可編程數(shù)字隔離模塊在火炮CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

姜 飛，徐建峰，崔立君，王 琨，盧青山

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

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可編程數(shù)字隔離模塊在火炮CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

姜 飛，徐建峰，崔立君，王 琨，盧青山

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

CAN通信廣泛應(yīng)用于自行火炮、坦克裝甲等車輛武器系統(tǒng)，出于對(duì)產(chǎn)品本身安全性的考慮或抗電磁兼容等方面要求，需盡可能控制并減少信號(hào)激勵(lì)源與被測(cè)系統(tǒng)之間的相互干擾，基于CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可編程數(shù)字隔離模塊能有效阻斷CAN檢測(cè)節(jié)點(diǎn)物理層差分電氣連接，以保護(hù)被測(cè)試CAN總線網(wǎng)絡(luò)。實(shí)踐應(yīng)用表明該模塊穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可移植度高且外部供電單一，具有廣泛的通用性、良好的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

CAN總線隔離；CPLD邏輯控制；CAN總線通信；Verilog程序設(shè)計(jì)

CAN是控制網(wǎng)絡(luò)(Control Area Network)的簡稱，屬于串行數(shù)據(jù)通信總線范疇，由德國BOSCH公司提出，符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)，CAN通信適用于部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，廣泛應(yīng)用于工業(yè)離散控制與國防軍工領(lǐng)域，具有成本低、可靠性高并易于實(shí)現(xiàn)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[1]，一般情況下出于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身安全性考慮或抗電磁兼容試驗(yàn)要求，為控制并減少信號(hào)激勵(lì)源與被測(cè)對(duì)象之間的相互干擾，需要對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試接口進(jìn)行差分電平隔離設(shè)計(jì)[2]。

1 技術(shù)原理

1.1 應(yīng)用背景

常規(guī)CAN接口差分電平隔離設(shè)計(jì)主要有兩種途徑：

1)采用網(wǎng)關(guān)方式，利用單片機(jī)等微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈中繼以完成CAN總線接口的信號(hào)轉(zhuǎn)換，其顯著弊端在于微控制器不僅需要具備較高的運(yùn)算能力，同時(shí)還要設(shè)計(jì)2套相互獨(dú)立工作的CAN總線軟硬件接口，系統(tǒng)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差，且在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信時(shí)要重新配置通信參數(shù)，可移植性差。

2)單純以物理差分電平值為設(shè)計(jì)依據(jù)，通過適配專用電源供給模塊和光電隔離器來實(shí)現(xiàn)CAN接口隔離通信，優(yōu)點(diǎn)在于成本低廉，但缺點(diǎn)也是非常明顯，需要用+5、+4、+2.5、+1.5和+3 V等多品種電壓源與高精度分壓電阻配合，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件品質(zhì)與溫控性能要求非常高，抗干擾能力差，電壓稍微產(chǎn)生偏離就會(huì)造成CAN總線接口隔離通信異常，還會(huì)將該故障直接反饋到被測(cè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)，很不實(shí)用。

考慮到當(dāng)前這種技術(shù)現(xiàn)狀，筆者提出了一種基于可編程邏輯控制器的CAN接口差分電平隔離設(shè)計(jì)方法，可有效克服上述兩種方案的缺點(diǎn)，提高CAN接口隔離通信的可靠性與抗干擾能力。另外，基于CPLD所實(shí)現(xiàn)的可編程控制邏輯理論上可以由74系列器件搭接組合完成，但缺少精確時(shí)隙控制能力，在高負(fù)載率情況下不具備全雙工通信能力，相對(duì)而言靈活性差、集成度也較低,不推薦這種低層次技術(shù)替代[3]。

1.2 信號(hào)位電平

CAN總線信號(hào)電平由CANH與CANL之間電壓差Udiff=UCANH-UCANL表示。CAN總線網(wǎng)絡(luò)具有兩種邏輯狀態(tài)，即顯性狀態(tài)與隱性狀態(tài)，分別與信號(hào)傳輸過程中顯性位和隱性位對(duì)應(yīng)，隱性狀態(tài)時(shí)Udiff近似為0 V，而顯性狀態(tài)時(shí)Udiff則一般為2～3 V。若總線上2個(gè)不同節(jié)點(diǎn)在同一位時(shí)間分別強(qiáng)加顯性位與隱性位，競爭仲裁結(jié)果是總線上呈現(xiàn)顯性位，即顯性位可以改寫隱性位。硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要將總線驅(qū)動(dòng)器的RXD與TXD引腳分別引入到CPLD可編程邏輯控制器的IO端口上，使其TTL電平與CAN總線上輸出隱性電平保持一致。具體到總線信號(hào)電平的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：當(dāng)TXD=0時(shí)，CAN總線上輸出顯性電平；當(dāng)TXD=1時(shí)，CAN總線上輸出隱性電平[4]。

1.3 位定時(shí)與同步

可編程數(shù)字隔離模塊工作于數(shù)據(jù)通傳方式下，左右網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)不對(duì)報(bào)文進(jìn)行任何打包與拆包操作處理，也不會(huì)將CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層波特率、幀格式、濾波方式和ID標(biāo)識(shí)符等參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入，只以RXD和TXD引腳TTL電平為判定標(biāo)準(zhǔn)，按照CAN通信規(guī)范進(jìn)行數(shù)字化編程，無需任何中間轉(zhuǎn)換過程，具有良好的通用性、可移植性與實(shí)時(shí)性。

CPLD編碼過程中必須依據(jù)CAN總線邏輯狀態(tài)進(jìn)行延時(shí)處理，具體數(shù)值由物理層電氣特性和信號(hào)發(fā)送方式來決定，涉及到位定時(shí)與同步兩方面內(nèi)容。位時(shí)間(屬于位定時(shí)重要指標(biāo)參數(shù))是指非重同步情況下，總線驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位所需的時(shí)間，它可分為多個(gè)互相不重合的時(shí)間段，一般由同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2等組成，排列方式如圖1所示。

一般情況下最小額定位定時(shí)與最大速率處于單次采樣周期內(nèi)是一一對(duì)應(yīng)，決定了一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量，另外2個(gè)與位時(shí)間相關(guān)聯(lián)的參考量是傳播延遲與采樣點(diǎn)位置，前者限定了系統(tǒng)之間2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最大總線長度，采樣點(diǎn)越靠后則播延遲會(huì)有更大的容差性，CPLD邏輯控制軟件設(shè)計(jì)延時(shí)因子其刻度會(huì)更精確，最大位速率計(jì)算公式為

vBR_max=fkq/2

式中：k為比例因子系數(shù);q是位定時(shí)段;f為振蕩器頻率。高位速只會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)傳播延遲很小的時(shí)候，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)兩端時(shí)間延遲最大的節(jié)點(diǎn)，必須保證它們能夠正確地接收和譯碼傳輸信息報(bào)文。

CAN總線規(guī)范中同步機(jī)制克服了節(jié)點(diǎn)間累積相位誤差影響，可有效地保證報(bào)文進(jìn)行正確譯碼。同步可分為硬同步與重同步兩種，前者在報(bào)文幀開始時(shí)執(zhí)行，后者發(fā)生在隱性位到顯性位的跳變沿時(shí)刻。因此同步段需要有跳變沿信號(hào)，這是可編程數(shù)字隔離模塊通信的觸發(fā)基準(zhǔn)，它們都遵守下述規(guī)則：在一個(gè)時(shí)間位內(nèi)僅允許一種同步；對(duì)于跳變沿，僅當(dāng)它前面的第1個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值與緊跟該跳變沿之后的總線值有差異時(shí)，才能將該跳變沿用于同步；在總線空閑期，若出現(xiàn)1個(gè)隱性位到顯性位跳變沿，則執(zhí)行1次硬同步；符合前兩條規(guī)則的隱性位到顯性位跳變沿都被用于重同步，但具有正相位誤差的隱性位到顯性位跳變沿將不會(huì)導(dǎo)致重同步。

2 硬件構(gòu)成

可編程數(shù)字隔離模塊電路由4片ADM3053集成芯片和EPM7032STI44-7可編程邏輯控制器、MAX813L復(fù)位芯片和16 MHz有源晶振、ISP程序下載接口以及若干分離阻容器件等組成，主要集成芯片之間電氣連接與信息流傳輸關(guān)系如圖2所示。

ADM3053是一款光電耦合隔離式CAN收發(fā)器，具有限流和熱關(guān)斷特性，可有效防止輸出短路，采用ADI公司iCouple?技術(shù)將常規(guī)雙通道隔離器、CAN總線收發(fā)器和DC/DC轉(zhuǎn)換器集成?？善瑑?nèi)振蕩器輸出方波，結(jié)合高頻開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)內(nèi)部變壓器產(chǎn)生隔離電源，只需要+5V單電源供電就可以在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個(gè)完全隔離的CAN總線接口，可完全替代“6N137光電耦合器+DC/DC轉(zhuǎn)換器+PCA82C250收發(fā)器”的傳統(tǒng)解決方案，因?yàn)榧啥雀?，所以能有效降低PCB布局與布線難度、提升可編程數(shù)字隔離模塊的穩(wěn)定性與可靠性。2片ADM3053集成電路可構(gòu)成1路CAN通信隔離通道，依據(jù)Verilog硬件描述語言進(jìn)程間并發(fā)運(yùn)行的特點(diǎn)，該模塊能提供2路相互獨(dú)立的CAN通信隔離通道,兩者間無主次之分，電路結(jié)構(gòu)與元器件的編排左右對(duì)稱，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流輸出與輸入方向可進(jìn)行交叉互換處理，容錯(cuò)度極高。

MAX813L復(fù)位電路于上電瞬間產(chǎn)生140 ms上升沿脈沖，對(duì)EPM7032STI44-7可編程邏輯控制器進(jìn)行復(fù)位操作，以確定CAN總線初始邏輯狀態(tài)，因?yàn)镃AN總線要求：總線處于空閑期時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的缺省方式必須是隱性狀態(tài)，即TXD引腳為邏輯1，處于高電平狀態(tài)。MAX813L集成電路也具備按鍵復(fù)位功能，如果隔離輸出信號(hào)產(chǎn)生非穩(wěn)定跳變則可進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位操作。

16 MHz有源晶振為時(shí)序邏輯提供檢測(cè)基準(zhǔn)，其周期T=62.5 ns是精準(zhǔn)延時(shí)的最小計(jì)數(shù)單元，該參數(shù)應(yīng)用于位定時(shí)與同步控制邏輯設(shè)計(jì)。ISP程序下載接口為可編程數(shù)字隔離模塊提供在線可編程功能。分離阻容器件中的耦合電容用于濾除總線前端的高頻干擾；限流電阻則用于保護(hù)總線收發(fā)器不受過流沖擊影響；動(dòng)態(tài)電阻可調(diào)節(jié)CAN總線差分信號(hào)邊沿傾斜狀態(tài)，通過控制速率來降低電磁輻射影響；匹配電阻用于抑制信號(hào)電纜在端點(diǎn)的反射。

3 軟件設(shè)計(jì)

可編程數(shù)字隔離模塊CPLD控制邏輯通過Verilog HDL硬件描述語言來實(shí)現(xiàn)，集成編譯環(huán)境是Quartus II 5.1版本。首先借助于“應(yīng)用向?qū)А苯⒐こ添?xiàng)目，給出工程所在的設(shè)計(jì)路徑、文件名稱與實(shí)體名；然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)支持庫進(jìn)行聲明操作；其次按照外部接口給出引腳信號(hào)名稱、數(shù)據(jù)類型及輸入/輸出方向，通過寄存器變量對(duì)標(biāo)志信號(hào)和延時(shí)矢量作出說明。軟件流程如圖3所示。

邏輯代碼段編程時(shí)在process并行進(jìn)程中以全局時(shí)鐘上升沿作為判斷基準(zhǔn)，利用if語句對(duì)復(fù)位引腳進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。若是低電平則對(duì)標(biāo)志信號(hào)和延時(shí)矢量進(jìn)行清零操作處理并將TXD引腳置高電平，實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位功能，否則持續(xù)對(duì)RXD引腳“顯/隱”性狀態(tài)進(jìn)行判斷；如果RXD引腳低電平且配對(duì)通道另一端標(biāo)志信號(hào)量為1狀態(tài)，則通過賦值操作完成數(shù)據(jù)通傳處理，否則就對(duì)標(biāo)志信號(hào)進(jìn)行置位并精確延時(shí)0.25 μs后進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，精確延時(shí)很關(guān)鍵，需要在轉(zhuǎn)換效率與響應(yīng)速度之間取得平衡[5]。

4 性能測(cè)試

現(xiàn)場試驗(yàn)過程中使用如下設(shè)備和儀器：YOKOGAWA總線分析儀、USBCAN測(cè)試盒以及CANStressDR網(wǎng)絡(luò)干擾儀。USBCAN測(cè)試盒作為信號(hào)源發(fā)生源與隔離輸出數(shù)據(jù)接收裝置，分別將2路相互獨(dú)立的CAN總線通道接入可編程數(shù)字隔離模塊左右信號(hào)端，設(shè)置幀間隔時(shí)間為0，以最大負(fù)載和數(shù)據(jù)吞吐狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換收發(fā)，觀察是否存在信息幀丟失現(xiàn)象。YOKOGAWA總線分析儀用于展現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)幀波形、分析上升沿與下降沿斜率，完成位時(shí)間和最小發(fā)送間隔以及最大負(fù)載率等功能性測(cè)試。CANStressDR網(wǎng)絡(luò)干擾儀對(duì)輸入CAN網(wǎng)絡(luò)注入拉偏電壓，并對(duì)采樣點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)試干擾，以評(píng)估可編程數(shù)字隔離模塊的整體健壯性。所有試驗(yàn)項(xiàng)檢測(cè)依據(jù)為《SEA J1939-11 Revised OCT1999標(biāo)準(zhǔn)》和《CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試規(guī)范》，相應(yīng)測(cè)試項(xiàng)、用例情況以及合格性判據(jù)如表1所示，相關(guān)試驗(yàn)波形如圖4所示。

表1 可編程數(shù)字隔離模塊性能測(cè)試結(jié)果匯總

表1中位時(shí)間t=ΔT/(數(shù)據(jù)位+填充位)。按照相應(yīng)CAN總線規(guī)范，數(shù)據(jù)位中每5個(gè)連續(xù)“1”會(huì)自動(dòng)增加1個(gè)填充位，對(duì)于不同的信息幀，公式中的分母值會(huì)有所不同，所以必須用總線分析儀等檢測(cè)工具來測(cè)試ΔT值并讀出信息幀的位脈沖個(gè)數(shù)，從而得到位時(shí)間t=262.25/131=2.001 908 μs，經(jīng)四舍五入處理取小數(shù)點(diǎn)后2位則為2 001.91 ns[6]。

5 結(jié)束語

可編程數(shù)字隔離模塊已成功應(yīng)用于某型彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)中繼測(cè)試終端，通過該可編程數(shù)字隔離模塊能有效地實(shí)現(xiàn)被測(cè)試武器系統(tǒng)與外部監(jiān)測(cè)模塊之間的物理隔離，阻斷外部測(cè)試設(shè)備對(duì)武器系統(tǒng)內(nèi)部單體的干擾。靶場試驗(yàn)表明該可編程數(shù)字隔離模塊具有可靠性高、功耗低、成本小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣泛的通用性，可進(jìn)一步向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域推廣。

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Application of Programmable Digital Segregate Module in Gun’s CAN Network

JIANG Fei, XU Jianfeng, CUI Lijun, WANG Kun, LU Qingshan

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

CAN communications are widely applied in the vehicle weapon system, such as self-propelled artillery, tank and armored vehicle. According to the consideration of security of this product and anti-electromagnetic compatibility requirements and so on, the mutual interference between signal inspiriting source and tested system should be controlled and reduced to the utmost degree. The realization of programmable digital isolation module based on CPLD can effectively block the electrical connection of CAN detection node physical layer difference to protect the network of the tested CAN bus. This practical application indicates the module has a favorable stability property, a strong real-time performance and a single external power supply, which has a wide range of universality, good application prospects and use value.

CAN bus segregate；CPLD logic control；CAN bus communication；Verilog program design

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.010

2015-10-18

姜飛(1978—)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事火炮綜合電子技術(shù)研究。E-mail：jfxsj@126.com

TJ393

A

1673-6524(2016)04-0043-05