基于CAN总线的健康管理系统设计
金东勇1，2，陈俊霞3，肖文光1，2
（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽合肥230031；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室安徽合肥230088；3.陆军炮兵防空兵学院安徽合肥230031）
摘要： 基于快速、精确诊断出复杂武器系统的故障，实时监测系统健康信息的目的，文中采用了CAN总线的通信方法，以TMS320F28235为主控芯片，设计了基于CAN总线的健康管理系统。该系统充分发挥了CAN总线的技术优势，结合复杂武器系统健康管理的现状，给出了健康管理系统的总体设计、电路设计、软件设计，详细说明了温度传感器电路设计、CAN总线接口电路设计、主节点和从节点的DSP程序设计。通过搭建测试系统，实时监视模块的温度、电压、信道状态等健康信息，判断并记录故障的实验，得出该系统能够准确监测武器系统的健康信息，故障诊断效率提高了30%，为复杂武器系统的维护提供了便利。
关键词： 健康信息；CAN总线；TMS320F28235；健康管理；故障诊断
武器系统结构复杂，有很多单元模块（如电源模块、时钟源模块、数据处理模块、信号处理模块、数据存储模块等）组成，出现故障后，难以精确定位故障，排查修复故障时间长。现将CAN总线应用于武器系统中构建一种实时监测各单元模块状态的健康管理系统[1]，实时监测的健康信息包含温度、电压、信道状态和其它工作参数，当监测数据超出正常工作范围，该单元模块就会报警，可及时定位故障原因，缩短排查修复故障时间[2]。
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1 CAN总线技术简介
CAN是控制器局域网络[3]“ControllerArea Network”的简称，最初由德国BOSCH公司开发出来，最终成为国际标准。其抗干扰能力强，广泛应用于汽车、工业控制等领域，是应用最为广泛的现场总线[4]之一。
CAN总线是一种多主的局域网，通信时这个网络中的各个设备都可以工作于主机模式[5]，目前一个网络中最多可以挂接110个节点，最远通信距离达10 km，最大数据传输率达1 Mbps。由于其通信具有实时性、可靠性，非常适合在环境干扰影响大、单元模块多、实时性要求高的条件下使用。
2 系统总体设计
本文设计的基于CAN总线的健康管理系统是一个用在武器上的集散式[6]的小型状态监控系统，主要包含CAN从节点、CAN主控节点[7]、显控软件3部分。系统总体框图如图1所示。
图1 健康管理系统总体框图
主节点初始化模块主要完成硬件电路和设备MARK地址[14]的初始化，以及建立工作线程。源代码如下：
3 电路设计
CAN从节点和主控节点硬件电路相似，以TMS320F28235为主控芯片，主要包含电压检测、温度检测、CAN接口电路、SCI接口电路和控制电源开关电路，下面以CAN从节点为例，主要介绍温度检测和CAN接口电路的电路设计。
研究地铁施工对沿线高层建筑物沉降变形方面的影响，利用建筑物沉降变形曲线图和建筑物整体沉降曲线图对建筑物的沉降规律进行分析，同时模拟出建筑物整体沉降趋势［3-4］，对建筑物的沉降变形进行预测，为地铁施工和建筑物变形监测提供一定的参考。本文选取最大、最小沉降量，平均沉降量，平均沉降速率作为评价指标，对建筑物的沉降量进行评价［5-6］。
3.1 温度传感器电路设计
每个CAN从节点模块检测五路温度：LM95214自身温度、电路板温度、电源温度、两个FPGA温度，使用一颗LM95214芯片可以满足需求。LM95214具有测量自身温度功能；两路远程通道各连接一个MMBT3904三极管用来测量电路板温度和电源温度；另外两路远程通道利用FPGA内置的PNP管测量FPGA芯片温度。温度测量电路如图2所示。为了抑制噪声干扰在每个二极管的正负端之间放置一个100 pF的电容。
温度是健康管理系统监测的主要参数，要监测的温度包含电路板温度、电源温度、核心元器件温度。采用的传感器是LM95214温度传感器，LM95214是一款四通道远端及本地数字温度传感器[8]，能精确地测量其管芯的温度以及4个外部连接为二极管形式的晶体管的温度，并通过两线串行接口以数字形式报告温度测量值。远端二极管通常为CPU、FPGA、GPU或ASIC上的共集电极PNP管的发射结。具有数字滤波、模拟量输入滤波和偏移校正功能[9]，提高了测温准确度。
图2 温度测量电路图
3.2 CAN总线接口电路设计
CAN总线通信是健康管理系统的关键部分，该模块以TMS320F28235为主控芯片，TMS320F28235是一款2000系列数字处理器的典型产品，工作频率可达150 MHz，包含两个增强型CAN控制器，CAN模块数据传输速率高达1 Mbps，与CAN2.0B协议[10]完全兼容。CAN收发器选用SN65HVD230，该收发器的最高传输速率为1 Mbps，具有很强的抗电磁干扰能力[11]，驱动能力强，总线上最多可挂接120个节点。为了避免CAN总线与其它电路之间的相互干扰影响，在CAN收发器与主控芯片之间加了光耦隔离，隔离芯片选用高速光电耦合器GH0630J。CAN总线接口电路如图3所示。
图3 CAN接口电路图
4 软件设计
为提高算法的准确率,实验采用更改学习率的方式对神经网络进行训练。由于初始的随机权重和最优值差距较大,实验初期由较大学习率开始训练,并在训练过程中不断下调学习率大小,使神经网络的权重更新更为精细。
4.1 主节点软件设计
从节点模块主要源代码如下：
图4 主节点程序流程图
某武器系统结构复杂有很多单元模块组成，在每个单元模块上都有一个带有CAN总线接口的从节点模块，从节点模块负责采集单元模块的电压、温度，通过SCI串口接收FPGA传输的单元模块信道状态和其它工作参数，并将采集的数据通过CAN总线传送给接口控制模块即CAN主控节点。CAN主控节点收集CAN从节点传输的健康信息，经过数据格式转换后，通过网络接口发送给显控软件。显控软件运行在PC机上，显示并存储各单元模块的健康信息，如果检测的数据超出正常工作范围给出报警提示。如果CAN从节点监测的温度高于正常工作温度范围立刻切断单元模块电源，启动高温保护功能，避免损坏单元模块。
数据处理线程用于判断接收到的数据帧，并传送给相应的设备。源代码如下：
4.2 从节点软件设计
使用一个主控节点、两个从节点搭建测试系统[16]，单个模块的健康信息的上位机界面如图6所示，该界面可以显示电压、温度、信道状态和其他工作参数。首先设置健康信息参数的故障门限，如果某项参数超出了故障门限，该项显示变为红色，同时记录故障发生的时间、故障描述，作为一条工作日志写入flash存储器，当上位机查询时上报工作日志。
图5 从节点程序流程图
基于CAN总线的健康管理系统采用“一主多从”[13]的通信方式，主节点除了采集并上报自身的健康信息外，还要负责管理从节点。显控主机下发健康信息查询指令，主节点接收查询指令后判断是否是查询自己的健康信息，如果是则采集自身的健康信息并上报显控主机，否则根据地址段下发给相应的从节点；主节点还负责转发从节点的健康信息。主节点程序流程图如图4所示。
健康管理系统软件实现的功能包括加电自检、周期自检、维护自检、电子标签、维护日志、工作日志、故障门限。软件的运行平台是DSP处理器TMS320F28235，开发环境为CCS5.3，采用分层设计[12]的软件设计思想，分为硬件层、协议层和应用层。使用了DSPBIOS操作系统，采用多线程进行程序设计。主要包括主节点和从节点两部分。
5 系统测试
所有从节点实现的功能是相似的，接收到主节点下发的查询指令后，采集本模块的健康信息，根据故障门限判断是否有健康信息超出正常范围，置报警标志位，打包数据帧上传给主节点，由主节点转发给显控主机，在显控软件上显示各从节点的健康信息和模块状态。从节点程序流程图如图5所示。
图6 模块健康信息界面
使用万用表测量电压采集点的电压，万用表测量电压与显控界面显示电压一致。使用外部电源拉高一个电压采集点的电压，使其高于故障门限，显控界面显示的电压值与外部电源电压值一致，同时显示变为红色报警状态。显控界面查询工作日志，接收到该模块上报的一条工作日志，日志内容显示电压过高报警。
经过测试，基于CAN总线的健康管理系统可以准确测量、上报、显示健康信息，具有实时监视、故障报警、记录功能，实现了快速定位故障的目的，满足了设计需求。
6 结束语
CAN总线具有通信速率高，最大数据传输率达1Mbps，实时性好，可靠性高，抗干扰能力强，适合在结构复杂的武器系统中应用。基于CAN总线的健康管理系统结构简单，可以挂接多个模块，系统易于扩展[17]，能够准确监测各模块的健康信息，工作状态异常时及时报警，帮助维护人员快速定位故障，查找故障原因，缩短排查修复故障时间。
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肾脏科不合理应用伏立康唑片的另一显著问题是给药剂量不足。91.91%的患者在第一个24 h内未给予负荷剂量，则其血药浓度无法在第一天接近稳态浓度，即使之后给予足量维持剂量也需到第6天才能到达稳态[1，14]。病历资料显示，除1例在用药几天后改为正确维持剂量外，其余135例患者全部存在维持剂量过低的情况，既不科学也不经济。另外，若腹膜透析患者发生腹膜炎，“指南”推荐可使用抗真菌药物预防和治疗真菌性腹膜炎，此时伏立康唑片的推荐剂量也为常规维持剂量200mg q12h po[9]。
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Design of health management system based on CAN bus
JIN Dong-yong1，2，CHEN Jun-xia3，XIAO Wen-guang1，2
（1.The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation ，Hefei 230031，China ；2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application ，Hefei 230088，China ；3.Chinese People's Liberation Army Army artillery Air Defense Academy ，Hefei 230031，China ）
Abstract: Based on the purpose of diagnosing the fault of complex weapon system fast，accurately and monitoring the health information real-timely，the health management system based on CAN bus is designed with TMS320F28235 as the main control chip，adopting CAN bus communication method.The system gives full play to the CAN bus technology advantages，introducing the general design of the health management system，circuit design，software design，detailing the temperature sensor circuit design，CAN bus interface circuit design，the DSP program design of the master node and slave node，combined with the status quo of health management of complex weapon system.Through the experiment of the testing system constructed to monitor the health information of module real-timely，such as temperature，voltage，state of channel，judge and record faults，thus the system can accurately monitor the health information of weapon system，increasing the fault diagnosis efficiency by 30%，providing a convenient maintenance for complex weapon system.
Key words: health information；CAN bus；TMS320F28235；health management；fault diagnosis
中图分类号： TN99
文献标识码： A
文章编号： 1674-6236（2019）04-0189-05
收稿日期： 2018-04-26
稿件编号： 201804221
作者简介： 金东勇（1981—），男，河南项城人，硕士，工程师。研究方向：故障诊断与可靠性，无线传感器网络，嵌入式系统研发。
标签：健康信息论文; can总线论文; TMS320F28235论文; 健康管理论文; 故障诊断论文; 中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽合肥论文; 孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室安徽合肥论文; 陆军炮兵防空兵学院安徽合肥论文;