基于CAN总线的有缆遥控水下机器人通信系统设计

基于CAN总线的有缆遥控水下机器人通信系统设计学院专业学生姓名班级学号基于CAN总线的有缆遥控水下机器人通信系统设计1基于ROV的CAN总线网络通信系统设计在海洋复杂环境下作业的有缆遥控水下机器人（ROV,RemotelyOperatedVehicle）对实时数据通信和现场测控有较高的要求，本文研究有缆遥控水下机器人的基于CAN总线的多主节点构架的底层网络通信结构，并构造总线控制节点，用多主结构的分布式总线结构取代以往水下机器人采用的集中式控制结构及主从式网络结构，总线上节点在大部分时间里并行工作，完成不同的任务和功能。本设计以自主研制的MC-ROV实验设备为研究背景，构建基于CAN总线的ROV通信系统。将形同各结构单元进行分类，分为4大类节点：（1）总控单元（2）执行机构，即姿态与推进单元，包括：前进后退、上浮下潜、左转右转、水平调节、纵倾等动作执行；（3）数据采集与通信，包括对各种测量传感器的数据获取及一些定位通信；（4）通信系统的监控、故障诊断单元。针对不同的节点构建其基于事件触发的工作流程时序，将其封装与不同的节点控制器中，首先在仿真平台下进行多种情况下的的数字仿真实验，确定ROV通信网络结构；然后进行硬件在回路仿真实验，验证系统设计的实时性、稳定性和可靠性；接着进行节点的硬件系统开发设计，实现CAN通信协议应用层的制定及其软件代码的编写，完成对原ROV模型系统中控制器接口的改造和替换。CAN总线通信网络如图1所示。图1CAN总线通信网络图中CANUSB2充当协议分析器和协议转换的功能，实时监测网络中数据通信的状况，82C250为飞利浦公司的CAN总线收发器，SJA1000为飞利浦公司的CAN通信控制器，89C51为所选的一类MCU控制器。监测控制节点为网络的主节点，为子网通信控制的枢纽，并承担与上位机的通信等任务。从节点为一般的分布式数据采集，控制或执行系统节点，完成系统各部分具体的功能。CAN总线的传输介质为双绞线。2CAN总线通信控制器设计及运行CAN总线通信控制器的结构如图2所示。主控制器CAN协议控制器CAN总线收发器（驱动器）按键、指示灯、数码管、拨码开关，模数转换与数模转换单元CAN总线图2CAN总线通信节点CAN节点模块中的主控制器利用输入输出端口实现针对温度、压力、深度等传感器的数据采集，以及针对常用的一些I/O功能模块的控制。CAN总线协议控制器是CAN总线节点通信的核心，它实现了CAN总线的物理层和数据链路层2层协议的功能。CAN收发器是节点和CAN总线的物理接口元件，它负责将数据信号送到总线上去，其接口电气特性必须与CAN总线的完全兼容，在CAN总线端节点还需要考虑总线匹配电阻的问题。实际系统的通信接口由：微处理器AT89C51、控制器SJA1000、收发器82C250、高速光电耦合器6N137等构成。其中微处理器AT89C51负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。SJA1000的AD0-AD7连接到AT89C51的P0口，/CS连接到AT89C51的P2.7，P2.7为低电平时可以选中SJA1000，CPU通过这些地址可以对SJA1000进行相应的读/写操作。SJA1000的/RD、/WR、ALE分别与AT89C51的对应引脚相连，/INT接AT89C51的/INT1，也可以通过中断的方式访问SJA1000。CAN总线收发器82C250采用差分传输方式。为了增强CAN节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137与82C250相连，这样可实现总线上各节点间的的电气隔离。82C250与CAN总线的接口部分也采取了一定的抗干扰措施。82C250的CANH和CANL的引脚各自通过一个5欧姆的电阻与CAN总线相连，电阻可以起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30pf的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的作用。CANH和CANL之间加一个120欧姆的终端电阻来匹配总线阻抗，提高总线额的抗干扰能力。另外在单片机P1.1和P1.2口，接发光二极管，用来指示数据发送或接收的状态。复位电路设计：AT89C51是高电平复位，直接采用了上电复位电路，SJA1000是低电平复位，系统中使用单片机的I/O引脚来控制SJA1000的复位引脚。电源设计：由于节点内芯片对电源电压的稳定性要求比较高，我们采用输入+9的直流稳压电源，在经过LM7805三端稳压器稳压滤波后得到稳定的+5V电压作为各个芯片的工作电压。且在各个芯片的电源输入引脚都加了0.1uf的电容作为滤波稳压作用。以确保芯片工作电压的稳定。拨码开关可实现CAN节点波特率的选择，及发送数据类型的选择。指示灯设计为显示节点接收发送数据的状态，保证随时监测系统的通信状态。3结论本文采用了CAN总线的分布式网络通信机制，将CAN总线应用在水下机器人系统中，构成多主站的分布式控制系统，取代以往水下机器人采用的集中式控制结构。这种总线结构可以使得ROV系统的通信线缆得到有效的精简，并可以使整机系统获得良好的通信性能。这种基于总线的分布式通信结构在适用范围、可扩展性、控制速度、系统模块化、可维护性、抗干扰、协同工作、抗单点故障等方面的优势。