基于CAN 总线的换料机摄像系统

顾中祥

摘要：根据换料机的特点，研发了一种运用分布式控制系统的摄像系统。系统采用 CAN 总线实现多个控制节点间的参数分布式传输；通过视频分配和切换模块实现耐辐射视频多端输出；系统设计视频格式转换模块实现远程监控。通过现场应用和参数测试，系统传输控制参数具有实时性，误码率低；视 频传输有损耗低，可靠性高等优点。

关键词：换料机；摄像系统；CAN 总线

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）09-266-02

Abstract：accordingtothecharacteristicsoftherefuelingmachine，developedacamerasystemusing adistributedcontrolsystem.ThesystemusesCAN busto re- alizethedistributedparametertransmissionofmultiplecontrolnodes；throughvideodistributionandswitchingmoduleofradiationresistantvideooutputterminal； systemdesignofvideoformatconversionmoduletorealizeremotemonitoringthroughthefieldapplicationandtheparameters.Testsystem，transmissioncontrol parameters with real-time， low error rate； video transmission with low loss， highreliability.

Key words： feeder； camera system； can bus

前言

核安全是核电工业发展的先决条件。作为大型压水堆核电机组的核燃料运输和储存系统的核心设备，核燃料换料机运行的安全性和可靠性至关重要。换料机的任何故障都会有核燃料组件变形甚至放射性物质泄漏的风险。目前换料机主要进口于美国的西屋公司和法国的REEL，存在维修效率低的问题。为提高核工业的自主水平，在国家资金的支持下，换料机正逐渐本土化。摄像机作为换料机的关键部件之一，可为操作人员提 供可靠，稳定，低损耗的视频数据，实现换料机安全交互操作。本文设计并 实现了一套分布式控制的摄像系统，可实现现场和远程模式下的视频信号转换，传输和参数控制功能。分布式控制采用高可靠性，实时性，反单点 故障的 CAN 总线技术，实现节点之间的通信。在信号转换和传输功能上实现了视频分配，视频切换和同轴差分转换的方式。目前，该系统已经取得了成功的应用效果。[1]

1 整体系统设计

换料机摄像系统由三个摄像单元组成，摄像单元可以在水下工作，并具有抵御辐射的功能。为了减少操作者的被照射量，摄像机单元工作在水 下辐射区域，现场和遥控单元都处于非辐射区域，两者都由水下辐射阻抗电缆连接。

控制器可以实现对每个相应的摄像机单元的单独控制。考虑到控制单元的便携性和系统的测量功能，系统需要增加手持设备和工业控制计算机节点，分别实现三个摄像机单元的信号接收與参数控制。除了摄像机 单元和控制器采用串行一对一的通讯外，其他节点都采用 CAN 总线技术。同时，考虑到现场工作区域的痕迹辐射的存在，应对长时间且不需要到现场检测的任务，远程控制模块的加入是必要的，通过 201 米的总线距离隔离，确保工作人员远离可能的辐射危害。

2 系统软件设计

2.1 控制器配置。控制器配置基于 SiliconLab 集成开发环境进行 MCU 初

始化。在系统执行主循环之前，需要完成 UART、CAN、定时器、I/O 端口、时钟等的设置。系统时钟选择内部 24MHz 时钟源；I/O 端口设置功能：将通用 I/O 端口P04 和P05 映射为UART 端口，将 P06 和P07 映射为CAN 接口，将数字输出端口映射为推挽输出，其他数字端口设置为漏极开路，最终运用 I/O 端口的交叉开关；定时器被设置为以 8 位自动加载模式运行，并为程序中涉及的延迟提供参考；UART 设置包括波特率、数据长度以及奇偶校验等。系统使用基于预分频器时钟的 16 位自动加载定时器产生 9600 位/ 秒的波特率。默认的数据长度是 8 位。CAN 单元初始化相对复杂，包括控制，位时钟，信息控制和仲裁等寄存器设置。系统初始化步骤如下：将 SFRPAGE 寄存器设置为CAN0_PAGE；控制寄存器CAN0CN中的INIT，CCE和各种中断使能位置高，允许CAN初始化；以系统时钟作为基准，将其设置为0x7EC9，即

100Kbit/s；接着初始化发送和接收消息对象，设置 MsgVal 为 MsgVal 和读/ 写

状态。最后，清零CCE和INIT位，CAN单元恢复正常工作。[2]

2.2 CAN 模块操作。本节主要介绍 CAN 控制器的发送和接收工作流程。对于发送的消息，部分发送函数完成，另一部分需要在中断函数中实现。发送函数先设置 SFRPAGE 寄存器，然后将数据写入数据寄存器

CAN0IFxDA，然后设置CAN0IFxCM发送的字节数和发送使能，最后开始发送请求到中断处理。中断函数首先读取状态寄存器的 CAN0STAT 和

Interrupt 类型寄存器中的 CAN0IID 内容，然后清除中断标志，最后通过状态寄存器判断待处理数据输出的完成情况。CAN 控制器收到的消息自动完成，成功收到新消息后，收到消息设置标志并进入中断功能。在中断函数中，接收过程与发送类似，首先得到状态寄存器和类型寄存器的内容， 然后清除中断标志，最后通过状态和中断类型寄存器的判断，将有效的 3 个字节数据存入缓存阵列。

3 系统测试与分析

3.1 控制参数传输测试。控制参数传输测试主要针对 CAN 总线。主机采用 USB-CAN-Ⅱ智能 PCI 型CAN 接口卡PCI-9810I 作为载体发送数据包，手持设备作为 CAN 发送节点也发送控制参数，每个控制器通过接收节点 CAN 控制参数获取。通过参数传输的误码率来评估系统的传输稳定性，其中摄像机单元接收到的指令由 CAN 控制器对 CAN 数据包进行译码，然后通过UART编码进行发送。实验结果表明，CAN网络能够以

100Kbit/s 的速率与 UART 串行传输 8 个小时以上的无差错控制命令。

3.2 视频传输性能测试系统。原视频到终端包含多个视频格式转换模块，视频丢失主要是由这些方面引起的。该测试将格式转换引入的损耗转 换为双绞线传输的等效，即系统测试双绞线传输前后的视频信噪比表征系统视频传输性能。由于 200 米双绞线造成的视频丢失在理论上是系统中最大的，因此系统采用现场和远程 IPC 分别配备由于 200 米双绞线造成的视频丢失在理论上是系统中最大的，因此系统采用现场和远程 IPC 分别配备图像采集卡 DS-4004HC 的方式，并经过长期传输后对视频进行采集和分析。

4 结论

本文设计并实现了一套可应用于换料机的基于 CAN 总线的摄像系统分布式控制系统，。它具有视频格式转换，视频信号传输，控制参数传输 和多主控节点的功能。该系统在控制参数传输测试中有良好的实时性和低误码率。在视频传输测试中有损耗低、可靠性高的优点。目前，摄像系统 已经成功应用于国内换料机，并获得了专家的认可，在实际应用中也取得了较好的效果。

参考文献：

[1]赵阿鹏，李元昊，吴凤岐等.基于二三维阵列换料机换料机计数法

[J].核动力工程，2014，35（2）：55-127.

[2]穆朝晖，李卫东，刘饶.基于双网的核燃料换料机控制系统研究[J]. 控制工程，2014，21（5）：64-97.