基于CAN總線(xiàn)的水下機(jī)器人執(zhí)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN總線(xiàn)的通信系統(tǒng)時(shí)，確定CAN標(biāo)識(shí)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(gè)重要研究?jī)?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(jī)器人控制系統(tǒng)的需求特點(diǎn)制定了一個(gè)多幀傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議。協(xié)議中將11位信息標(biāo)識(shí)符按表1進(jìn)行分配。

標(biāo)識(shí)符ID28-ID25定義為源地址，ID24-ID21定義為目的地址，這樣節(jié)點(diǎn)可以按優(yōu)先權(quán)高低由低向高分配地址，保證競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)先權(quán)高的節(jié)點(diǎn)能先占用總線(xiàn)。相同目的/源地址的幀還可以通過(guò)標(biāo)識(shí)符ID20-ID19來(lái)調(diào)整優(yōu)先權(quán)，ID18的值用來(lái)區(qū)分多幀傳輸中起始幀(1)/普通幀(0)。

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

表1　CAN幀信息和標(biāo)識(shí)碼定義

一般CAN總線(xiàn)的應(yīng)用層協(xié)議習(xí)慣將流長(zhǎng)度、多幀索引等信息放在數(shù)據(jù)場(chǎng)中，但這樣每一幀都浪費(fèi)了若干個(gè)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(jiàn)表2，傳輸號(hào)為本次多幀傳輸?shù)男蛱?hào)，流長(zhǎng)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?hù)是透明的，可以根據(jù)需要任意安排使用。

水下機(jī)器人總線(xiàn)上傳輸?shù)男畔⒖煞譃橐韵氯?lèi)：(1)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸命令，傳送為保證機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)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(lèi)命令按照一定時(shí)鐘節(jié)拍發(fā)送到總線(xiàn)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(shí)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(diǎn)，在滿(mǎn)足功能要求的條件下，為了簡(jiǎn)潔，協(xié)議規(guī)定命令均不超過(guò)8個(gè)字節(jié)，并使用2個(gè)字節(jié)來(lái)為命令編碼。節(jié)點(diǎn)間一次可能傳輸一個(gè)或多個(gè)命令。在本文制定的應(yīng)用層協(xié)議中，命令通過(guò)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(gè)普通幀包含一個(gè)命令，其數(shù)據(jù)域前兩個(gè)字節(jié)為命令編碼，第三個(gè)字節(jié)存放本條命令的參數(shù)個(gè)數(shù)，后面為若干個(gè)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(jì)
CAN軟件設(shè)計(jì)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(yàn)收濾波器設(shè)置、總線(xiàn)定時(shí)、管腳配置和中斷設(shè)置等幾項(xiàng)工作。需要注意總線(xiàn)上各節(jié)點(diǎn)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(jiàn)圖4。中斷函數(shù)中負(fù)責(zé)接收CAN信息，并將對(duì)每個(gè)任務(wù)的描述及其所包含的命令插入隊(duì)列；而主循環(huán)中將各任務(wù)包含的命令從隊(duì)列取出，并且根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算或操作。使用隊(duì)列的好處是在執(zhí)行命令的同時(shí)中斷函數(shù)還可以接收新的命令，避免了同時(shí)讀寫(xiě)通信緩沖區(qū)造成的沖突。

CAN的發(fā)送程序采用查詢(xún)方式，因?yàn)镃AN總線(xiàn)本身提供了比較好的總線(xiàn)仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤標(biāo)定和故障界定功能，發(fā)送程序的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，這里不再過(guò)多贅述。

圖4　CAN接收處理程序

試驗(yàn)與結(jié)論

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的工作對(duì)象為小型自治測(cè)量型水下機(jī)器人，低阻力流線(xiàn)型殼體，水中配成中性浮力，由一個(gè)三葉螺旋槳提供推力，水平舵和垂直舵各一對(duì)來(lái)控制航向與姿態(tài)，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

機(jī)器人先后完成了水上拖纜航行和無(wú)纜自治航行。試驗(yàn)證明，本節(jié)點(diǎn)完全滿(mǎn)足自治水下機(jī)器人航行控制性能的高要求，并且具有實(shí)時(shí)性高、可靠性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在今后的工作中，還可以對(duì)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)做進(jìn)一步的改進(jìn)，如更換高性能的微控制器，進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)的處理速度；采用嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)提高節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)處理能力，從而使節(jié)點(diǎn)具備更高性能。

表4　水下機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)