基于現(xiàn)場總線技術(shù)的信號傳輸方案的研究

　　引言

　　現(xiàn)階段用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各相關(guān)組件信號傳輸方式的設(shè)計(jì)大多為簡單的點(diǎn)對點(diǎn)導(dǎo)線式傳輸方式，這種傳輸方式在信號數(shù)量較少的情況下可謂是一種簡單可行的方式，但針對信號數(shù)量很多而且空間有限的情況，這種設(shè)計(jì)方式便顯得有些笨拙，例如由于信號數(shù)量很多導(dǎo)致插接件、導(dǎo)線數(shù)量增多，不僅給某導(dǎo)彈引信控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來很多壓力，也會(huì)因?yàn)榇罅坎褰蛹�的使用降低系統(tǒng)信號傳輸?shù)目煽啃�，同時(shí)還因?yàn)榇罅繉?dǎo)線的存在而降低系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性等。

　　隨著某導(dǎo)彈引信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，其功能要求更加復(fù)雜，而其結(jié)構(gòu)小型化和可靠性、安全性等性能指標(biāo)等要求不斷提高，傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)導(dǎo)線式的信號傳輸方式越來越無法滿足該系統(tǒng)的發(fā)展要求，隨著傳統(tǒng)的信號傳輸設(shè)計(jì)弊端的凸顯和數(shù)字控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的成熟，一種新型的現(xiàn)場總線傳輸方案越來越受到設(shè)計(jì)者的重視，以現(xiàn)場總線為核心的新型信號傳輸方式的設(shè)計(jì)，能夠有效克服傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)導(dǎo)線式傳輸方式的弊端，改善系統(tǒng)信號傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)。

　　1 方案的總體設(shè)計(jì)原則

　　系統(tǒng)中各相關(guān)組件間信號傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)必不可少的一環(huán)，因此，在研究和設(shè)計(jì)過程中必須保證系統(tǒng)工作過程中所有信號傳輸?shù)膶?shí)時(shí)、可靠[1]。具體的設(shè)計(jì)原則可歸結(jié)如下：

　　a）繼承性原則：合理借鑒和繼承傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中成熟合理的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并用于新型系統(tǒng)信號傳輸?shù)姆桨秆芯浚�以突出設(shè)計(jì)重點(diǎn)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高效率，節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

　　b）先進(jìn)性原則：現(xiàn)場總線方案本身便是相對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重大突破，所以在從事系統(tǒng)信號傳輸?shù)难芯亢驮O(shè)計(jì)過程中應(yīng)該著眼于未來需要，在成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上盡可能采用先進(jìn)方法和產(chǎn)品，優(yōu)化考慮高速率硬件和靈活高效的通信協(xié)議。

　　c）可靠性原則，新型現(xiàn)場總線方案，一方面帶來電纜的簡化，有利于提高可靠性，另一方面因?yàn)樵黾恿丝偩�接口和自檢測任務(wù)，系統(tǒng)的局部復(fù)雜度有所增加，而彈上工作環(huán)境較為惡劣，有可能形成新的故障隱患，因此，現(xiàn)場總線的選取必須注意性能與可靠性的均衡考慮，做到合理設(shè)計(jì)。

　　d）靈活性原則：控制系統(tǒng)的組件眾多，功能各異，信號性質(zhì)差別很大，在方案的研究和設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)各自特點(diǎn)和總體功能的需要，靈活進(jìn)行配置，采用總線與專線結(jié)合的方式進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

　　e）冗余原則：冗余是傳統(tǒng)信號傳輸設(shè)計(jì)過程中的重要經(jīng)驗(yàn)，也是總線方案的基本原則，合理采用冗余設(shè)計(jì)不但可以提高總線系統(tǒng)的可靠性，還能改善系統(tǒng)性能。

　　2 方案的初步設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)IEC的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會(huì)（FF）的定義，現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將傳感器、執(zhí)行器與控制器等現(xiàn)場設(shè)備連接起來，因此，能用來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)各個(gè)元件的“智能化”，真正形成現(xiàn)場分散的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　下面針對某導(dǎo)彈引信控制系統(tǒng)中信號特征和系統(tǒng)中各相關(guān)組件功能實(shí)現(xiàn)的要求，依據(jù)方案的設(shè)計(jì)原則對其信號傳輸方案展開初步的研究分析。

　　2.1 現(xiàn)場總線選型

　　在對FF、Lon Works、Profibus、CAN、HART等不同種類的現(xiàn)場總線特點(diǎn)進(jìn)行分析和比對中發(fā)現(xiàn)，CAN總線是目前眾多現(xiàn)場總線中最有應(yīng)用前景的一種。CAN支持多主點(diǎn)方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)和全局廣播方式接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。其優(yōu)越性主要是：多主結(jié)構(gòu)的總線；接線簡單，最高通信速率可以達(dá)到1Mbit／s；CAN協(xié)議對數(shù)字通信模塊進(jìn)行編碼；CAN總線的低誤碼率保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

　　在對某導(dǎo)彈引信控制系統(tǒng)的控制和測試要求進(jìn)行分析中得知，CAN總線完全可以滿足該系統(tǒng)的控制可靠性和實(shí)時(shí)性要求。但其在總線數(shù)據(jù)吞吐率方面存在不足，對此考慮通過分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制通道和測試通道，或者采用可配置型的現(xiàn)場總線，如Profibus等，以兼顧控制與測試的不同需求。

　　2．2 基于現(xiàn)場總線的接口設(shè)計(jì)

　　采用現(xiàn)場總線的接口實(shí)現(xiàn)某導(dǎo)彈引信控制系統(tǒng)前系統(tǒng)與后系統(tǒng)及地面測控系統(tǒng)之間的信號傳輸需進(jìn)行硬件和軟件兩方面的研究和設(shè)計(jì)。

　　2．2．1 硬件設(shè)計(jì)

　　首先，要確定被連接系統(tǒng)中各相關(guān)組件、部件的檢測信號和控制信號的數(shù)量、類型及信號特征。由于該系統(tǒng)中各相關(guān)子系統(tǒng)間傳輸?shù)碾姎庑盘枖?shù)量繁多，按照種類可以分為電源線、系統(tǒng)控制信號線、系統(tǒng)測試信號線。為了滿足系統(tǒng)總體的需要，同時(shí)達(dá)到盡量優(yōu)化系統(tǒng)中信號傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，從理論上講，這些信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q都可以經(jīng)過總線進(jìn)行傳輸，而在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)各相關(guān)組件和部件的功能、信號類型考慮其重要性要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。本方案考慮在主體數(shù)字總線網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合少量專線連接的思路進(jìn)行信號傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，如電源信號、自毀信號、電池激活信號等。具體的連接關(guān)系如圖1所示。

　　其次，要依據(jù)被連接系統(tǒng)中各相關(guān)組件、部件選擇相應(yīng)的控制器和總線適配器件，如圖1中的“通信模塊”，該部分為系統(tǒng)信號傳輸方案的關(guān)鍵部分，本方案結(jié)合系統(tǒng)總體的抗干擾性和安全性等指標(biāo)對該部分進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。具體原理框圖如圖2所示。

　　2．2．2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括CAN節(jié)點(diǎn)初始化程序、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收程序3部分。在軟件開發(fā)過程中充分考慮了CAN總線錯(cuò)誤處理、總線隔離處理、接收濾波處理、波特率參數(shù)設(shè)置和自動(dòng)檢測，以及CAN總線通信距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算等方面的內(nèi)容，并結(jié)合系統(tǒng)總體要求的可靠性指標(biāo)對其中部分功能進(jìn)行了適當(dāng)刪減。

　　3 方案設(shè)計(jì)的意義

　　在某導(dǎo)彈引信控制系統(tǒng)的信號傳輸方案中，以現(xiàn)場總線方式取代傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)導(dǎo)線方式對提高整個(gè)系統(tǒng)信號傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)具有重要的意義。

　　a)減少了系統(tǒng)電纜中的導(dǎo)線、連接器數(shù)量，減輕了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓力，有利于小型化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　b)減少了系統(tǒng)電纜中的導(dǎo)線、連接器數(shù)量，降低了系統(tǒng)電纜連接復(fù)雜性，改善了信號的抗干擾性，提高了小型化系統(tǒng)的電磁兼容性和可靠性。

　　c)可以實(shí)現(xiàn)某導(dǎo)彈引信控制系統(tǒng)整裝狀態(tài)下的系統(tǒng)測試，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各組件、部件的分時(shí)局部加電，以完成可使用性檢查。

　　4 結(jié)束語

　　盡管目前的總線傳輸速率不斷提高，但與點(diǎn)對點(diǎn)的專線傳輸相比是有延遲的，這就要求設(shè)計(jì)者在進(jìn)行控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮總線的傳輸能力及其滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性要求的能力，因此，該方案研究過程中的大量技術(shù)細(xì)節(jié)還需要從理論和實(shí)踐上加以研究和驗(yàn)證。

　　由于接口電路在系統(tǒng)中需占用一定的體積，考慮到某導(dǎo)彈引信控制系統(tǒng)小型化結(jié)構(gòu)的要求，在本方案研究過程中還可以兼顧考慮芯片集成方案技術(shù)。

作者：馬一青，曾超（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川省綿陽市 621900） 來源：《電子工程師》