适用于主动拖曳发射阵的通信总线设计

王鑫淦，杜选民，尹子源



适用于主动拖曳发射阵的通信总线设计

王鑫淦，杜选民，尹子源

(上海船舶电子设备研究所，上海201108)

主动拖曳发射阵工作环境苛刻，对功率模块的可靠性要求较高，需要合适的通信总线对发射阵内各功率模块进行实时监控。文章提出了一种适用于主动拖曳发射阵的通信总线方案，该总线方案能在复杂电磁环境下无误码通信，实现对各功率模块的状态监控。通过拖曳发射阵湖上和海上性能试验，验证了该总线方案的可行性和稳健性。

主动拖曳发射阵；功率模块监控；通信总线；RS485网络

0 引言

主动发射阵是主动拖曳式声呐中的重要组成部分，其内部含有数十个功率放大模块，用来驱动发射换能器，如图1所示[1]。

由于发射阵受拖曳这一形式的限制，其可用空间小、散热环境差。然而功率模块属于大功率电子设备，在如此恶劣的环境下工作，其可靠性对整个发射阵的正常运行起到至关重要的作用。为此，有必要对功率模块进行实时监测。一般情况下，主动拖曳发射阵中功率模块的个数在几十到上百不等，因此需要设计一种合适的通信总线对各功率模块进行监控。

图1 主动拖曳式声呐示意图

1 网络选择

现行的工业网络可分为三类：HART(Highway Addressable Remote Transducer)网络、现场总线网络和RS485网络。

HART网络：HART是由艾默生提出的一个过渡性总线标准[2]，主要在4~20 mA电流信号上面叠加数字信号，物理层采用BELL2022频移键控技术。但此协议不是一个开放的标准。从长远来看，由于HART通信速率低、组网困难、成本高等原因，其应用前景呈逐年下滑的态势。

现场总线网络：现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一[2]。它是一种数字化、串行、多站式的通信网络，用来实现控制现场的仪表与控制室内的控制设备间的数据连接。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。

RS485网络：RS485是现在流行的一种布网方式，常采用MODBUS串行通信协议，其具有设备简单、价格低廉、抗干扰能力强、能进行长距离通信等特点，在工程上得到广泛应用[2]。

本文结合工程实际，采用了RS485网络作为通信总线，对拖曳发射阵中各功率模块进行监控。

2 总线设计

2.1 拓扑结构

本文RS485总线采用了菊花链的联网方式，如图2所示。在该拓扑结构下，发送接收器通过较短的网络分支连接到总线上。

图2 RS485总线拓扑结构

由于拖曳发射阵空间有限，内部走线较多，为此本文采用半双工工作模式，只需一对信号线即可，如图3所示。此时发送和接收数据必须分时进行，同时要确保在任何时候挂接在总线上的发送器只有一个处于使能状态。

图3 RS485半双工工作模式

2.2 抗干扰设计[3-8]

图4 RS485总线终端处理

其次，每个收发节点到总线的距离必须小于发送端输出信号上升时间对应波长的1/10[3]，如式(1)所示。

对于远程数据通信，各节点在接地位置存在电位差，这将增大共模噪声。将远程各节点的地相连，同样会引起大的地环路电流，导致共模噪声耦合到信号线上。当共模噪声增大到超过接收器的输入共模抑制范围时，就会导致通信失败。

在远距离通信中为了避免接地电位差横跨RS485总线，有效的方法是将收发器的信号线、供电线与本地的信号、电源隔离。此时，电源隔离器、信号隔离器能避免电流在远程节点间的流动，即避免了环路电流。图6给出了多节点远程通信下采用隔离型收发器的示意图。除了第一个节点，所有节点都通过隔离器与总线相连。第一个非隔离收发器给总线提供了单端参考地。

图6 远程通信下多节点隔离收发工作

本文采用了美国ADI公司开发的增强型RS485隔离收发器ADM2587。ADM2587在单个封装内集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器、一个差分输入接收器和一个isoPower隔离型DC/DC转换器，实现了信号和电源完全隔离。该器件同时具有限流和热关断特性，可防止发生输出短路以及总线竞争导致功耗过大的情况。

3 软件设计[9-10]

本文采用了单址查询模式，主节点采取轮询的方式对各从机进行查询，从节点收到命令并处理请求后，向主节点返回一串消息，即从机应答。该模式中主节点请求，从节点应答，每个节点有一个独一无二的地址，从而可以被寻址到。

3.1 通信协议

通信协议实现的是数据无差错的双向传输，这里的基本通信单位是帧。一个完整的信息帧由连续的字节序列组成，有明确的开始和结束标志。

本文所采用的帧结构如表1所示。

表1 帧结构

表1中包头确定了一帧的开始；发方地址为发送信息一方的地址，当主机查询从机时，发方地址为主机地址，当从机应答主机反馈信息时，发方地址为从机地址；收方地址为接收信息一方的地址，当主机查询从机时，收方地址为从机地址，当从机应答主机反馈信息时，收方地址为主机地址；数据为收发双方进行交互的信息，包括命令数据、信息数据等；此外为了保证数据传输无差错，本文采用了CRC校验对传输的信息帧进行校验。CRC校验码由发送方生成，添加在帧尾，随信息帧一同发送。当接收方收到信息帧后，按同样的算法进行校验，如果校验码不同，则视为数据出错。

3.2 软件流程

本文采用微控制器对RS485收发器进行控制，程序中采用中断方式接收串口数据。当从机接收到数据以后，首先将数据帧中的地址信息与本机地址进行比对，如果地址匹配，再对数据进行校验。如果校验正确，从机立即进行反馈应答；如果校验不正确，请求主机重新发送信息。图7给出了从机节点的程序流程图。

从机反馈给主机的信息包含拖曳发射阵内各功率模块的状态信息，包括工作电压、工作电流、保护标志等。各从机对拖曳发射阵内对应功率模块的状态进行实时采集，当确定需要对主机进行反馈应答时，从机将功率模块的状态信息反馈给主机，从而达到实时监控的作用。然后通过上位机软件将获取的各功率模块状态信息显示出来，从而能够直观地了解功率模块的工作状态。

图7 从机节点程序流程图

4 结论

本文从硬件和软件两部分对拖曳发射阵内通信总线的应用设计进行了详细的分析研究。通过拖曳发射阵湖上和海上的性能实验，充分验证了本文提出的RS485总线的可靠性和稳健性。在实验过程中，主从机通信正常无误码，上位机软件能实时显示各功率模块的状态信息。由此可见，本文提出的RS485通信总线方案非常适用于拖曳发射阵监控领域，当然也可广泛应用于其他电磁环境恶劣的应用领域。

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Design of communication bus for active towed transmitting array

WANG Xin-gan, DU Xuan-min, YIN Zi-yuan

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

Because of the harsh working conditions for active towed transmitting array, the transmitting power modules require high reliability. Therefore, the right communication bus is neededful to carry on the real-time monitoring to the power modules in transmitting array. This article presents a solution of communication bus for active towed transmitting array, which ensures that no transmission error happens in complex electromagnetic environment, and that the real-time monitoring to the working state of power modules is realized. Through the experiments on lake and sea, the feasibility and robustness of this solution is verified.

active towed transmitting array;power monitoring module; communication bus; RS485 internet

TN911.7

A

1000-3630(2017)-01-0023-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.01.005

2016-04-01;

2016-07-16

王鑫淦(1987－), 男, 江苏南通人, 硕士研究生, 研究方向为水声信号处理。

王鑫淦, E-mail: jerry871217@163.com