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摘要：将先进的现场总线技术（CAN BUS）应用于航空障碍灯监控系统，很好地满足系统对实时响应较高的要求，同时CAN总线还使得系统具有很好的扩展性能。
关键字：障碍灯；CAN总线；单片机
1工程系统简介
在杭州湾跨海大桥的南、北航道二座斜拉桥上，共有三个索塔。根据标书要求，监控系统在三个索塔上均设高光强障碍灯及红色景观缓闪障碍灯。每个索塔顶端各设4盏高光强障碍灯，每个索塔中部至顶端分三层等间距设置红色景观缓闪障碍灯，每层2盏，共6盏。
本系统共需控制三座索塔的航空保障灯具。共控制高光强障碍灯12盏，红色景观缓闪障碍灯18盏。实现以下功能：
（1）高光强灯，缓闪景观灯和霹雳闪光灯各组的闪光方式可独立编程控制，可远程操作編程更换闪光方式。闪光方式可分层编程，也可同类灯整体编程。
（2）单灯可远程独立操作，独立编程。
（3）各个灯可独立检测，发生故障后可实时上报。
（4）高光强灯分白天组和黑夜组，可根据环境光自动切换，故障时候也可互相作为备份保护。各组内部也是分两个小组，轮流工作提高了可靠性。
（5）缓闪景观灯每个灯有7个灯管，一个灯管故障后另一个灯观能马上接替，在6个灯管有故障的时候自动上报告警，确保缓闪光灯的正常运行。
由于分散度的提高，每个障碍灯的智能单元应能把每个灯具的运行状态，即正常或故障状态，实时、无误传输到监控控制室。各类航空障碍灯均应在监控分中心观察其工作状态的功能，以便值班员能及时发现其不工作或工作异常的状态，及时通知维修，保证对空中航线的全天候警示，从而保障大桥和航空的安全。
2CAN的主要特点
CAN主要特点如下：
（1）可以多主方式工作，网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向总线上其他节点发送信息，因而可以构成多主机系统。
（2）当CAN 节点严重错误时，具有自动关闭输出的功能，切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及通信不受影响，故具有较强的抗干扰能力。
（3）总线上的节点信息可以分成不同的优先级，以满足不同的实时要求。
（4）可以用点对点、一点对多点及全局广播等几种方式发送和接收数据。
（5）CAN 的直接通信距离最远可达10km，此时传输速率只能达到5kbit/s；最高通信速率可达到1Mbit/s，此时最大传输距离为40m；CAN上的节点数实际可达110个。
3系统结构
本系统主要由监控中心、每座索塔设置智能集中控器、终端控制器灯具组成。监控中心到智能集中控制器是采用了以太网方式的通信，可直接接入到大桥的现有以太网。智能集中控制器到各个终端控制器采用CAN总线，采集各个灯具的状态和灯具控制。
4 航空障碍灯的节点硬件设计
（1）数据采样输入输出模块：由于各障碍灯节点功能相对单一，数据量少，因此对CPU的要求大大降低，采用Atmel公司生产的AT89S51单片机即可满足要求。
单片机供电电路：AT89S51需要具有可靠的5V供电，在电路图中的VCC和GND为供电网络标识符；
振荡电路：AT89S51需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作，在该电路采用了24Mhz的晶振作为AT89S51的时钟源；
复位电路：复位电路是单片机正常运行的一个必要部分，复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行一次有效的复位，在单片机正常工作时将RST引脚置低。此外通过一个按键进行手动复位，在单片机运行不正常时使用。
P0口用作和CAN控制器电路进行通信，完成CAN总线数据收发任务。
P1口主要完成数字量输入、输出等管理控制。只要外接相应的传感器、继电器、电机等就可以完成各个环境下参数的采集及相应的控制。
P2口为CAN通信ID的设置端口。
P3口为辅助CAN控制器接口、232接口和中断信号接口。
（2）CAN控制器
CAN控制器采用Philips公司生产的SJA1000并行接口CAN控制器。SJA1000是独立的高集成度CAN控制器。主要用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络，具有多主结构、总线访问优先权、成组与广播报文功能及硬件滤波功能，输出可编程控制。由以下几部分构成：接口管理逻辑、发送缓存器、接收缓存器、位流处理器、位定时逻辑、收发逻辑、错误管理逻辑、控制器接口逻辑等。
电路中采用了16MHz的晶振电路，总线模式和AT89S51进行数据交换，SJA1000的INT引脚和AT89S51的中断引脚相连，作为CAN通信中断的触发信号。
（3）CAN收发器电路
CAN总线收发器选用PCA82C250作为总线收发器。 PCA82C250是CAN 协议控制器和物理总线之间的接口，是影响网络性能的关键因素。它对总线提供差动发送能力，并对CAN控制器提供差动额接受能力，其最高传输速率可达1Mbit/s。具有体积小、耗电低、工作稳定、抗干扰能力强的特点。而且它与“ISO 11898”标准完全兼容。PCA82C250的目的是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰实现热防护等。为了进一步提高抗干扰措施，在两个CAN器件之间使用了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路，保护控制系统电路。
5航空障碍灯的CAN节点软件设计
CAN总线系统的软件设计主要包括三大部分：CAN节点的初始化、报文发送和报文接收。
（1）SJA1000 的初始化只有在复位模式下才可以进行。初始化主要包括工作方式的设定、接收屏蔽寄存器（AMR）和接收代码寄存器（ACR）的设置、总线时序寄存器的设置、输出模式寄存器和中断寄存器的设置等。初始化设置完成以后，SJA1000就可以进入工作状态，进行正常的通讯工作。需要初始化的CAN控制寄存器有：模式寄存器、时分寄存器、接收代码寄存器、屏蔽寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器等。 （2）发送报文的过程是：发送报文程序把数据存储区中待发送的数据取出，加上标识符等信息，组成信息帧，等发送缓冲区清空后，则将信息帧发送到CAN控制器的发送缓冲区。在接收到主机的发送请求后，发送程序启动发送命令，数据信息则发送出去。信息从CAN控制器发送到总线是由CAN控制器自动完成的。
（3）接收报文的过程是：整个索塔障碍灯监控系统中的CAN控制器检测到总线上有数据时会自动接收总线上的数据，存入其接收缓冲区，并向89C52微控制器发送接收中断，启动中断接收服务程序，89C52通过执行中断接收服务程序，从CAN控制器的接收缓冲区读取数据，并对其进行进一步处理工作。
6抗干擾设计
抗干扰设计包括硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计
（1）硬件抗干扰设计：影响系统可靠安全运行的因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰。由于航空障碍灯安装在索塔上，各个产生的干扰元件、设备和信号，如雷电、电器柜、飞机、轮船、电梯、汽车、电力、电缆、高频时钟等都成为干扰源。针对干扰形成的干扰源、传播途径、敏感设备三要素，硬件抗干扰采取主要措施有：接地、屏蔽和滤波。
（2）软件抗干扰设计：提高航空障碍灯的监控的可靠性，仅靠硬件抗干扰是不够的，需要进一步借助于软件抗干扰技术来克服某些干扰。与硬件干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑大大提高系统的可靠性。软件抗干扰技术主要有：数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术。
7 试验与联调
为了产品能适应杭州湾的气候、环境，以及工程的质量，必须对产品进行高温试验、低温试验、淋雨试验、风压试验、湿热试验、盐雾试验、漏电流试验、以及系统试运行等。检查合格后才能投入使用。
8 结论
将先进的现场总线技术（CAN BUS）应用于航空障碍灯监控系统，很好地满足系统对实时响应较高的要求，同时CAN总线还使得系统具有很好的扩展性能。适应了现场的恶劣环境，大大提高了系统的可靠性，同时布线简单方便，易于安装维护，节约费用，具有可观的经济效益和技术前景。
参考文献：
[1]《杭州湾大桥监控系统招标文件及设计文件》
[2]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社
关键字：障碍灯；CAN总线；单片机
1工程系统简介
在杭州湾跨海大桥的南、北航道二座斜拉桥上，共有三个索塔。根据标书要求，监控系统在三个索塔上均设高光强障碍灯及红色景观缓闪障碍灯。每个索塔顶端各设4盏高光强障碍灯，每个索塔中部至顶端分三层等间距设置红色景观缓闪障碍灯，每层2盏，共6盏。
本系统共需控制三座索塔的航空保障灯具。共控制高光强障碍灯12盏，红色景观缓闪障碍灯18盏。实现以下功能：
（1）高光强灯，缓闪景观灯和霹雳闪光灯各组的闪光方式可独立编程控制，可远程操作編程更换闪光方式。闪光方式可分层编程，也可同类灯整体编程。
（2）单灯可远程独立操作，独立编程。
（3）各个灯可独立检测，发生故障后可实时上报。
（4）高光强灯分白天组和黑夜组，可根据环境光自动切换，故障时候也可互相作为备份保护。各组内部也是分两个小组，轮流工作提高了可靠性。
（5）缓闪景观灯每个灯有7个灯管，一个灯管故障后另一个灯观能马上接替，在6个灯管有故障的时候自动上报告警，确保缓闪光灯的正常运行。
由于分散度的提高，每个障碍灯的智能单元应能把每个灯具的运行状态，即正常或故障状态，实时、无误传输到监控控制室。各类航空障碍灯均应在监控分中心观察其工作状态的功能，以便值班员能及时发现其不工作或工作异常的状态，及时通知维修，保证对空中航线的全天候警示，从而保障大桥和航空的安全。
2CAN的主要特点
CAN主要特点如下：
（1）可以多主方式工作，网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向总线上其他节点发送信息，因而可以构成多主机系统。
（2）当CAN 节点严重错误时，具有自动关闭输出的功能，切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及通信不受影响，故具有较强的抗干扰能力。
（3）总线上的节点信息可以分成不同的优先级，以满足不同的实时要求。
（4）可以用点对点、一点对多点及全局广播等几种方式发送和接收数据。
（5）CAN 的直接通信距离最远可达10km，此时传输速率只能达到5kbit/s；最高通信速率可达到1Mbit/s，此时最大传输距离为40m；CAN上的节点数实际可达110个。
3系统结构
本系统主要由监控中心、每座索塔设置智能集中控器、终端控制器灯具组成。监控中心到智能集中控制器是采用了以太网方式的通信，可直接接入到大桥的现有以太网。智能集中控制器到各个终端控制器采用CAN总线，采集各个灯具的状态和灯具控制。
4 航空障碍灯的节点硬件设计
（1）数据采样输入输出模块：由于各障碍灯节点功能相对单一，数据量少，因此对CPU的要求大大降低，采用Atmel公司生产的AT89S51单片机即可满足要求。
单片机供电电路：AT89S51需要具有可靠的5V供电，在电路图中的VCC和GND为供电网络标识符；
振荡电路：AT89S51需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作，在该电路采用了24Mhz的晶振作为AT89S51的时钟源；
复位电路：复位电路是单片机正常运行的一个必要部分，复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行一次有效的复位，在单片机正常工作时将RST引脚置低。此外通过一个按键进行手动复位，在单片机运行不正常时使用。
P0口用作和CAN控制器电路进行通信，完成CAN总线数据收发任务。
P1口主要完成数字量输入、输出等管理控制。只要外接相应的传感器、继电器、电机等就可以完成各个环境下参数的采集及相应的控制。
P2口为CAN通信ID的设置端口。
P3口为辅助CAN控制器接口、232接口和中断信号接口。
（2）CAN控制器
CAN控制器采用Philips公司生产的SJA1000并行接口CAN控制器。SJA1000是独立的高集成度CAN控制器。主要用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络，具有多主结构、总线访问优先权、成组与广播报文功能及硬件滤波功能，输出可编程控制。由以下几部分构成：接口管理逻辑、发送缓存器、接收缓存器、位流处理器、位定时逻辑、收发逻辑、错误管理逻辑、控制器接口逻辑等。
电路中采用了16MHz的晶振电路，总线模式和AT89S51进行数据交换，SJA1000的INT引脚和AT89S51的中断引脚相连，作为CAN通信中断的触发信号。
（3）CAN收发器电路
CAN总线收发器选用PCA82C250作为总线收发器。 PCA82C250是CAN 协议控制器和物理总线之间的接口，是影响网络性能的关键因素。它对总线提供差动发送能力，并对CAN控制器提供差动额接受能力，其最高传输速率可达1Mbit/s。具有体积小、耗电低、工作稳定、抗干扰能力强的特点。而且它与“ISO 11898”标准完全兼容。PCA82C250的目的是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰实现热防护等。为了进一步提高抗干扰措施，在两个CAN器件之间使用了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路，保护控制系统电路。
5航空障碍灯的CAN节点软件设计
CAN总线系统的软件设计主要包括三大部分：CAN节点的初始化、报文发送和报文接收。
（1）SJA1000 的初始化只有在复位模式下才可以进行。初始化主要包括工作方式的设定、接收屏蔽寄存器（AMR）和接收代码寄存器（ACR）的设置、总线时序寄存器的设置、输出模式寄存器和中断寄存器的设置等。初始化设置完成以后，SJA1000就可以进入工作状态，进行正常的通讯工作。需要初始化的CAN控制寄存器有：模式寄存器、时分寄存器、接收代码寄存器、屏蔽寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器等。 （2）发送报文的过程是：发送报文程序把数据存储区中待发送的数据取出，加上标识符等信息，组成信息帧，等发送缓冲区清空后，则将信息帧发送到CAN控制器的发送缓冲区。在接收到主机的发送请求后，发送程序启动发送命令，数据信息则发送出去。信息从CAN控制器发送到总线是由CAN控制器自动完成的。
（3）接收报文的过程是：整个索塔障碍灯监控系统中的CAN控制器检测到总线上有数据时会自动接收总线上的数据，存入其接收缓冲区，并向89C52微控制器发送接收中断，启动中断接收服务程序，89C52通过执行中断接收服务程序，从CAN控制器的接收缓冲区读取数据，并对其进行进一步处理工作。
6抗干擾设计
抗干扰设计包括硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计
（1）硬件抗干扰设计：影响系统可靠安全运行的因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰。由于航空障碍灯安装在索塔上，各个产生的干扰元件、设备和信号，如雷电、电器柜、飞机、轮船、电梯、汽车、电力、电缆、高频时钟等都成为干扰源。针对干扰形成的干扰源、传播途径、敏感设备三要素，硬件抗干扰采取主要措施有：接地、屏蔽和滤波。
（2）软件抗干扰设计：提高航空障碍灯的监控的可靠性，仅靠硬件抗干扰是不够的，需要进一步借助于软件抗干扰技术来克服某些干扰。与硬件干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑大大提高系统的可靠性。软件抗干扰技术主要有：数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术。
7 试验与联调
为了产品能适应杭州湾的气候、环境，以及工程的质量，必须对产品进行高温试验、低温试验、淋雨试验、风压试验、湿热试验、盐雾试验、漏电流试验、以及系统试运行等。检查合格后才能投入使用。
8 结论
将先进的现场总线技术（CAN BUS）应用于航空障碍灯监控系统，很好地满足系统对实时响应较高的要求，同时CAN总线还使得系统具有很好的扩展性能。适应了现场的恶劣环境，大大提高了系统的可靠性，同时布线简单方便，易于安装维护，节约费用，具有可观的经济效益和技术前景。
参考文献：
[1]《杭州湾大桥监控系统招标文件及设计文件》
[2]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社