CAN總線(xiàn)在波動(dòng)仿生推進(jìn)器中的應(yīng)用

　　作為一種面向水下航行器的新型仿生推進(jìn)裝置，波動(dòng)仿生推進(jìn)器主要模擬依靠身體波動(dòng)式推進(jìn)的魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)方式，以單柔性長(zhǎng)鰭的波動(dòng)推進(jìn)為基礎(chǔ)，利用多背鰭之間的協(xié)同控制來(lái)產(chǎn)生推力、升力、偏航和俯仰力矩。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上，一個(gè)單柔性長(zhǎng)鰭由若干根鰭條組成，通過(guò)對(duì)這若干根鰭條進(jìn)行不同的配置，可以實(shí)現(xiàn)單柔性長(zhǎng)鰭不同的波形。而波形參數(shù)（波長(zhǎng)、波幅、波頻、波傳播方向等）的不同將直接影響到單柔性長(zhǎng)鰭所產(chǎn)生推力的大小。在研究初期，需要對(duì)單柔性長(zhǎng)鰭進(jìn)行靈活控制，以便確定推進(jìn)效率最優(yōu)的波形參數(shù)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種多電機(jī)獨(dú)立控制方案，即由一個(gè)電機(jī)控制一根鰭條，通過(guò)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單柔性長(zhǎng)鰭的波動(dòng)控制。

　　CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)，又稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，是Bosch公司在現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)中領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，也是一種串行通訊協(xié)議。其卓越的可靠性和傳輸?shù)母咚傩?，使它能夠有效地支持具有很高安全等?jí)的分布式實(shí)時(shí)控制。CAN總線(xiàn)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、智能大廈、環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域，從高速的網(wǎng)絡(luò)到通用的多路接線(xiàn)都可以使用。在汽車(chē)電子行業(yè)里，使用CAN總線(xiàn)連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、傳感器、防剎車(chē)系統(tǒng)等，其傳輸速度可達(dá)1Mbit/s。波動(dòng)仿生推進(jìn)器多電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通訊總線(xiàn)與汽車(chē)內(nèi)部總線(xiàn)有很多相似的特性，如都處于強(qiáng)機(jī)械震蕩、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境等，而且CAN總線(xiàn)在機(jī)器人內(nèi)部通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)有了許多成功的先例。因此在波動(dòng)仿生推進(jìn)器的內(nèi)部通訊總線(xiàn)設(shè)計(jì)中采用CAN協(xié)議。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　水下波動(dòng)仿生推進(jìn)器采用分級(jí)控制的思路，總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在岸上，以一臺(tái)IBM-PC機(jī)作為操控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)操縱命令的給定、彈載內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與可視化管理以及人機(jī)界面的功能。它通過(guò)RS-232總線(xiàn)連接到仿生推進(jìn)器內(nèi)部的主控上位機(jī)PC/104上。PC/104是仿生推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)控制的核心模塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)除底層電機(jī)控制模塊以外的所有上層控制算法，包括多電機(jī)的波形控制、姿態(tài)與深度測(cè)量、安全狀態(tài)監(jiān)控等。其中，多電機(jī)的波形控制是通過(guò)PC/104對(duì)底層若干個(gè)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)采用基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的串行通信協(xié)議，保證了通信的可靠性及實(shí)時(shí)性。

　　在本系統(tǒng)中，核心控制部分采用SBS公司的PC/104模塊，并通過(guò)該公司集成的基于PC/104的CSD-CAN總線(xiàn)控制器與波動(dòng)仿生推進(jìn)器內(nèi)部的各控制節(jié)點(diǎn)組成CAN通信網(wǎng)絡(luò)。在底層各電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)上，采用日本安川公司模塊化SGMAH04型交流伺服電機(jī)和相應(yīng)SGDM04ADA型伺服驅(qū)動(dòng)器。該伺服驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)自帶的RS-232串口（CN3）與數(shù)字操作器或者PC聯(lián)接，通過(guò)編碼器接頭（CN2）聯(lián)接編碼器至伺服電機(jī)，同時(shí)它還提供一個(gè)實(shí)時(shí)I/O端口（CN1）可與運(yùn)動(dòng)模塊MP910等或其它上級(jí)裝置聯(lián)接。向其I/O端口發(fā)送脈沖序列可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度和位置控制，向其串口發(fā)送命令指令可以獲取電機(jī)當(dāng)前的速度和位置信息。這樣，我們可以跳過(guò)最底層與電機(jī)接口部分的軟硬件開(kāi)發(fā)，而通過(guò)單片機(jī)直接對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。在各個(gè)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)上，研制相應(yīng)的CAN智能節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)與彈載上位機(jī)PC/104的通信。

　　波動(dòng)仿生推進(jìn)器中CAN網(wǎng)絡(luò)必須具備波形控制和狀態(tài)監(jiān)控兩大功能。對(duì)于該多電機(jī)系統(tǒng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，通過(guò)在PC/104中對(duì)這若干個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的調(diào)配來(lái)實(shí)現(xiàn)波動(dòng)仿生推進(jìn)器的波形控制功能。另外，各CAN節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本控制節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)電機(jī)的工作狀態(tài)，并將其返回給上位機(jī);同時(shí)，各CAN節(jié)點(diǎn)定時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)本身的工作狀態(tài)，利用CAN總線(xiàn)協(xié)議強(qiáng)大的錯(cuò)誤處理功能對(duì)各種可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行分析處理。

2CAN網(wǎng)絡(luò)的硬件方案

　　由圖1可知，各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)直接掛接于同一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)。它們的軟硬件組成結(jié)構(gòu)完全一致，硬件組成框圖見(jiàn)圖2。

　　系統(tǒng)中的各CAN節(jié)點(diǎn)采用的都是智能節(jié)點(diǎn)，即都由微控制器和可編程的CAN控制芯片組成。從圖2可以看出，各CAN節(jié)點(diǎn)電路主要由微控制器AT89C51、獨(dú)立CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器82C250、高速光耦6N137、撥碼開(kāi)關(guān)地址輸入電路、電源監(jiān)測(cè)與看門(mén)狗電路以及面向伺服電機(jī)的部分電路組成。
　　

　　由于采用了模塊化的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，各控制節(jié)點(diǎn)只需實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的伺服控制功能，故采用Atmel公司的8位單片機(jī)AT89C51作為微控制器。CAN控制芯片完成CAN的通信協(xié)議，主要由實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)協(xié)議的部分與實(shí)現(xiàn)與微控制器接口部分的電路組成，這里采用的是PHILIPS公司的SJA1000。它是一種獨(dú)立CAN控制器，具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作模式，其中PeliCAN模式支持具有很多新特性的CAN2.0B協(xié)議。82C250是高性能的CAN總線(xiàn)收發(fā)器，是CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)的接口，它對(duì)總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。通過(guò)對(duì)82C250的8號(hào)管腳的不同設(shè)置，可使其工作于高速、待機(jī)、斜率等三種模式。

　　撥碼開(kāi)關(guān)地址輸入電路用于對(duì)各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。上電后，單片機(jī)首先讀取撥碼開(kāi)關(guān)的數(shù)值，并在CAN初始化中將其寫(xiě)入SJA1000的接收代碼寄存器，作為該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)碼。電源監(jiān)測(cè)與看門(mén)狗電路采用的是MAX813，它在系統(tǒng)上電時(shí)刻提供上電復(fù)位功能，在程序運(yùn)行時(shí)提供看門(mén)狗監(jiān)測(cè)和電源監(jiān)測(cè)功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。