助降灯光控制系统实验.docx
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助降灯光控制系统实验
一、国内外发展现状
大型船舶是当今最具综合战斗力的海上平台,拥有强大的作战能力。
而对其来说,舰载机是其攻击的主要武器,正是依靠舰载机的强大作战能力,大型船舶编队才能在辽阔的大洋上形成巨大的威慑力。
舰载机弹射起飞安全性很高,真正的考验在着舰的过程。
从空中看,大型船舶就像漂浮在汪洋大海上的一片树叶,着舰时飞行员需要从很远处发现它,以确认着舰装置的状态。
和白天相比,黑夜中着舰危险系数更高。
所以一套完善而稳定的助降灯光系统对于舰载机安全着舰是很必要的。
助降灯光系统是个庞大的系统,要对几百个不同类型的灯具进行开关、调光、故障检测,传递的信息虽然不多,但需要考虑一个可靠性的问题。
一般的灯光系统可以采取CAN总线进行通讯,CAN总线是具有高可靠性的串行总线,对于一般的灯光系统可以满足要求。
现在新兴起来的网络通讯,通过以太网作为通讯介质,这样可以挂接更多的灯具,通讯速度也可以有很大程度的提高。
并且通过网络可以进行在线的升级软件,只要其它设备有网口,就可以在连接到网络上,使系统具有很好的扩展性和维护性。
二、系统结构及工作原理
2.1助降灯光控制系统组成
图1助降系统网络示意图
整个系统由助降灯光控制装置、遥控盒、CAN总线网络、节点灯具、复示盒等组成,其中助降灯光控制装置由显控盒、PC104模块、驱动板组成。
遥控盒与助降灯光控制装置都可以对灯具进行控制,但遥控盒控制优先级高于助降灯光控制装置优先级。
当遥控盒切换按钮按下时,遥控盒通过CAN总线把控制命令传送至助降灯光控制装置的显控盒,从而可控制所有灯具,此时助降灯光控制装置显控盒的显控操作板仅可显示灯具的工作状态信息(显控操作板控制命令无效)。
当遥控盒切换按钮未按下时,遥控盒仅可控制指挥信号灯和放飞灯并显示所有灯具的工作状态,而此时助降灯光控制装置可控制除指挥信号灯和放飞灯之外的所有灯具。
2.2显控盒
显控盒主要由显控操作板与与显控电路板组成。
显控操作板用于灯具的开关信息、调光信息、键盘设定信息的输入,而操作板上的灯具指示器及蜂鸣器则用来实现声光报警功能。
显控电路板主要完成从操作板上读取控制命令,并对操作板上的工作状态指示灯以及鸣音器送驱动信号的任务。
显控电路板的主控芯片采用单片机AT89S52,辅以各种I/O接口电路完成系统功能,其组成原理图如图2所示。
图2显控电路板原理图
输入信号经54HC244缓冲器后读入单片机内,而输出驱动经过54HC573的锁存后,经过TIL113光耦送出驱动信号。
显控电路板读入控制命令后将控制命令存储。
为了便于键盘的管理,系统设计采用专用的键盘管理芯片8279进行管理。
显控电路板在助降灯光装置中还起对外接口管理的作用(以太网除外),如以后系统需加入与其他设备装置的通讯,优先考虑在显控电路板中实现此功能。
显控电路板中有2路CAN通信接口电路,一个用于与PC104模块与控制箱中的驱动板组成一级CAN总线,一个用于连接遥控盒进行通信,接收遥控盒传来的控制信息,反馈遥控盒节点灯具的状态信息,并根据遥控盒的控制权设定来决定控制方式,显控电路板与遥控盒的CAN通信电路可根据需要进行冗余设计。
目前,调光信息输入电路的设计有两种方案,一种是基于比较器的,采用LM124,根据输出的数字量可方便地实现三档调光,缺点是当调光个较多时,需要较多的器件,另一种方案是使用AD器件,采用ADC0809,根据调光旋钮输入的电压会值进行AD转换,然后在单片机中利用程序设定三档调光的阈值,使用较为灵活。
助降灯光控制装置节点灯具控制与信息显示的中枢,需要对灯具的各种状态有较敏感的反应,因此设定当一组灯具中,只要有一个灯具的状态不正常,包括断路、短路、总线状态不正常,则此组灯具的指示灯就以1Hz的频率进行闪烁,并进行蜂鸣器声报警,至于是哪一只灯,具体是何种故障则可到液晶显示器上进行详细信息查找。
2.3PC104
PC104模块是助降灯光控制装置的重要组成部分,其重要性表现在:
PC104模块控制节点灯具的信息输出;
PC104模块与控制箱中的驱动板及显控盒组成一级CAN总线网络,且为一级CAN网络的主控节点;
PC104模块可以控制以太网接口,从而决定T型灯的输入信息;
在PC104平台上可以进行多种嵌入式操作系统开发,出于开发周期、成本等多方面考虑,决定采用WINDOWS 2000操作系统,在此基础上利用VisualC++6.0进行软件程序开发,其程序开发主要包括以下几个方面:
1.CAN通信模块开发
PC104模块、控制箱中10块驱动板、显控盒构成一级CAN网络,其中共有12个CAN节点,PC104模块作为一级CAN网络的主控节点,而10块驱动板和显控盒则作为从节点,即PC104模块分别对驱动板和显控盒进行轮询,读入显控盒的控制信息,进行处理后再转发给各驱动板,而各驱动板的状态信息也被PC104模块读入,给处理后再发送给显控盒,用作实现显控盒声光报警的信息依据。
显控盒和驱动板虽然都处在一级CAN网络中,但它们并不直接进行通信,必须经过PC104模块进行中转,这主要是由于一级CAN网络各节点通信都采用查询工作方式,为了减少总线的冲突及提高程序流程的简易性,采取设定PC104为CAN网络主控节点的方法。
PC104模块利用基于PC104总线的扩展卡A3-CSD来实现CAN通信,A3-CSD有两个CAN通信接口,目前方案只利用其中一个进行通信。
2.信息处理程序模块开发
信息处理程序模块主要用于处理所接收到的显控盒的控制信息及驱动板的节点灯具状态信息。
显控盒的控制信息包括灯具的开关信息、调光信息及设定键盘的按键信息。
节点灯具状态信息包括灯具的断路信息、短路信息、CAN总线信息。
信息处理程序模块根据接收到的显控盒的控制信息,判断出本次信息与上一次所接收信息相比较,是否发生变化,如果发生变化则将控制信息发送给相应的驱动板,如果没有变化则不进行信息的传递,以此来减少一级CAN总线网络上的数据流量。
同理,信息处理程序模块也根据收到驱动板传来的状态信息,判断出本次信息与上一次所接收信息相比较,是否发生变化,如果发生变化则将状态信息发送给显控盒,如果没有变化则不进行信息的传递。
3.显示模块程序开发
以VisualC++为开发平台,利用MFC类库可以很方便地进行显示模块程序的开发,方案设定所采用的液晶显示器采用分辨率为1024×768,设定汉字显示大小为16×16,则每一屏可以显示64×48个汉字,可以进行多个节点灯具的状态信息显示。
4.以态网通信模块开发
SCM/LX-3160集成了两个Intel8255X以太网控制器,英特尔公司生产的8255X以太网控制器是一个完整集成的10/100Base-TXLAN解决方案。
它由媒体存取控制器MAC和物理层PHY接口结合成单一部件的解决方案构成。
8255X可在全双工或半双工模式下工作。
在全双工模式下,82559遵循IEEE802.3x流控制规范。
半双工的性能通过一个冲突减小机制加强。
8255X中的CSMA/CD单元使得它能与10或100Mbps的以太网相连接。
CSMA/CD单元具有802.3协议的所有功能,例如帧格式化、帧剥离、冲突处理、延期连接通道等。
2.4驱动板
驱动板主要完成以下任务:
接收来自PC104板的控制命令;通过CAN总线对灯具发送控制命令;接收灯具的工作状态信息(短路信息、故障信息);判断灯具的总线工作状态(CAN总线正常、CAN总线故障)。
驱动板的主控芯片为单片机,控制三个CAN通信接口电路,其中两个用于与节点灯具的通信,属于二级CAN网络,另一个则用于PC104模块通信,属于一级CAN网络。
驱动板原理如图3所示:
图3驱动板原理图
硬件电路的设计主要是CAN通信控制器与单片机之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的设计。
CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心,而CAN总线收发器的主要功能是完成CAN的通信协议,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。
本电路中AT89S52是一款性能价格比适中的中低档单片机,SJA1000作为独立的CAN控制器,PCA82C250作为收发驱动器。
AT89S52单片机用一个24Mhz的石英晶体振荡器,SJAl000用一个16Mhz的石英晶体振荡器提供。
SJAl000的中断输出接AT89S52的中断1。
便于单片机与CAN控制器交换数据。
TXl不用,浮空即可,但RXl不能浮空,如图示。
由于CAN总线是一种多主的、平衡的、串行通信协议,因此,硬件上必须考虑CAN控制器与单片机的中断接口,这样软件设计上,数据接收,用中断方式,才能做到数据的实时接收,数据不丢失。
图4驱动板流程图
2.5遥控盒
遥控盒由遥控操作板与遥控电路板组成,遥控盒与助降灯光控制装置中的显控盒功能和原理基本相同,其不同处在于:
Ø遥控盒的控制优先级高于显控盒,且可由遥控盒进行控制权的切换;
Ø遥控盒可以对所有灯具进行控制,而显控盒不能控制指挥信号灯与放飞灯;
Ø遥控盒当大部分灯具出现故障时,才进行声光报警,而显控盒只要有一只灯具工作不正常即进行声光报警;
Ø遥控盒通过LCD进行摩尔斯码设定信息、横摇角设定信息、升沉速度设定信息的可视化表达,而显控盒是将信息传递给PC104模块,通过VGA接口在液晶显示器是进行显示;
图5遥控电路板原理图
2.6复示盒
复示盒用于监控放飞灯及指挥信号灯的工作状态,无控制命令。
复示盒上有四个工作状态指示灯、一个蜂鸣器、一个试灯及消音按键。
复示盒硬件电路设计及实现技术相对成熟,不做详细描述。
2.7节点灯具
2.7.1LED灯具工作原理
LED灯具通过CAN总线与其对应的驱动板通讯,接收并执行其对应驱动板的控制命令,能够进行灯具的短路检测及故障检测并将灯具的工作状态信息发送至其对应的驱动板。
为了减少灯具所占用的空间,LED灯具控制部分采用分层设计方法,即将LED控制电路与驱动电路分布在两块印制电路板上,两块板之间通过欧式插件进行连接,LED控制电路主要包括单片机系统、CAN通信接口电路、I/O信息接口电路等,LED驱动电路主要包括电源模块、LED专用驱动芯片及其外围电路、应急控制电路等。
图6LED灯具原理
图7冗余CAN通信原理图
大功率LED采用专用的驱动芯片TLE4242G驱动。
该芯片是可调的恒流驱动芯片最大电流可达500mA,能承受最大驱动电压是42V,内部有短路保护,并且具有专用的断路检测电路,直接给出LED回路是否发生断路的检测信息,极大地方便了硬件电路的设计。
图8LED驱动电路
LED灯具驱动电路连接如图8所示。
大功率LED接在LED+和LED-两端,亮度控制信息PWM波形从2端口输入,3端口输出为故障信息,7端口输出为短路信息。
亮度信息PWM波形由单片机PWM模块来产生,而P3.4管脚则能实现对灯具的开关控制,当需要灯具熄灭时将P3.4管脚置1,点亮时则将P3.4管脚清零。
卤钨灯灯具的驱动是通过光耦来驱动双向可控硅来实现的;灯具的故障检测是通过检测灯具上流过的电流并与阈值相比较后得到的;灯具的短路检测通过单片机发送短路检测命令使灯具连接到短路检测桥上,经过比较得到短路信息。
同步调光模块是通过对2.5V交流信号产生同步锯齿波来实现的。
卤钨灯灯具控制部分同样采用分层设计方法,将卤钨灯控制电路与驱动电路分布在两块印制电路板上,两块板之间通过欧式插件进行连接,卤钨灯控制电路主要包括单片机系统、CAN通信接口电路、I/O信息接口电路、调光控制电路、电源模块等,卤钨灯驱动电路主要包括卤钨灯驱动电路、应急控制电路等。
这样分布的好处是将灯具的控制部分的弱电与强电分开,有利于提高系统的可靠性。
图9卤钨灯工作原理
三、CAN总线网络
控制器局部网CAN(ControlAreaNetwork,),属于现场总线的范畴,是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络,最初是由德国BOSCH公司为汽车的监测和控制而设计的,后来逐步发展到用于其他工业部门的控制。
其应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络等控制领域,目前CAN总线已经形成国际标准化组织的ISO11898标准。
CAN属于总线式串行通信网络,由于其采用了许多新技术及独特的技术,与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
CAN总线网络是整个系统数据流通的基础,即包括CAN总线转接箱、CAN中继器、通信电缆(屏蔽双绞线)、通信节点等物质载体,也包含通信策略设定等“软”方面的研究。
根据前面所述,CAN总线网络可分为一级CAN总线网络与二级CAN总线网络。
一级CAN总线网络由PC104模块,控制箱中的驱动板及显控盒组成,由于同在控制台体内,总线长度较短,故总线波特率可以设置的较高,目前计划为200Kbps,以便于各模块间高速的数据交换。
驱动板与其所控制的节点灯具则组成二级CAN网络,由于通信距离过长,其总线波特率较低,目前为10Kbps。
3.1CAN总线高可靠性
在工作过程中控主控节点(即各个驱动板)将控制命令信息通过CAN总线发送至受控节点(即节点灯具),而受控节点将节点的工作状态信息通过CAN总线发送至主控节点。
一条报文的传输需要节点和CAN总线物理网络,而报文的传输形式则是由通讯协议决定。
因而该CAN总线网络传输系统中从总线拓扑结构、通讯协议以及节点这三个方面考虑提高CAN总线网络传输的可靠性。
3.2CAN总线拓扑
在该CAN总线网络传输系统中,采用主备冗余CAN总线环形网络的拓扑结构,如图10所示(最多34个节点,图示最多节点拓扑结构)。
之所以采用环形的拓扑结构,是因为若环路一处发生意外断裂情况时,各节点之间仍然能保证物理层的连接,可提高网络通讯的可靠性能。
采用主备冗余的CAN总线网络是为了保证主CAN网络发生故障时,备CAN网络实现自动切换。
图10CAN总线网络拓扑结构
3.3通讯协议
标识符ID的分配
系统采用PeliCAN模式下的标准帧格式。
根据设备使用的优先级分配ID如表1。
表1 ID分配
网络
节点名称
ID号
一级CAN网络
PC机
0
显控板
1
驱动板1~5
2~6
二级CAN网络
驱动板1~5
0~4
节点灯具5~N
5~N
通讯协议的制定
系统各部分之间通讯关系如图11。
图11 各部分信息传递示意图
由于篇幅限制,这里之以驱动板与节点灯具作为设计的重点。
二者之间信息量较小,数据帧就定义2帧,第一帧为帧类型,第二帧为控制信息,驱动板->节点灯具详细协议见表2,节点灯具->驱动板详细协议见表3。
表2 驱动板->节点灯具数据帧定义
序号
字节
位号
内容
备注
信息
1
帧类型
0
BIT.0
1
BIT.1
0001控制命令帧
2
BIT.2
0010轮询帧
3
BIT.3
0011工作状态应答帧
4
保留
0100控制命令请求应答帧
5
保留
6
保留
7
保留
2
控制信息
0
调光信息
调光信息:
00一档
1
调光信息
01 二档
2
保留
11三档
3
保留
4
开关信息
开关信息:
0关闭1开灯
5
保留
6
保留
7
保留
表3 节点灯具->驱动板数据帧定义
序号
字节
位号
内容
备注
信息
1
帧类型
0
BIT.0
1
BIT.1
0101工作状态帧
2
BIT.2
0110轮询应答帧
3
BIT.3
0111控制命令应答帧
4
保留
1000控制命令请求帧
5
保留
6
保留
7
保留
2
状态
信息
0
灯泡1短路状态
故障状态:
0正常
1
灯泡1故障状态
1故障
2
灯泡2短路状态
短路状态:
0正常
3
灯泡2故障状态
1短路
4
灯泡3短路状态
5
灯泡3故障状态
6
灯泡4短路状态
7
灯泡4故障状态
四、系统改进
4.1电路改进
CAN系统危害很大的干扰是瞬间干扰,它的特点是时间短、幅值大、功率小。
瞬态干扰的形式有:
电机状态改变时产生的电快速脉冲群干扰,雷电或大功率开关在电缆上产生的浪涌,静电放电感应等。
传导干扰以共模形式居多,也有部分差模干扰。
CAN总线电缆是传导干扰传播的一个重要途径,在系统中为保证CAN总线通讯的可靠性而使用的EMC措施有:
LC滤波器、瞬态抑制二极管TVS、光电隔离。
1、LC滤波器:
在电路板的电缆入口处安装LC滤波器可以滤除CAN总线电缆中传导的各种高频干扰信号。
LC滤波器电容并联在CAN通讯信号线和信号地线之间,滤除高频差模干扰电流,也称旁路电容。
电感串联在信号线上,抑制共模干扰电流,使用共模扼流圈可以避免电感在流过较大电流时发生饱和,导致电感量下降。
所有的信号线都要安装滤波器,否则整体性能会大大下降。
LC滤波器中电感量和电容量的选择对滤波器的效果影响很大,如果电容和电感选择过小,则效果不明显,如果选择过大,会使工作频率信号衰减,引起信号失真。
在应用中,CAN总线最高的波特率为1MBit/s,所以电容的容值选择1000pf,电感选用10uH的铁氧体磁珠。
LC滤波器在电路中的连接如图3.1所示。
2、
瞬态抑制二极管TVS
TVS管是一种新型的半导体保护器件,并联在电路中实现电路过压保护。
TVS管的原理是利用二极管的雪崩效应,当电压达到击穿电压时,TVS管进入伏安特性的雪崩击穿区,流过TVS管的电流急剧增大,而TVS管两端的电压几乎不变,从而使电流旁路并使电压钳位在被保护的电路能经受住的范围内。
TVS管分为可控硅模式和钳位模式,钳位模式TVS管主要应用于电源端口的雷击浪涌保护,可控硅模式TVS管主要应用于信号线雷击浪涌信号的防护。
瞬态抑制二极管并联在信号线和地之间,用来保护电缆受到雷击或静电放电时产生的浪涌高压。
当TVS上的电压超过一定的幅度时,器件迅速导通从而将浪涌能量泄放掉,并将电压幅度限制在一定的范围内。
每个信号线都使用了两个TVS管BZX84C33进行双向保护,它们的额定工作电压33V。
TVS管在电路中的连接如图12所示。
3、光电隔离
光电隔离是解决传导干扰问题的理想方法,它具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
选择光耦合器件时需要考虑两个参数:
传输延时和共模抑制CMR,在传输延时满足数据通讯波特率的情况下尽量选择共模抑制能力高的型号。
衡量光电耦合器共模抑制能力的方法为:
输出保持高时可承受的最大共模电压上升率。
使用光电隔离后,也必须使用电源隔离,使光耦两侧的电源独立的地电位,两组电源互不干扰。
4.2CAN总线通讯可靠性改进
1、通讯协议改进
整个网络中,PC104的作用是至关重要的,控制命令和灯具状态都需要通过其进行传递。
这样假设PC104出现故障,整个系统就会处于瘫痪的状态。
由于PC104价格不菲,所以不能进行冗余设计,那就想到当PC104处于故障状态不能接收和发送信息时,软件启动另一组通讯协议,显控板和驱动板直接进行通讯,避免灯具的失控而造成混乱。
2、引入“看门狗”
系统在一个外界环境恶劣,干扰噪声大下工作,单片机难免会出现“跑飞”现象。
除了编程时注意避免出现死循环外,硬件看门狗的使用也是必要的。
这样当单片机出现死机情况时,能及时的对控制器进行复位操作,使系统恢复正常状态。
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