基于CAN總線的水下機器人執(zhí)行節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

在設(shè)計一個基于CAN總線的通信系統(tǒng)時，確定CAN標(biāo)識符的分配非常重要，它關(guān)系到通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理性和傳輸效率的高低，是制定應(yīng)用層協(xié)議的一個重要研究內(nèi)容。本文在CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)幀格式的基礎(chǔ)上，根據(jù)水下機器人控制系統(tǒng)的需求特點制定了一個多幀傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議。協(xié)議中將11位信息標(biāo)識符按表1進行分配。

標(biāo)識符ID28-ID25定義為源地址，ID24-ID21定義為目的地址，這樣節(jié)點可以按優(yōu)先權(quán)高低由低向高分配地址，保證競爭中優(yōu)先權(quán)高的節(jié)點能先占用總線。相同目的/源地址的幀還可以通過標(biāo)識符ID20-ID19來調(diào)整優(yōu)先權(quán)，ID18的值用來區(qū)分多幀傳輸中起始幀(1)/普通幀(0)。

在標(biāo)識符分配中，一般保留一個地址作為數(shù)據(jù)廣播，另外不使用地址15，以避免標(biāo)識符前7位全為隱性位(邏輯1)。因此協(xié)議可以滿足不多于14個節(jié)點的需求。

表1　CAN幀信息和標(biāo)識碼定義

一般CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議習(xí)慣將流長度、多幀索引等信息放在數(shù)據(jù)場中，但這樣每一幀都浪費了若干個字節(jié)。因此本文將多幀傳輸?shù)南嚓P(guān)信息作為起始幀發(fā)出，而有效數(shù)據(jù)作為普通幀隨后發(fā)出。起始幀的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)見表2，傳輸號為本次多幀傳輸?shù)男蛱枺鏖L度為本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。

表2　起始幀(ID18=1)的數(shù)據(jù)域

普通幀的數(shù)據(jù)域?qū)τ脩羰峭该鞯?，可以根?jù)需要任意安排使用。

水下機器人總線上傳輸?shù)男畔⒖煞譃橐韵氯悾?1)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸命令，傳送為保證機器人正常運動所需要的傳感器信息，包括航行傳感器和任務(wù)傳感器等。(2)航跡控制命令。上述兩類命令按照一定時鐘節(jié)拍發(fā)送到總線上，一般發(fā)送航跡命令的節(jié)拍要比發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)的節(jié)拍慢。(3)特殊命令，例如出現(xiàn)緊急情況需要上浮等，此種命令是不定時發(fā)送的，發(fā)送的頻率也不是均勻的。

根據(jù)以上通信特點，在滿足功能要求的條件下，為了簡潔，協(xié)議規(guī)定命令均不超過8個字節(jié)，并使用2個字節(jié)來為命令編碼。節(jié)點間一次可能傳輸一個或多個命令。在本文制定的應(yīng)用層協(xié)議中，命令通過普通幀傳輸。

表3列舉了普通幀的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)，每個普通幀包含一個命令，其數(shù)據(jù)域前兩個字節(jié)為命令編碼，第三個字節(jié)存放本條命令的參數(shù)個數(shù)，后面為若干個參數(shù)的內(nèi)容。

表3　普通幀(ID18=0)的數(shù)據(jù)域

CAN程序設(shè)計
CAN軟件設(shè)計主要包括初始化函數(shù)、接收處理函數(shù)、發(fā)送處理函數(shù)、中斷處理函數(shù)等。

CAN通信的初始化工作主要包括操作模式設(shè)定、驗收濾波器設(shè)置、總線定時、管腳配置和中斷設(shè)置等幾項工作。需要注意總線上各節(jié)點的波特率必須一致，另外P1.0(RXDC)和P1.1(TXDC)必須設(shè)置為準(zhǔn)雙向模式。

CAN接收程序流程見圖4。中斷函數(shù)中負(fù)責(zé)接收CAN信息，并將對每個任務(wù)的描述及其所包含的命令插入隊列；而主循環(huán)中將各任務(wù)包含的命令從隊列取出，并且根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的運算或操作。使用隊列的好處是在執(zhí)行命令的同時中斷函數(shù)還可以接收新的命令，避免了同時讀寫通信緩沖區(qū)造成的沖突。

CAN的發(fā)送程序采用查詢方式，因為CAN總線本身提供了比較好的總線仲裁、錯誤檢測、錯誤標(biāo)定和故障界定功能，發(fā)送程序的設(shè)計比較簡單，這里不再過多贅述。

圖4　CAN接收處理程序

試驗與結(jié)論

執(zhí)行節(jié)點的工作對象為小型自治測量型水下機器人，低阻力流線型殼體，水中配成中性浮力，由一個三葉螺旋槳提供推力，水平舵和垂直舵各一對來控制航向與姿態(tài)，技術(shù)指標(biāo)見表4。

機器人先后完成了水上拖纜航行和無纜自治航行。試驗證明，本節(jié)點完全滿足自治水下機器人航行控制性能的高要求，并且具有實時性高、可靠性強、使用方便等優(yōu)點。在今后的工作中，還可以對執(zhí)行節(jié)點做進一步的改進，如更換高性能的微控制器，進一步提高節(jié)點的處理速度；采用嵌入式操作系統(tǒng)來提高節(jié)點的實時處理能力，從而使節(jié)點具備更高性能。

表4　水下機器人技術(shù)指標(biāo)