CAN总线在T/R组件故障检测系统中的应用

2018-10-12王志刚朱庆彬

雷达与对抗 2018年3期

洪畅，王志刚，朱庆彬，曹阳

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引言

随着电子技术的迅猛发展，现代雷达的总体架构和各分机的设计及实现也愈加精细和复杂[1]，雷达系统的可靠性显得尤为重要。有源相控阵雷达系统复杂度高。作为相控阵雷达的基本构造单元，T/R组件同时具有组件数量多、监测指标多、维修困难等特点。目前，一般雷达系统中对T/R组件的故障检测大多采用底层为以太网的通信方式。采取以太网的优势在于数据传输速度快、实时性好，但需要在雷达系统中增加交换机等网络设备，而且一旦集中式交换机受损，整个系统中设备监控将受到严重影响。针对雷达系统中少则几十个、多则数千个的T/R组件，如果都采取以太网的方式将会带来系统通信故障的风险，并会影响到雷达其他分系统的网络通信。CAN总线是一种现场总线，能够有效地支持分布式通信和实时控制，具有可连接设备多、可靠性高、抗干扰能力强等优点。同时，CAN总线通信链路连接简单，无需额外的设备支持。因此，本文提出了一种基于CAN总线的T/R组件故障检测系统，通过CAN总线技术将多个T/R组件构成一个通信分系统，其中采用一个主节点轮询其他分节点的方式获取T/R组件的状态指标，系统中主节点和上位机显控台通信。这样就将众多的组件状态报文和雷达其他网络报文隔离开来，既降低了系统的复杂度和成本又具有良好的可靠性。[2-4]

1 基于CAN总线的T/R组件故障检测方法设计

1.1 系统总体架构

本文设计的T/R组件故障检测系统主要对有源T/R组件的工作状态进行实时监测。当组件工作发生故障时组件立即采取保护措施，系统迅速收集故障信息和状态指标发送给显控台。系统中T/R组件作为从节点通过内部ADC实时采集工作状态指标，发生故障时内部软件系统将及时采取保护措施，确保组件工作安全。因此，检主节点通过CAN与各个T/R组件通信，完成控制命令的下发和状态指标的收集，最后汇总所有组件的状态信息进行故障诊断。通过以太网将故障诊断结果和状态指标发送给雷达显控台，最终在人机交互界面上显示出来。

由于系统中各个节点共用一条CAN总线，总线受损将会导致整个CAN通信分系统丧失通信能力，因此系统中采用冗余设计的方式，采用完整的两条CAN总线、两个独立的CAN驱动器和控制器，当其中一条总线发生故障时系统的通信不受影响。由于T/R组件数量多，监测指标多，导致通信数据量比较大，因此软件上采取主节点依次轮询从节点的方式，规避了通信堵塞的风险，确保了系统的稳定工作。图1为系统总体结构框图。

1.2 硬件设计

在实际项目中，选用TI公司生产的TM4C129NCPDT芯片作为T/R组件和故检主节点的ARM主控芯片。该芯片内部集成了GPIO、UART、ADC、I2C、CAN、以太网等外设接口。在控制监测电路中，GPIO模块可以完成开关控制、读取高低电平等工作；ADC模块具有12位的转换精度，可以对模拟源或内部温度传感器进行快速采样；I2C模块完成对铁电存储器的读写操作；芯片内部集成了两个CAN控制器模块，可自动处理CAN总线的数据链路。以太网接口遵循IEEE 802.3规范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX标准，故检主节点和显控台的通信采用以太网实现。外围电路中CAN收发器选用SN65HVD1050D芯片。该芯片为CAN控制器和物理总线之间提供了一个接口，将CAN控制器的逻辑电平转换为总线上的差分电平。

1.3 软件设计

系统软件设计涉及两种模块的软件编程，一是对T/R组件编写故障采集、检测、传输和保护程序，二是对故检模块主节点编写故障诊断、CAN数据接收以及网络处理程序。软件流程图如图2所示。

(1) T/R组件中ARM首先完成自检和初始化后，通过GPIO读取外部地址指示信号形成各自的设备ID。

(2) 对T/R组件的脉冲电流/电压、反射功率、激励功率、输出功率和温度等工作状态指标模拟量进行AD转换，打包形成组件的工作状态信息。

(3) 对监测指标设定合适的门限值，连续超出门限3次判定为有故障，点亮故障灯并采取保护措施，锁存故障时的指标数据，此时组件的数据参量被锁定，不再更新。

(4) 当接收到CAN轮询报文后将该组件的状态报文发送到CAN总线上。故检模块中的ARM在完成自检和初始化后启动一个定时器，每隔固定周期发送轮询报文到CAN总线上；当主节点收到T/R组件反馈回来的故障和状态报文后，按照组件设备ID进行排序，最后存储到数据缓冲器中，最终将数据缓存中的数据通过网络发送给上位机显控台。

2 工程应用

该系统应用于某雷达T/R组件故障检测。系统中CAN总线波特率为1 Mbps，组件数量为16个，设置主节点定时器周期为100 ms，轮询一次时间约1.6 s，满足系统设计指标要求。系统中CAN总线还可以完成对组件的控制，如开关电、频率变换、门限值更改、模式切换等。与传统的以太网通信方式相比，CAN总线布线简单，仅需要两条总线，采用差分传输，抗干扰能力较强，同时又减少了额外的网络设备资源，更有利于系统扩容，在更大规模的应用场景中具有较大优势。