专利名称：深海长距离点对点数字信号通信系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及深海长距离有线数字通信领域，是一种深海长距离点对点数字信号通信系统。
背景技术：
近年来，随着人类生产力的不断提高，对资源的需求量也日益增加，陆地上的资源日渐枯竭，而广阔无际的海洋蕴藏着极其丰富的资源，因此，海洋资源成了世界各国竞争的焦点之一。开发海洋，特别是大洋底部要克服很多困难——水深、水下高压、水底透光度小、局部区域高温、不能带有通信中继器等等，但如何解决水面与洋底机构间的长距离通信是开发海洋首先要面对的问题。普通的数字信号通信距离只有几十米；电磁波在水中衰减很快，不适合水下通信；声纳系统要求的功率大，且传输信号的延迟很严重，不能满足信号的实时性；利用电力线载频通信，需要进行两次数-模，模-数转换，不但成本高，而且传输速率慢，不能满足大数据量的传输。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于CAN(控制器局域网)总线的深海长距离通信系统，它具有高可靠性的长距离数字信号通信系统，以满足深海探测中的通信要求。
本实用新型采用的技术方案如下整个网络由一个水上主机节点和一个水下终端节点组成，水上主机节点由0号节点通信模块和控制主机组成，水下终端节点由与0号节点通讯模块结构相同的1号节点通信模块和水下拖体控制器组成。
0号节点通信模块它包括，中央处理器、串行通信驱动模块、CAN总线驱动模块、信息存储模块等四大部分。中央处理器采用高速的数字信号处理芯片TMS320LF2407，此款DSP中带有一个硬件乘法器，处理数据能力很强，且本身带有SCI串行通信和CAN总线通信控制器；串行通信模块由串行通信驱动芯片MAX202和串行通信接口组成，它与中央处理器的串行通信口引脚相连接；CAN总线驱动模块由中央处理器上的CAN控制器和PAC82C250 CAN通信驱动芯片组成，连接在CAN总线的物理介质—万米铠装电缆上；信息存储模块主要包括存储器芯片AT28C256和逻辑控制器芯片GAL16V8，连接在中央处理器的地址和数据总线上。
1号节点通信模块和0号节点通信模块的硬件结构完全相同，只是软件有所不同。
远距离通信采用万米铠装电缆作为CAN总线的物理介质，此种电缆的电阻率小，耐压强度很高，适合在深海和长距离通信中应用。
本实用新型与背景技术相比具有的有益的效果是在深海海底，在如深水高压、水底透光度小、局部区域高温、水下地形复杂、水下设备供电困难、信息传输距离远等不利的环境下，可以很好地克服上述困难，实现深海海底长距离无中继数字通信的要求，不用进行数模转换，可以保证有很高的通信速率和通信可靠性。
图1本实用新型的系统结构原理示意图；图2本实用新型的CAN总线接线方式图；图3本实用新型的通信节点模块示意图；图4本实用新型的串行口电平匹配电路；图5本实用新型的CAN驱动模块电平匹配电路；图6本实用新型的通信节点详细电路图。
具体实施方式
如图1所示，整个网络由一个水上主机节点和一个水下终端节点组成，水上主机节点由0号节点通信模块和工控机组成，水下终端节点由1号节点通信模块和水下拖体控制器组成，节点内部通过串行通信RS-232交换数据，节点通过CAN驱动接口挂接在万米铠装电缆上。
CAN总线采用差动电平传输信号，万米铠装电缆由内芯和外芯组成，分别作为CAN的高电平(CAN_H)和低电平(CAN_L)线，在万米铠装缆的两端用终端电阻将内芯和外芯连接起来，如图2所示，水上主机节点和水下终端节点分别跨接在万米铠装缆的两端，这样就构成了一个完整的CAN通信线路。
如图3，图6所示，0号节点通信模块包括，中央处理器1、串行通信驱动模块2、CAN总线驱动模块3、信息存储模块4。中央处理器1主要是采用高速的数字信号处理芯片TMS320LF2407 DSP，此款中央处理器中带有一个硬件乘法器，处理数据能力很强，且本身带有SCI串行通信和CAN总线通信控制器；串行通信模块2由串行通信驱动芯片MAX202和串行通信接口组成，它与中央处理器的串行通信口引脚相连接；CAN总线驱动模块3由DSP上的CAN控制器和PAC82C250CAN通信驱动芯片组成，连接在CAN总线的物理介质一万米铠装电缆上；信息存储模块4主要包括存储器芯片AT28C256和逻辑控制器芯片GAL16V8，连接在中央处理器的地址和数据总线上。
由于中央处理器芯片TMS320LF2407 DSP采用3.3V电压供电，引脚的输入/输出电平均为3.3V的TTL逻辑电平，而标准的RS-232串行通信逻辑电平为±12V，所以要经过信号电平转换、驱动芯片来实现串行通信，本装置采用串行通信驱动芯片MAX202芯片作为中央处理器芯片的串行通信接口的电平转换和驱动芯片。由于中央处理器芯片TMS320LF2407 DSP的供电电压为3.3V，所以和外围的5V供电工作的芯片相连接时，要涉及到逻辑电平匹配问题。中央处理器芯片TMS320LF2407 DSP与串行通信驱动芯片MAX202之间的电平匹配电路如图4所示，中央处理器芯片TMS320LF2407 DSP的串行通信口输出引脚SCITXD上输出的3.3V逻辑电平信号经过晶体管二极管D1和上拉电阻R1后和串行通信驱动芯片MAX202的串行通信信号输入引脚T2I相连接，串行通信驱动芯片MAX202的串行通信信号输出引脚T20输出的信号经过电阻R2、R3的分压和中央处理器芯片TMS320LF2407串行通信口输入引脚SCIRXD相连接。
CAN总线采用差动电平方式传输信号，而中央处理器上CAN控制器的输出为普通的电平电压，所以要采用PAC82C250电平匹配芯片。CAN驱动芯片的供电电压也是5V所以也要经过电平匹配才能与中央处理器芯片TMS320LF240 DSP相连，其电路图如图5所示，中央处理器芯片TMS320LF2407 DSP的CAN控制器输出引脚CANTX上输出的3.3V逻辑电平信号经过晶体管二极管D2和上拉电阻R4后和CAN驱动芯片PAC52C250芯片的输入引脚TXD相连接，CAN驱动芯片PAC82C250的信号输出引脚RXD输出的信号经过电阻R5、R6的分压和中央处理器芯片TMS320LF2407DSP CAN输入引脚CANRX相连接。
信息在以电缆为物理介质的网络上传输，不仅要克服通信距离的困难，而且更重要的一点是要克服电缆上的信号干扰和衰减保证信息的可靠性，因此要用带屏蔽功能和电阻率低的电缆传输，另外，这么长的距离通信，如果用普通的同轴电缆，那它的自重就足以将其拉断，所以本系统选用万米铠装电缆作为CAN总线通信的物理介质。除了硬件上采取的必要的措施外，软件的数据包中包含目的地址、源地址、校验码等等，在每次接收到的数据包进行奇偶校验和纠错校验。此外还采用了信息回传模式，即水下节点每接到一个信息包都将信息包回发给主机节点，主机节点再校验此信息包是否与其发送的信息包一致，如一致表明链路正确已建立，可以执行下一步的命令；如不一致，或没有接收到水下节点回发的信息包，则主机节点要重发此指令；重发超过三次或长时间无应答则表明网络上的该节点出现故障，进行报警提示。
另外，为了保证信号传输的实时性，总线上的数据占用总线的时间一定要短，所以在软件中要将信号分解成短帧信号，建议每帧8个字节，这样与TMSLF2407 DSP上的CAN控制器邮箱刚好匹配。这样一来信号占用总线的时间就大大缩短，可以避免不必要的竞争冒险，还可以提高信号抗干扰的能力。
节点0通信模块上的第二邮箱设为接收方式，标识符设为2447H，第三邮箱设为发送方式，标识符设为2448H；节点1通信模块上的第二邮箱设为接收方式，标识符设为2448H，第三邮箱设为发送方式，标识符设为2447H。节点0通信模块发送数据通过第三邮箱来完成，第三邮箱将数据发送到总线上之后，节点1通信模块的第二邮箱由于其标识符与节点0通信模块的第三邮箱相同，会接收到此数据。反之，节点1通信模块发送数据通过第三邮箱来完成，第三邮箱将数据发送到总线上之后，节点0通信模块的第二邮箱由于其标识符与节点1通信模块的第三邮箱相同，也会接收到此数据，这样就完成了水面和水下两节点的信息互通。
CAN总线的两条差动信号线的两端要用终端电阻相连，如图2所示，终端电阻的标准阻值是R0＝120Ω。但在本系统中由于通信线路很长，通信电缆的电阻就达到了R＝30Ω左右，与终端电阻相比不能再看成是导线了，这样一来通信的可靠性将大大降低，所以增加CAN的终端电阻使之继续与电缆匹配，推荐终端电阻的阻值为R0＝100R具体通信过程1)甲板控制系统通过串口向干端通讯模块发布通讯命令，此命令包含对拖体的控制命令和信息读取命令等；2)干端通讯模块在接收到甲板控制系统的命令后，将它翻译为现场总线的短帧命令，逐一经过载频驱动后向湿端通讯模块发送。
3)湿端通讯模块在收到干端通讯模块的信息后，每一帧均向干端发出回应，如果干端收到的回应信息不正确，则此帧将被重发。
4)湿端通讯模块在接收完所有对应于此通讯命令的短帧命令后，将其翻译成与拖体控制系统通讯的命令，通过串口向拖体控制系统发送。
5)拖体控制系统在接收到命令后，产生相应的动作，并按照通讯命令的要求产生相应的应答信息，发送给湿端通讯模块。
6)湿端通讯模块在接收到拖体控制系统的命令后，将它翻译为现场总线的短帧命令，逐一经过载频驱动后向干端通讯模块发送。
7)干端通讯模块在收到湿端通讯模块的信息后，每一帧均向湿端发出回应，如果湿端收到的回应信息不正确，则此帧将被重发。
8)干端通讯模块在接收完所有对应于此应答信息的短帧命令后，将其翻译成与甲板控制系统通讯的命令，通过串口向甲板控制系统发送。
9)甲板控制系统在收到应答信息后，检验此应答信息有无错误，如果没有错误发生，则完成此通讯过程。如果发现有错误，则重发此信息，或根据判断转发另一信息。
10)如果甲板控制系统经过一定的延时后仍未能收到应答信息，则将通讯命令重发。
11)如果重发三次仍未能在规定的时间内获得应答，则认为通讯系统出现了严重故障，显示警告信息要求进行处理。
权利要求1.一种深海长距离点对点数字信号通信系统，其特征在于整个系统由一个水上主机节点和一个水下终端节点组成，水上主机节点由0号节点通信模块和控制主机组成，水下终端节点由与0号节点通信模块相同的1号节点通信模块和水下拖体控制器组成，节点内部通过串行通信RS-232交换数据，节点通过CAN总线接口挂接在万米铠装电缆的两端。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的深海长距离通信系统，其特征在于所说的节点通信模块它包括，中央处理器(1)、串行通信驱动模块(2)、CAN总线驱动模块(3)、信息存储模块(4)，中央处理器(1)是采用高速的数字信号处理芯片TMS320LF2407 DSP；串行通信模块(2)由串行通信驱动芯片MAX202和串行通信接口组成，它与中央处理器的串行通信口引脚相连接；CAN总线驱动模块(3)由中央处理器上的CAN控制器和PAC82C250 CAN通信驱动芯片组成，连接在CAN总线的物理介质一万米铠装电缆上；信息存储模块(4)包括存储器芯片AT28C256和逻辑控制器芯片GAL16V8，连接在中央处理器(1)的地址和数据总线上。
专利摘要本实用新型涉及深海长距离点对点数字信号通信系统。它包括一个水上主机节点和一个水下终端节点，水上主机节点由0号节点通信模块和控制主机组成，水下终端节点由与0号节点通信模块结构相同的1号节点通信模块和水下拖体控制器组成，节点内部通过串行通信接口RS－232交换数据，节点通过CAN总线接口挂接在万米铠装电缆的两端。本实用新型主要依托于CAN现场总线技术，在深海海底，在如深水高压、水底透光度小、局部区域高温、水下地形复杂、水下设备供电困难、信息传输距离远等不利的环境下，可以很好地克服上述困难，实现深海海底长距离无中继数字通信的要求，不用进行数模转换，可以保证有很高的通信速率和通信可靠性。
文档编号H04B3/00GK2585494SQ0229327
公开日2003年11月5日 申请日期2002年12月17日 优先权日2002年12月17日
发明者金波, 沈海阔, 陈鹰, 徐振贤, 李勇, 陈飞飞 申请人:浙江大学