn)品。選用了德州儀器的TMS570系列的處理器。TMS570是一款雙核鎖步的高可靠性MCU，可以符合國際電工委員會IEC 61508 SIL-3或ISO 26262 ASIL-D安全標(biāo)準(zhǔn)[4]。而本文選用的TMS570LC435芯片是該系列最新芯片，它集成了ARM Cortex-R5F浮點CPU、4MB的集成閃存以及512KB的RAM，可以滿足處理速度的需求。而且它還具有多個通信接口，與需求相比僅缺少一個以太網(wǎng)，可以采取串口轉(zhuǎn)以太的方式來彌補，在查找資料之后選用致遠公司的IPort-3以太網(wǎng)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將一個串口轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)接口。

設(shè)計及制作通信模塊硬件。首先對單片機最小系統(tǒng)進行設(shè)計，包括電源電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路、晶振和MCU供電電路。最小系統(tǒng)可以保證MCU正常工作，能夠用調(diào)試器正常的下載程序并進行調(diào)試。其次，選用合適的CAN接口、以太網(wǎng)接口芯片設(shè)計了CAN、以太網(wǎng)接口電路，實現(xiàn)通信模塊的功能。然后，選擇各種元件的封裝并在軟件中進行繪制，根據(jù)原理圖進行PCB板的布局及連線，最終繪制出PCB板。最后，制作了PCB板，根據(jù)PCB板和原理圖焊接元件，完成通信模塊的設(shè)計及制作。

2 軟件的設(shè)計

該模塊的功能是每從設(shè)備接收一個CAN數(shù)據(jù)幀就將該幀的數(shù)據(jù)通過兩個CAN接口發(fā)送出去，并將其轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)幀通過另外兩個接口發(fā)送出去。因此程序的思路是相應(yīng)CAN通道接到數(shù)據(jù)幀進入中斷函數(shù)后在中斷函數(shù)中完成對CAN數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。

在CAN數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為UDP數(shù)據(jù)幀中，本文采取了固定的發(fā)出和接收端口，可以根據(jù)需求的不同任意的設(shè)定。每收到一個CAN數(shù)據(jù)幀，如果幀ID是需要接收的ID，就利用UDP幀封裝并發(fā)送給特定的目標(biāo)和端口。對于串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，也可以利用IPort-3的設(shè)置完成這種轉(zhuǎn)換。整個程序的流程圖如圖1所示：

圖1 軟件流程框圖

3 實驗測試

進行了5次單個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送以測試該模塊可以實現(xiàn)設(shè)計的功能，發(fā)送情況如圖2所示。

圖2 單次數(shù)據(jù)發(fā)送

圖3是第一次測試中CAN2接口轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，通過和圖2對比證明通信模塊成功轉(zhuǎn)發(fā)了相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖3 CAN2接收結(jié)果

圖4是在第一次測試中以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，通過和圖2對比發(fā)現(xiàn)通信模塊成功轉(zhuǎn)發(fā)了相應(yīng)數(shù)據(jù)。

Design and Implementation of A Multi Redundant Communication Module

Zhao Nan1, Sun Fengxin2, Luo Ningzhao2, Nie Dong3, Sun Leiqiang4
(1. Navy Equipment Department, Beijing 100071, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. Naval Representatives Office of Naval Armaments Department in Wuhan, Wuhan 430033, China; 4. Navy Equipment Repair Room in Dalian, Dalian 116041,Liaoning, China)

With the increasing intelligence of the ship’s medium-voltage power network, the demand of communication among the electrical equipments increases. A new type of ship’s platform network requires at least two Ethernet interfaces and three CAN interfaces to complete information transfer, and a new type of communication modules should be designed. In this paper, a scheme that forward data from CAN bus to Ethernet is designed, and the communication modules is built with TMS570 processor which can achieve a CAN interface to receive data, the other two Ethernet and CAN interface forwarding data. This communication module can enhance the communication performance of the device, and make existing equipment to meet the needs of multiple redundant communications.

ship smart grid; CAN network; Ethernet; communication module

TP393

A

1003-4862（2016）12-0066-02

2016-08-19

趙楠(1982-)，男，工程師，研究方向：電氣工程。