电子通讯

利用双层CAN总线实现数字式声纳系统的通信设计

2020-05-04 16:48

 

  随着数字式声纳系统的发展,声纳基阵越来越大,系统功能日趋复杂,一部现代声纳要对几十甚至几百的数据进行采集,大容量数据的远距离传输成为声纳设计的重要课题。以往采用的总线传输距离远、速度快,有较强的抗电磁干扰能力,已成为国际上应用最广的现场总线之一。CAN为多主方式工作,其节点分成不同的优先级,采用非仲裁技术,报文采用短帧结构,数据出错率极低,节点在错误严重的情况下可自动关闭输出。本系统利用双层CAN总线实现声纳

  本数据通信系统要同时对多区域、多单元的数据信息进行传输及管理控制,因此采用分层、分区域的思想实现通信。系统采用单片机中间控制器作为各采集区域的核心控制器,实现上下层间的数据交换。采集单元自身具有微控制器和存储器,既可作为系统的重要组成部分,参与系统功能的实现,也可作为单元来完成数据采集功能,即在系统出现通信等故障的情况下,采集单元仍可以实现数据采集功能,并进行数据存储,提高了系统的可靠性。单片机中间控制器是数据通信的区域控制器,提供上层网络和下层网络通讯的双接口。一方面通过底层网络(Bot-CAN Bus)与各个采集单元进行通讯,实现对本区域数据的传输与处理;另一方面通过上层网络(Top-CAN Bus)与上位机进行数据通讯,实现上位机对各个采集区域和采集单元的信息采集和控制。系统结构原理框图如图1所示。

  系统主要由上位机、单片机中间控制器PIC18F4580、CAN总线T、高速光耦HCPL0600、各采集单元等组成。接口包括采集单元的CAN总线接口、单片机中间控制器的双CAN总线接口和上位机的CAN总线接口。采集单元的CAN总线接口采用标准的CAN总线接口。上位机采用工业控制计算机,可通过CAN适配卡连接到CAN总线网络上。单片机中间控制器的双层CAN总线接口电是系统设计的关键,其原理框图,如图2所示。

  单片机中间控制器PIC18F4580自身就集成了一CAN控制器,该CAN总线与各采集单元进行通信。为了实现两的CAN总线,需要通过单片机的SPI口向外扩展一CAN控制器,该CAN总线实现与上位机的通信。

  eroChip生产的可编程CAN控制器芯片MCP2510,MCP2510是一种带有SH接口的CAN控制器,它支持CAN2.0A/B协议,并能够发送和接收标准及扩展的信息帧,同时具有接收滤波和信息管理的功能。MCP2510通过SPI接口与PIC18F4580进行数据传输,最高数据传输速率可达5 MB/s,PIC18F4580可通过MCP2510与CAN总线上的其他MCU单元通讯。MCP2510内含3个发送缓冲器、两个接收缓冲器,同时还具有灵活的中断管理能力,这些特点使得MCU对CAN总线的操作变得灵活简便。为提高系统的抗干扰能力,在CAN控制器和CAN收发器之间加入高速光耦HCPL0600,其数据传输速率为10 MB/s,隔离电压为2 500 V。CAN数据收发器选用Philips公司生产的TJA1040T,具有功耗低和电磁兼容性好的特点。使用MCP2510扩展CAN总线的接口电原理图,如图3所示。

  和SCK与MCP251O实现数据的接收与发送。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,MCP2510的TXCAN和RXCAN并不是直接与TJA1040的TXD和RXD相连,而是通过高速光耦HCPL0600连接,这样可实现总线上各CAN节点间的电气隔离。另外,CAN总线 Ω的电阻,其作用是匹配总线。实验证明,忽略匹配电阻的接入会使数据通信的抗干扰性以及可靠性降低,甚至无法实现数据通信。单片机与各采集单元之间的通信利用自身集成的CAN控制器实现,只需将高速光耦HCPL0600与PIC18F4580的CAN控制器部分直接接口即可,不再赘述。为方便系统测设,设置了3个发光管

  电源是通信系统的能量,电源电的可靠性和稳定性对系统能否正常工作起着至关重要的作用。为最大限度减小噪声和干扰,光耦部分采用的两个电源VCC与VDD必须完全隔离,否则采用光耦也就失去了意义。

  通信程序主要包括节点初始化程序、数据发送程序、数据接收程序以及CAN总线出错处理程序等。为便于移植和资源共享,系统软件设计采用C语言实现,软件遵循

  设计思想,采用结构化程序设计方案,使其具有良好的扩展性。在CAN通信过程中,初始化包括设置SPI接口的数据传输速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收过滤器和屏蔽器以及发送和接收中断允许标志位等。内部和外部CAN控制器在接收数据时采用中断方式,发送数据时采用查询方式。与内部CAN控制器不同的是,读、写MCP2510的发送和接收缓冲器必须通过SPI接口协议的读写命令来实现。写指令首先被发送到MCP2510的SI引脚,并在SCK的上升沿

  存每个数据位,然后发送地址和数据。指令执行完毕后,数据被写进指定的地址单元中,再通过SPI接口协议的写命令来设置发送位以启动发送。读操作时,首先将读指令和地址发送到MCP2510的SI引脚,并在SCK的上升沿锁存每个数据位。同时把存贮在这个地址单元中的数据在SCK的下降沿输出到SO引脚。当执行读写操作时,CS引脚应始终保持在低电平。外部扩展CAN总线软件设计的流程图,如图5所示。

  CAN总线协议有很好的错误校验措施,当硬件检测到数据在传送过程中发生错误时,会自动重新发送数据,当某一节点的错误严重时,总线会自动关闭该节点,且不影响其他节点的数据传送。

  为了验证系统数据采集及通信可靠性,分别对CAN总线上位机与各中间控制器节点、中间控制器与各采集单元节点进行实时仿真测试。仿线 m长屏蔽

  ,采用多种数据帧结构,选用总线 kB/s,传送数据域长度为8 bit的数据帧。分别进行上位机与节点的单帧和多帧通信。从主控状态显示情况来看,无数据传送出错和数据丢失现象,性能稳定,验证系统具有一定的可靠性。4 、结束语

  本文结合CAN总线在航海领域的应用状况,在研究CAN总线技术和PIC单片机功能的基础上,设计了一种基于双层CAN总线的声纳数据传输系统。本系统通过结合PIC18F4580内置CAN控制器及外扩展CAN控制器的方式,以具有双CAN总线接口的单片机中间控制器为核心,采用分级、分区域组合的思想实现两级、多区域数据信息的采集。系统充分融合了CAN总线传输距离远,传输速率高,抗干扰能力强的特点,通过实验检测,文中所提出的设计方案可行,完全满足声纳数据传输系统高稳定性、高可靠性的要求。系统不仅适用于船舶声纳数据的采集,而且可对CAN总线在航空领域的应用提供参考。

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  5是一款高度灵活的双降压控制器,内置栅极驱动器,可与多个配置的两个输入电源和一个或两个输出一起使用。该器件包含两个采用前馈电压模式控制方法的同步双NFET降压调节器所需的所有电。 NCP5425可以采用4.6至12伏的单电源供电,支持单相或双相单相输出。当用作双输出控制器时,第二个输出第一个输出的电压瞬变。支持低噪声应用的功率消隐以及的逐周期电流。该器件采用20引脚TSSOP封装,允许设计人员最小化PCB面积。 特性 4.6至13.2伏的操作 双同步降压设计 两个电源的可编程功率共享和预算 0.8伏+/- 1%低电压参考输出 1.5A峰值功率驱动 使用ROSC Pin对噪声敏用进行消隐 可编程频率,150 kHz至750 kHz操作 可编程软启动 周期间过流 可编程电流 快速瞬态响应的100%占空比 内部斜率补偿 控制器之间的异相同步 可配置为单相两相输出或两相单相输出 这些是Pb - 免费设备 输入欠压锁定 通过使用COMP Pins启用/关闭 电源排序 电图、引脚图和封装图...

  7和NCP1587A是低成本PWM控制器,设计采用5V或12V电源供电。这些器件能够产生低至0.8V的输出电压。这些8引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 NCP1587和NCP1587A提供1A栅极驱动器设计和内部设置的275kHz(NCP1587)和200kHz(NCP1587A)振荡器。栅极驱动器的其他效率增强特征包括自适应非重叠电。 NCP1587和NCP1587A还集成了外部补偿误差放大器和电容可编程软启能。功能包括可编程短和欠压锁定。 特性 优势 输入电压范围4.5至13.2V 多功能性 电压模式PWM控制 易于使用 0.8V +/- 1%内部参考电压 增强绩效 可调输出电压 多功能性 电容可编程软启动 易于使用 内部1A门驱动器 增强性能 可编程电流 易于使用 应用 终端产品 图形卡 台式计算机 服务器/网络 DSP和FPGA电源 DC-DC稳压器模块 DSP和FPGA电源 电图、引脚图和封装图...

  38是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81038包括两个降压开关控制器,通道2上固定5.0 V输出,通道1上3.3 V,两个板载LDO,三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81038支持高效率,快速瞬态响应并提供电力信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V 电图、引脚图和封装图...

  1 / NCP6151A双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)和DCR电流检测,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电图、引脚图和封装图...

  1S / NCP6151SA / NCP6131S / NCP6131SA双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电图、引脚图和封装图...

  48是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81148由两个降压开关控制器组成,通道2上固定5.0 V输出,通道1上为3.3 V,两个板载LDO具有三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81148支持高效率,快速瞬态响应并提供电力商品信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V. 电图、引脚图和封装图...

  40多相降压解决方案针对Intel VR12.5兼容CPU进行了优化,用户配置为4/3/2/1阶段。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动进行频率调整,同时保持出色的瞬态性能。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电图、引脚图和封装图...

  42多相降压解决方案针对具有用户可配置4/3/2/1相位的Intel VR12.5兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动调频,同时保持优异的瞬态性能。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。获得专利的动态参考注入无需在闭环瞬态响应和动态VID性能之间进行折衷,从而进一步简化了环补偿。获得专利的总电流求和提供高精度的数字电流。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电图、引脚图和封装图...

  0是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。它结合了高效,多相,同步降压开关稳压控制器和I 2 C接口,可实现关键系统参数的数字编程。 特性 优势 I 2 C 启用关键系统参数的数字化编程 快速增强型PWM弹性模式架构 出色的负载瞬态性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 游戏,桌面,服务器 电图、引脚图和封装图

  8是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。 NCP4208是一款高效,多相,同步降压开关稳压控制器,可帮助设计高效率和高密度解决方案。 NCP4208可编程为1,2,3,4,5,6,7或8相操作,允许构建多达8个互补降压开关级。 特性 优势 快速增强PWM 出色的负载转换性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 台式电脑,服务器 电图、引脚图和封装图

  9L是一款低成本PWM控制器,采用5 V或12 V电源供电。该器件能够产生低至0.8 V的输出电压,转换电压低至2.5 V.它易于操作,并提供最佳的集成度,以减小电源的尺寸和成本。它在斜坡脉冲调制模式下工作,可实现出色的负载阶跃和响应。除快速瞬态响应外,它还包括1.5 A栅极驱动器设计和轻载效率功能,如自适应非重叠电和二极管仿真。它通常在连续电流导通模式下工作在200~500 kHz范围内,在轻负载时随电流减小,以进一步节省功耗。功能包括可编程过流,输出过压和欠压以及输入欠压锁定。 特性 VCC范围4.5 V至13.2 V 可调节工作频率升压引脚工作电压为35 V 斜坡脉冲调制控制精密0.8 V内部基准电压可调输出电压内部1.5 A栅极驱动器输入欠压锁定可编程电流轻载中的自适应二极管模式仿真这是一个无铅设备 应用 图形卡台式电脑服务器/网络 DSP& FPGA电源 DCDC稳压器模块 电图、引脚图和封装图...

  11是一款高性能数字单输出三相VR12.5-6兼容降压解决方案,针对英特尔CPU应用进行了优化,可在高达5 MHz的频率下工作。 NCP81111还可用作通用I2C控制多相电压调节器。 NCP81111设计用于支持NCP81163数字相位倍频器IC,可将器件的功能扩展到6相,实现高电流处理。控制器包括真差分电压检测,差分电流检测,数字输入电压前馈,DAC前馈和自适应电压定位。 特性 会见英特尔® s VR12.5规格 用户配置的板载EEPROM 高性能数字架构 动态参考注入 全差动电压电流检测放大器 电流平衡的“无损耗”DCR电流检测 用于下垂的热补偿电感器电流 用户可调整的内部补偿 应用 终端产品 用于英特尔处理器的多相电压调节器 通用I2C控制多相调节器 台式电脑 笔记本电脑 服务器 电图、引脚图和封装图...

  9D是一款低成本PWM控制器,采用5 V或12 V电源供电。该器件能够产生低至0.8 V的输出电压,转换电压低至2.5 V.它易于操作,并提供最佳的集成度,以减小电源的尺寸和成本。它在斜坡脉冲调制模式下工作,可实现出色的负载阶跃和响应。除快速瞬态响应外,它还包括1.5 A栅极驱动器设计和轻载效率功能,如自适应非重叠电和二极管仿真。它通常在连续电流导通模式下工作在200~500 kHz范围内,在轻负载时随电流减小,以进一步节省功耗。功能包括可编程过流,输出过压和欠压以及输入欠压锁定。 特性 VCC范围4.5 V至13.2 V 可调节工作频率升压引脚工作电压为35 V 斜坡脉冲调制控制精密0.8 V内部基准电压可调节输出电压内部1.5 A栅极驱动器 80%最大占空比可编程电流轻载中的自适应二极管模式仿真这是一个无铅设备 应用 图形卡台式电脑服务器/网络 DSP FPGA电源 DCDC稳压器模块 电图、引脚图和封装图...

  9是一款低成本PWM控制器,采用5V或12V电源供电。这些器件能够产生低至0.8V的输出电压。这些8引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 NCP1579提供1A栅极驱动器设计和内部设置的275kHz振荡器。栅极驱动器的其他效率增强特征包括自适应非重叠电。 NCP1579还集成了外部补偿误差放大器和电容可编程软启能。功能包括可编程短和欠压锁定。 特性 优势 输入电压范围4.5至13.2V 多功能性 电压模式PWM控制 易用性 0.8V +/- 2.0%内部参考电压 增强绩效 可调输出电压 多功能性 电容可编程软启动 易用性 内部1A门驱动器 增强性能 可编程电流 易用性 应用 终端产品 STB Blue-Ray DVD 液晶电视 DSP和FPGA电源 DC-DC稳压器模块 STB 蓝光DVD 液晶电视 电图、引脚图和封装图...

  1589A或NCP1589B是一款低成本PWM控制器,设计采用5V或12V电源供电。该器件能够产生低至0.8V的输出电压。该器件能够将电压转换为低至2.5V。该10引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 特性 VCC范围从4.5到13.2V 升压引脚工作电压高达30V 电压模式PWM控制 精密0.8V内部参考 内部1.5A栅极驱动器 输入欠压锁定 可编程电流 应用 终端产品 图形卡 服务器/网络 图形卡 电图、引脚图和封装图...

  2是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8V的输出电压。 NCP3012提供集成栅极驱动器和内部设置的75kHz振荡器,能够与外部频率同步。 NCP3012具有外部补偿跨导误差放大器,内部固定软启动。 NCP3012将输出电压与电源良好引脚相结合,以系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180度异相时钟信号以驱动另一个NCP3012(主模式)。功能包括无损耗电流和短,输出过压和欠压以及输入欠压锁定。 NCP3012采用14引脚TSSOP封装。非常适合需要电源干扰最小的噪声敏用。 (医疗,网络等) 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 75 kHz操作 效率高 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加调节1 mA输出以供额外使用 电流和短 系统级 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压 增强的系统级 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 应用...

  1同步降压控制器IC旨在为14引脚SOIC中的板载DC-DC应用提供简单的同步降压稳压器。 NCP1581专为应用而设计,提供轨道输入。 NCP1581采用固定内部400 kHz开关频率工作,允许使用小型外部元件。该器件具有由外部电容设置的可编程软启动,欠压锁定和输出欠压检测,可在检测到输出短时锁定器件。电图、引脚图和封装图

  是一款1 / 3.2英寸CMOS有源像素数字图像传感器,像素阵列为4208H x 3120V。 AR1335数字图像传感器采用突破性的1.1μm像素技术,通过领先的灵敏度,量子效率和线性全阱提供卓越的低光图像质量。这使得图像质量可以与数码相机相媲美。 AR1335采用专注于低功耗的传感器架构和低Z高度的高射线角度(CRA),是智能手机和其他移动设备应用的理想选择。它集成了复杂的片上相机功能,如窗口,镜像,列和行跳过模式以及快照模式。它可通过简单的双线串行接口进行编程。 AR1335传感器可以高达每秒30帧(fps)的速度生成全分辨率图像,并支持高级视频模式,包括4K 30fps,1080P 60fps和720P 120fps。 特性 13MP CMOS传感器,采用先进的1.1μm像素BSI技术 数据接口:2,3和4通道MIPI 可用于MIPI的比特深度压缩:10-8和10-6以降低带宽 启用立体视频捕获的3D同步控制 6.8 kbits一次性可编程存储器(OTPM) 可编程控制器:增益,水平和垂直消隐,自动黑电平偏移校正,帧大小/速率,,左右和上下图像反转,窗口大小和平移 两个片上锁相环(PLL)振荡器,具有超低噪声性能 片上...

  1是一款同步降压控制器,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8 V的输出电压.NCP3011提供1.0 A栅极驱动器和内部设置的400 kHz振荡器。 NCP3011具有外部补偿跨导误差放大器,内置固定软启动。 NCP3011将输出电压与PowerGood引脚相结合,以系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180°异相时钟信号以驱动另一个NCP3011(主模式)。功能包括无损耗电流和短,输出过压和欠压以及输入欠压锁定。 NCP3011采用14引脚TSSOP封装。 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 400 kHz运行 效率高,体积小 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加1 mA输出 电流和短 系统级 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压 增强系统级 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 符合AEC-Q100和PPAP(NCV3011) 适用于汽车应用 应用 终端产...