基于CAN通信的操纵信号通信控制器设计

作者：宋丽君 侯学智

来源：《科技创新导报》 2013年第30期

宋丽君 侯学智

（北京首都国际机场北京飞机维修工程有限公司 北京 100621）

摘要：该文介绍了一种基于CAN通信的操纵信号通信控制器，由主控板和电源板实现。主控板基于ETX模块，结合CAN总线模块、模拟量处理模块、离散量处理模块，实现了控制器的通信功能。电源模块对机上输入电源进行处理后，为主控板提供电源。此外设计及实施过程中考虑了电磁兼容性，完成了该通信控制器军用级产品化设计，保证了整个系统的高可靠性、高安全性及高环境适应性。

关键词：ETX模块 CAN总线 电磁兼容

中图分类号：TP393

文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2013)10(c)-0029-02

目前舰船的主要操纵控制信号包括离散量、模拟量及CAN总线信号，通信控制器需要实现将这些信号发送于显示器进行显示，同时转发给其他设备的功能。已有的实验方案为信号转发及显示功能均由PC104实现，该方案缺点为舰船上电压不稳时，PC104断电，引起通信功能中断。本设计由CPLD加ETX实现，电压不稳时，信号转发功能仍能由CPLD实现，同时ETX模块相比PC104，实现了核心功能，精简了多余功能，因此系统更为稳定。

1 系统总体设计

通信控制器通过多种接口形式（CAN总线、模拟量、开关量）与相应交联设备通信，完成对船舶操纵系统的状态采集及操控功能，同时将相关状态信息通过触屏设备输出。

控制器内部由主控板和电源板组成，如图1。

主控板采用ETX模块作为核心处理单元。整个硬件系统由标准接口和非标准扩展模块两大部分组成。标准接口主要包括VGA、键盘、鼠标、USB及以太网等多种计算机标准接口。非标准接口包括6个不同的子功能模块，分别是控制单元模块(CPLD)、离散量采集模块、离散量发生模块、模拟量采集模块、模拟量发生模块、CAN总线模块和外部同步时钟模块。这两个部分接口通过 ETX模块的ISA信号组连接，从而构成一个完整系统。

1.1 ETX模块

ETX模块处理来自功能板其他模块的数据信息，包括：对输入的模拟量作采样，对CAN模块输入的信息作解析，通过I/O口控制离散量数据,输出CAN数据及模拟量信息。并提供标准接口主要包括CF卡、VGA、USB、串口1和串口2、鼠标、键盘等多种计算机标准接口。

ETX模块选用控创公司的产品ETX-LX。ETX-LX是一款高集成和快速计算机模块，具有极低的功耗。该模块使用了AMD LX800处理器，适用于有限空间，无需使用主动散热的板卡。它还充分利用了全新ETX3.0规格的优点，拥有2个串行ATA端口。ETX-LX附带四个USB接口及一个网口，可满足键盘、鼠标、USB接口及网口的接口要求。ETX-LX提供两个SATA接口，本模块外接16G固态盘，提供强大的数据存储能力。

1.2 CAN总线模块

CAN总线模块电路主要由CPLD、CAN控制器、总线收发器及隔离器等组成。为了降低各种原因引起的收发器的电气损坏，采用CAN通信网络的冗余。电路中采用Philips公司生产的SJA1000控制器和与其配套的TJA1050收发器进行CAN通信，并按照CAN总线物理层协议选择总线介质，设计布线方案，连接成CAN网络。如图2。

CAN总线控制电路。CAN通信控制器SJA1000是CAN总线接口电路的核心[1]，通过它实现上位机与现场微处理器之间的数据通信，并完全支持CAN2.0B协议。SJA1000主要完成CAN的通信协议，而CAN总线收发器的主要功能是增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰（RFI），实现热防护等。其中SJA1000通过AD地址数据复用脚通过ISA总线接收来自ETX的数据，通过内置CAN控制器把数据转换成CAN信号。JS164245数字芯片用于完成SJA1000芯片与CPLD芯片间的电平转换，CPLD芯片用于CAN总线与ISA总线通信并模拟SJA1000的控制时序。

CAN收发器电路。TJA1050是CAN控制器与物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送和接收能力，与IS011898标准完全兼容，并具有抗瞬间干扰、保护总线的能力。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，在CAN控制器和CAN收发器之间采用光耦6N137进行隔离[2]。

（1）模拟量处理模块

模拟量采集采用AD620差分放大器进行数据采集，并通过16位的ADS8568器件进行模数转换，保证采样进度。

模拟量输出电路中采用DAC 8412作为数模转换芯片并经过一级运放后输出。

（2）离散量处理模块

开关量输入、输出电路的电气隔离用TLP627实现。TLP627的集极-发射极耐压VCEO=300V，最大输出电路IC=150mA，满足输出驱动要求。

电源板设计

电源设计时着重考虑以下要求：

1）采用模块化设计，使用成熟的电路提高产品可靠性；

2）间接防雷、尖峰抑制、瞬变抑制、欠压保护、储能设计；

3）EMC电磁兼容性设计；

按此要求设计的供电电源内部模块框图见图3所示。供电电源主要包括输入处理模块和供电模块2个部分组成。

（1）输入处理模块

输入处理模块对机上输入电源进行处理，处理内容主要包括防雷、防尖锋、浪涌、防反、滤波等几个部分。

所选用的压敏电阻MYG20G10K560的最大通流量为1000A，最大允许回路电压45V，压敏电压（50V～62V），能够满足防雷的设计要求。

所选用的浪涌抑制器能吸收80V/100ms的能量，并将输出电压钳制在24V，同时它具有良好的导通特性，线路损耗仅25mV/A的压降，发热小，同时该模块表现的失效模式为开路，同时浪涌抑制器输出也可以钳制600V/10us的尖峰电压。

(2)供电模块

供电电源模块选取VPT公司的产品，输入电压为15V～40V满足产品供电要求。DC/DC电源转器具有高可靠性，具有良好的电磁兼容特性和高抗干扰性，体积小且能实现高效运转，并且在-55℃～+125℃范围内能够正常工作，满足GJB181-1986的要求。DV系列的电源转换器的基本开关频率高于300kHz，内无噪声源，输入电压范围在24V左右，输出电流均大于额定输出电流，满足设计要求。

(1)电磁兼容性设计

产品从电磁屏蔽[3]、干扰滤波、印制板布线、电缆布线和有效接地等方面进行电磁兼容适应性设计。

①电磁屏蔽

从机箱结构、连接器、电缆等方面采取多种屏蔽措施，保证具有较高屏蔽效能的屏蔽机箱设计。

(a)机箱采用金属导电材料，最大程度地屏蔽外部对产品内部电路的辐射影响；保证机箱缝隙接触面之间的接触面积，使用合适数量的螺钉，并在机箱的接缝、过眼、开口、连接器与机箱连接处采取导电胶等屏蔽密封措施，保证机箱的屏蔽连续性。

(b)要求连接电缆束外部加装屏蔽金属网，屏蔽层用360°方法端接至电缆插头壳体处，保证外部电缆屏蔽层与电缆插头的导电连续性。电缆插头与设备插座之间、设备机箱与插座之间也做连续导电处理。数据通信总线采用屏蔽双绞线，敏感的弱电信号线也使用独立屏蔽线。

②干扰滤波

采用电源滤波来有效地抑制电源线上的干扰信号，对易受干扰的信号在硬件和软件上均进行滤波。

(a)根据设备的额定工作电压、电流和频率，选择合适的EMI电源滤波器，安装在电源线入口处，缩短引线长度，尽可能滤除沿着电源线入侵的电磁干扰，滤波器外壳与机箱屏蔽壳地之间有良好的搭接。

(b)采用瞬态干扰抑制器衰减线路上的浪涌电压信号。

(c)外部接口信号如RS232总线、CAN总线、开关信号等，根据不同信号类型在硬件上加滤波旁路电容。

③电缆及印制板布线

(a)电缆布线

将内部接线按电源输入线、电源输出线、通信线、开关信号线等进行分类，采用不同的连接器，并将内部导线按分类制作为不同的线束，进行合理布线。

(b)印制板布线

①元器件的位置按电源、数字及模拟电路、速度高低、电流大小等进行分组，以免相互干扰。

②增加印制线间的距离，易敏感信号印制线之间安插一条地线作为线间的隔离，减少导线环路面积，减少导线的长度，增加导线的宽度，印制布线平缓过渡，从而减少印制线路板对高频信号的感应、串扰和波形在传输中的畸变。

接地方式

接地类型有三种：屏蔽接地、滤波器接地和抗干扰接地，通过搭接来实现有效接地[4]。本电路中有四种地搭接：机壳地、屏蔽地、电源地和信号地（含数字地和模拟地）。

(a)机壳地：机箱壳体有搭接卡锁，使用搭接线将设备机壳地与飞机结构体有效电连接；EMI电源滤波器外壳和机箱壳体有效电连接。

(b)屏蔽地：信号需要屏蔽抗干扰接地时，在连接器上留有屏蔽地的位置，用连接器外壳作为屏蔽地。

(c)电源地、数字地、模拟地分开。电源的回线在设备内不能接机箱壳体。

2 结语

本论文设计的通信控制器由CPLD加ETX模块及其他专用通信模块实现系统通信功能，在设计过程及元器件选用时充分考虑了环境要求、电磁兼容性要求，系统设计满足相关国军标要求，适合于舰船、航空领域，有很好的实用价值。

参考文献

[1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：航空航天大学出版社,2001.

[2]邓婕.CAN总线通信原理分析[J].电子设计工程,2012（7).

[3]朱柯,郑建飞.电子产品的电磁兼容控制和设计[J].电子质量,2001(7）.

[4]陈伟华.电磁兼容实用手册[M].北京机械工业出版社,2000.