一种多冗余通信模块的设计及实现

赵 楠，孙逢欣，罗宁昭，聂 冬，孙雷强

（1. 海军装备部舰船办，北京丰台100071；2. 海军工程大学，武汉430033；3. 海军驻武汉地区军事代表局，武汉430033；4. 海军大连地区装备修理监修室，辽宁大连116041）

一种多冗余通信模块的设计及实现

赵 楠1，孙逢欣2，罗宁昭2，聂 冬3，孙雷强4

（1. 海军装备部舰船办，北京丰台100071；2. 海军工程大学，武汉430033；3. 海军驻武汉地区军事代表局，武汉430033；4. 海军大连地区装备修理监修室，辽宁大连116041）

随着舰船中压电网智能化的不断发展，电气设备间的通信需求也不断提高，某新型船舶平台网要求至少具备2个以太网接口和3个CAN接口，需要设计新型的通信模块。本文设计了从CAN总线向以太网转发数据的方案，并选用了德州仪器最新的TMS570处理器制作了该通信模块，成功实现了由一个CAN接口接受数据，另外两路以太网以及CAN接口转发数据。本通信模块可以极大增强电气设备的通信性能，使现有设备满足多冗余通信的需求。

船舶智能电网 CAN总线 以太网 通信模块

0 引言

智能电网这一概念包括了电网的发、输、变、配、用等环节，是全球电力行业新的机遇与挑战，是21世纪重大的科技创新和变革趋势之一。国内外的研究学者十分关注智能电网的研究，以实现传统电网的升级换代[1-3]。

而通信技术是智能电网的关键技术之一，一方面，通信系统可以给智能电网提供数据获取、保护和控制的支持；另一方面，智能电网的目标和主要特征是建立一个电网和通信紧密结合的网络。

某新型舰船为简化系统结构，采用了全船统一的平台网完成设备之间的通信，该网络的组织形式是双冗余的以太网、CAN总线。现有设备间的通信大部分是通过CAN总线进行的，其通信接口数量有限，无法满足平台网的通信要求，因此需要设计新的通信模块，使现有设备可以连通平台网。由于现有设备与通信模块的通信也是通过CAN总线完成，这就要求通信模块至少具备2个以太网接口和3个CAN通信接口，本文的设计目标是设计一个具备2个以太网接口和3个CAN通信接口的通信模块。

1 硬件设计

ARM是一种嵌入式的处理器，具有性能高、功耗低、成本低等特点，是移动处理器的主流产品。选用了德州仪器的TMS570系列的处理器。TMS570是一款双核锁步的高可靠性MCU，可以符合国际电工委员会IEC 61508 SIL-3或ISO 26262 ASIL-D安全标准[4]。而本文选用的TMS570LC435芯片是该系列最新芯片，它集成了ARM Cortex-R5F浮点CPU、4MB的集成闪存以及512KB的RAM，可以满足处理速度的需求。而且它还具有多个通信接口，与需求相比仅缺少一个以太网，可以采取串口转以太的方式来弥补，在查找资料之后选用致远公司的IPort-3以太网串口数据转换模块将一个串口转为以太网接口。

设计及制作通信模块硬件。首先对单片机最小系统进行设计，包括电源电路、复位电路、JTAG调试电路、晶振和MCU供电电路。最小系统可以保证MCU正常工作，能够用调试器正常的下载程序并进行调试。其次，选用合适的CAN接口、以太网接口芯片设计了CAN、以太网接口电路，实现通信模块的功能。然后，选择各种元件的封装并在软件中进行绘制，根据原理图进行PCB板的布局及连线，最终绘制出PCB板。最后，制作了PCB板，根据PCB板和原理图焊接元件，完成通信模块的设计及制作。

2 软件的设计

该模块的功能是每从设备接收一个CAN数据帧就将该帧的数据通过两个CAN接口发送出去，并将其转换为以太网UDP数据帧通过另外两个接口发送出去。因此程序的思路是相应CAN通道接到数据帧进入中断函数后在中断函数中完成对CAN数据帧的转发。

在CAN数据帧转换为UDP数据帧中，本文采取了固定的发出和接收端口，可以根据需求的不同任意的设定。每收到一个CAN数据帧，如果帧ID是需要接收的ID，就利用UDP帧封装并发送给特定的目标和端口。对于串口转以太网模块，也可以利用IPort-3的设置完成这种转换。整个程序的流程图如图1所示：

图1 软件流程框图

3 实验测试

进行了5次单个数据帧的发送以测试该模块可以实现设计的功能，发送情况如图2所示。

图2 单次数据发送

图3是第一次测试中CAN2接口转发的数据，通过和图2对比证明通信模块成功转发了相应数据。

图3 CAN2接收结果

图4是在第一次测试中以太网接口转发的数据，通过和图2对比发现通信模块成功转发了相应数据。

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

赵楠(1982-)，男，工程师，研究方向：电气工程。