CN108241590B - 一种应用于水下航行器的串行数据总线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于水下航行器的串行数据总线，其中，包括：第一类数据传输线，第二类数据传输线，第三类数据传输线；第一类数据传输线在传输数据时采用时分复用的方式；第二类数据传输线在传输数据时采用令牌轮询的方式；第三类数据传输线是CAN总线和以太网总线中的至少一种。本发明实现简单，能有效的满足水下航行器内各种信号的传输要求。

Description

一种应用于水下航行器的串行数据总线
技术领域
本发明属于水下航行体数据总线技术领域，特别涉及一种应用于水下航行器的串行数据总线。
背景技术
水下航行体在实际应用中有多种信号需要在各个功能段间传输，这些信号的传输需要通过总线来完成。总线就是要在一组电缆上对多路数字化后的信号进行多路传输，该组电缆从航行体的头部贯穿到尾部，在每个功能段上每芯导线具有相同的电气特性和定义。
水下航行体一般使用的总线有串行总线(RS232、RS485)、CAN总线和以太网总线。RS232串行总线传输速率低，一般用来传输慢变信号或者数据量不大的通讯信息；RS485串行总线传输速率高，可以用来传输高速信号，但每路信号都需要一对信号线传输，多路信号传输时需要使用多组信号线，造成总线组成复杂，信号相互干扰等问题；CAN总线和以太网总线传输速率高，但由于协议复杂，信号传输的实时性不高。总的说来单独使用上述总线不是传输速率、实时性达不到使用需求就是总线电磁特性差。
因此针对水下航行体的实际使用需求，设计一种构成简单、传输速率高、实时性好的总线形式是航行体数据总线技术领域一项重要问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种应用于水下航行器的串行数据总线。
根据一个方面，本发明的实施例提供了一种应用于水下航行器的串行数据总线，其中，包括：第一类数据传输线，第二类数据传输线，第三类数据传输线；第一类数据传输线在传输数据时采用时分复用的方式；第二类数据传输线在传输数据时采用令牌轮询的方式；第三类数据传输线是CAN总线和以太网总线中的至少一种。
在本发明的实施例中，应用于水下航行器的串行数据总线的接入节点的接口电路包括：微处理器、第一类数据传输线接口、第二类数据线接口、第三类数据线接口、跳线编码器、用户节点接口；第一类数据传输线接口包括RS485驱动模块以及时钟线；第二类数据传输线接口包括RS485驱动模块；第三类数据传输线接口是CAN总线驱动模块和以太网总线驱动模块中的至少一种。
在本发明的实施例中，在多个接入节点中，跳线编码器设定的编码为“0”的节点通过时钟线输出同步时钟信号，并使用此同步时钟信号输出数据；其它节点对于同步时钟信号进行延迟，然后使用延迟后的时钟信号输出数据，延迟对应于跳线编码器设定的编码。
本发明实现简单，能有效的满足水下航行器内各种信号的传输要求。
附图说明
图1为总线应用示意图。
图2为总线接入节点接口电路原理框图。
图中，1.微处理器；2.CAN驱动模块；3.RS485驱动模块；4.跳线编码器；5.用户节点接口模块。
具体实施方式
以下，结合附图和具体实施例对于本发明做进一步的说明。
图1是总线应用示意图。如图1所示，本发明提供的一种应用于水下航行器的串行数据总线包括：第一类数据传输线，第二类数据传输线，第三类数据传输线。第一类数据传输线在传输数据时采用时分复用的方式。第二类数据传输线在传输数据时采用令牌轮询的方式。第三类数据传输线是CAN总线和以太网总线中的至少一种。图中共有六个节点通过接口电路接入总线，分别使用第一类数据传输线，第二类数据传输线，第三类数据传输线。图中，以第三类数据传输线使用CAN总线为例进行说明。
第一类数据传输线，第二类数据传输线，第三类数据传输线分别用于传输三种信号：
1)第一类信号的特点是采样率高、实时性要求高，各节点有固定的收发关系，这类信号使用第一类数据传输线传输。通过接口电路上的跳线编码器区分节点的类型并给节点编号，发送节点在同一个同步信号的周期内通过时分复用的方法发送数据帧，接收节点有选择的接收所需的数据帧。
2)第二类信号的特点是采样率低、但实时性仍有很高的要求，这类信号使用第二类数据传输线传输。每个节点都有自己的地址。主节点向从节点发送数字令牌(一个特定的数据帧)，接收到令牌后该节点向总线上发送确认帧并发送数据帧，数字令牌在从节点中轮转。当某个节点故障或者离线时，它的前一节点未收到确认帧将自动把数字令牌发送到它的下一个节点。
3)第三类信号的主要特点是实时性要求不高，但在任何时间、任何节点都有可能向总线发送数据帧。可选用第三类数据传输线(例如应用成熟的CAN总线方式)来传输此类信号。
以水下目标声特性模拟器为例说明总线的工作方式。总线上传输的信号有数字前放输出至信号处理器的数字信号、信号处理器输出至功率放大器的数字信号、各路传感器采样信号以及命令信息和应答信息。前两个信号采用第一类数据传输线，分别通过I a、I b通道传输，各路传感器采样信号采用第一类数据传输线通过II通道传输，命令和应答信号采用第三类数据传输线(CAN方式)通过CAN总线传输。
模拟器上布置有多个接收换能器(用户节点)，每个换能器配有一个前置放大器，它们的输出要送至不同的信号处理器和信号记录器。如图1所示，前置放大器、信号处理器和记录器通过接口电路连接I a通道的A、B、SYN三根信号线。通过跳线编码器设定的时域编码为“0”的放大器节点通过SYN输出200kHz的同步信号，并以此信号为自身数据的发送时钟向总线发送数据(通过A、B两芯差分输出)。其他放大器节点根据自己的时域编码对同步信号进行延时处理，产生自身数据的发送时钟向总线发送数据。信号处理器节点和记录器节点接收总线上的所有数据，根据接收信号与同步信号的时间差区分来自不同节点的数据。经过信号处理器处理的信号要输出至不同的数字功率进行放大，我们使用I b通道来传输这类信号，使用和I a相同的方法将数据从不同的信号处理器发送至各个数字功放，用来驱动相应的发射换能器。
各路传感器、控制处理器和记录器分别通过接口电路连接II通道的A、B两根信号线，每个节点都有自己的地址。控制微机作为主节点向传感器节点发送数字令牌，传感器节点接收令牌后发送确认帧和数据帧。令牌在传感器节点间轮转，实现对各传感器数据的采集和记录。
各节点通过接口电路连接CAN通道的CANH和CANL两根信号线完成命令及应答信息的交互。
本设计提供了一种用于水下航行器的串行数据总线的设计方案。针对水下航行器实际应用中在总线上传输信号的特点将传输信号分为3种类型。分别对每种类型的信号提出具体的信号传输方法。通过设计专用的接口电路，并使用串行传输、信号同步以及总线时分复用的方法，实现使用少量的信号线完成多种信号在航行器上的高速传输，同时总线上的通讯节点个数可以在允许范围内自由增加或者减少。
针对采样率高、实时性要求强的高速信号采用时分复用总线的方式进行传输，针对采样率低的传感器信号采用令牌轮询的传输方式进行传输；针对通讯信号则采用通用的CAN总线进行传输。
具体而言，时分复用总线传输方式设计，可以是对各个输出节点进行时域编码，对节点的数据通过一对差分信号线在不同的时间段有序传输，编码可以通过接口电路上的跳线编码器完成。
具体而言，令牌轮询传输方式设计，可以每个节点都有自己的总线地址，主控制节点向一个从节点发送“令牌”(特殊的数据帧)，接收到“令牌”的节点向总线发送包含节点地址信息的数据帧，“令牌”在从节点间轮询完成多节点的数据传输。
总线由数组带屏蔽双绞导线构成，通过设计总线接入节点接口电路，使得产品的各个用户节点与总线相连，实现数据的传输。
图2为总线接入节点接口电路原理框图。图中，总线接入节点接口电路由微处理器1、CAN总线驱动电路2、RS485驱动模块3、跳线编码器4及用户节点接口5构成。
微处理器1，微处理器内部通过软件实现同步控制模块、收发控制模块、数据接收模块和数据发送模块，完成总线上数据的收发时序控制；用于数据传输时序控制、与用户节点数据传输控制、驱动模块控制等；CAN驱动模块2，实现CAN底层协议，实现CAN信息的传输；RS485驱动模块3，实现RS485电气接口，实现数据的传输；跳线编码器4，用于节点的编码；用户节点接口模块5，实现与不同用户节点的接口，完成数据的交互。
总线接入节点接口电路兼容三种不同的数据传输方式。用户节点通过接口电路与总线相连，实现不同种类数据的传输。节点数可根据需要进行增减。
接口电路使用基于FPGA的硬件构架，通过倍频可产生近200MHz的系统时钟。驱动芯片使用高速RS485接口芯片(传输速率可达100Mbps)，物理层满足RS485口的电气特性和传输协议，使用第一类数据传输线、第二类数据传输线传输时，单通道传输速率可达80Mbps，可支持的发送节点数不小于10个。CAN方式传输，满足CAN 2.0协议，传输速率可达1Mbps。
本设计方案，实现简单，能有效的满足水下航行器内各种信号的传输要求。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种应用于水下航行器的串行数据总线，其特征在于：包括：第一类数据传输线，第二类数据传输线，第三类数据传输线；第一类数据传输线在传输数据时采用时分复用的方式；第二类数据传输线在传输数据时采用令牌轮询的方式；第三类数据传输线是CAN总线和以太网总线中的至少一种；
应用于水下航行器的串行数据总线的接入节点的接口电路包括：微处理器(1)、第一类数据传输线接口、第二类数据线接口、第三类数据线接口、跳线编码器(4)、用户节点接口(5)；
第一类数据传输线接口包括RS485驱动模块以及时钟线；
第二类数据传输线接口包括RS485驱动模块；
第三类数据传输线接口是CAN总线驱动模块和以太网总线驱动模块中的至少一种；
在多个接入节点中，跳线编码器(4)设定的编码为“0”的节点通过时钟线输出同步时钟信号，并使用此同步时钟信号输出数据；
其它节点对于同步时钟信号进行延迟，然后使用延迟后的时钟信号输出数据，延迟对应于跳线编码器(4)设定的编码；
微处理器(1)包括同步控制模块、收发控制模块、数据接收模块和数据发送模块，用于完成总线上数据的收发时序控制、数据传输时序控制、与用户节点数据传输控制、驱动模块控制。
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