硕士学位论文-船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用.doc

上海海事大学学位论文 船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用摘 要本课题主要研究船舶机舱自动化网络通信系统的设计。本文首先介绍了课题的背景和研究意义，并从船舶自动化技术的快速发展所带来的机舱信息网络化入手，介绍CAN总线和工业以太网在船舶机舱自动化领域中的应用。本文在深入研究了国内外最新船舶机舱自动化综合监控系统网络通信技术现状的基础上，确定了基于CAN总线和工业以太网的双冗余船舶机舱自动化网络监控系统结构模型，并对冗余双CAN总线设计和冗余环形工业以太网设计进行了论述。本系统采用的冗余10Mbps工业以太网和冗余双CAN现场总线网络，很大程度上解决了传统机舱自动化网络存在的不足，灵活地实现了机舱仪器和设备的综合监控和管理，保障了机舱的安全和集中指挥调度，节省了人力，提高了效率。同时通过冗余技术保障了系统的持续运行，提高了系统的可靠性，符合机舱自动化系统信息和控制集成一体化的发展方向。本论文最后还论述了CAN总线和工业以太网嵌入式互联网关的模型方案、设计思想和实现方法，并用最后两个章节详细论述的互联网关的软硬件设计。其中第五章详述了互联网关的设计思想、关键技术和硬件实现，采用内置CAN控制器的AT90CAN128为主控制器，采用以太网芯片RTL8019AS实现嵌入式以太网接口。第六章阐述了互联网关的软件设计，主要包括CAN总线接口通信程序、工业以太网驱动程序和CAN-以太网协议转换程序三部分。CAN总线和工业以太网嵌入式互联网关解决了船舶机舱中两种异构网络之间的数据通信和数据共享的问题，实现了CAN总线与工业以太网之间实时数据的快速交换，完成了机舱自动化系统信息和控制的集成，具有较好的实际应用价值。关键字：机舱综合监控网络，CAN现场总线，工业以太网，双冗余设计，嵌入式互联网关ABSTRACTThis paper researches communication and network technologies of the ship integrated automation system. Firstly, some background information and research significance related to this thesis are introduced. Then the thesis pays attention to CAN Bus and Industrial Ethernet applications in the ship integrated automation system. At the same time, the paper presents a feasible design of a ship integrated monitoring and control network system based on the combination of dual CAN- bus and dual 10Mbps Ethernet.This design overcomes the disadvantages of the traditional ship automation network and ensures the running safety of the marine engine and improves efficiency, according with the integration development trends of ship automation system in marine engine room. Also the redundancy design improves the systems reliability.Finally, the method to connect CAN-Bus with Ethernet is studied in detail, and the paper describes the hardware and software design of the embedded gateway with the last two chapters. Chapter V details the design ideas, key technologies and hardware design of the embedded interconnection gateway, using AT90CAN128 with CAN controller as the main microcontroller and a RTL8019AS chip to complete an embedded Ethernet interface. Chapter VI described the software design of the embedded gateway, including CAN-bus interface communication program, Ethernet interface device driver and CAN-Ethernet protocol conversion program.The embedded CAN/Ethernet gateway realizes the functions of network communication, data exchange, and information integration between CAN-Bus and Ethernet in ship, which has a bright future and potential value.Keywords: Integrated automation ship communication system.CAN-bus. Ethernet. Dual redundancy design. Embedded gateway目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 船舶机舱自动化技术的发展现状与趋势11.2 本课题选择的背景和意义21.3 论文完成的主要内容和体系结构3第二章 现场总线在船舶机舱自动化系统中的应用42.1 现场总线技术概述42.2 船用现场总线的优越性52.3 CAN现场总线技术的研究62.3.1 CAN技术规范简介及特点62.3.2 CAN总线通信协议模型及分层结构82.4 CAN总线在船舶机舱自动化系统中的应用9第三章 工业以太网在船舶机舱自动化系统中的应用113.1工业以太网技术的研究113.1.1工业以太网体系结构123.1.2工业以太网帧结构143.2 工业以太网介质访问控制协议与实时性分析153.3 CAN总线技术与工业以太网技术的对比及共存方案的研究18第四章 船舶机舱综合监控系统双冗余通信网络的设计204.1双冗余网络型机舱综合监控系统模型204.2 CAN总线冗余方案的研究与设计224.3工业以太网的冗余方案的研究与设计24第五章 CAN总线网络与工业以太网互联技术的研究及硬件系统设计265.1 CAN总线网络与工业以太网互联的必要性265.2系统集成互联方案及协议转换思想265.2.1互联网关模型285.2.2协议转换思想285.3网关系统硬件设计295.3.1系统方案分析论证与硬件选型295.3.2主要芯片功能简介325.3.3外部扩展RAM模块345.3.4 CAN接口模块355.3.5工业以太网接口模块385.3.6 RS-232串口模块415.3.7硬件系统的抗干扰设计41第六章 互联网关软件系统的设计436.1 CAN总线接口模块436.2 工业以太网模块456.2.1 RTL8019AS的初始化及RAM数据的读取456.2.2以太网数据帧的发送和接收476.2.3嵌入式TCP/IP协议栈的实现506.3 CAN-工业以太网协议转换模块59第七章 总结与展望60参考文献64致 谢67攻读硕士学位期间发表论文情况68附录一 CAN接口模块程序69附录二 工业以太网模块驱动程序72附件三 嵌入式TCP/IP协议栈实现程序（部分）74IV第一章绪论1.1 船舶机舱自动化技术的发展现状与趋势船舶机舱自动化是船舶自动化的重要组成部分，是衡量船舶现代化程度的重要标志之一，船舶机舱自动化技术已成为当代船舶界共同关注的课题之一。船舶机舱自动化系统是集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体的综合监控系统，是涉及计算机网络技术、数字化信息技术、现代控制技术、通信及信息处理技术、电力电子技术等多种学科和技术综合应用的一体化产物。机舱自动化系统包括主动力系统、发电系统等多个子系统的控制与监测，例如主机遥控系统、机舱综合监测报警系统、电站管理系统等。未来船舶机舱自动化技术模块化以、标准化、系列化、集成化、智能化等方式，向着开放式和网络化这个更高层次阶段方向发展1。欧美主要海事大国的船舶仪器厂商都已推出了具有现代化先进水平的大型船舶自动化装备。船舶机舱综合监控系统是机舱自动化系统最早采用的形式。它可以代替轮机人员在较为恶劣的环境下对主机及辅助设备的运行状况进行监测，并在运行设备发生故障后给出声、光报警信号。当轮机人员应答后撤销报警，并进入故障记忆状态，排除故障后即可撤销故障记忆。同时，还可将报警信号延伸至公共场所、轮机长及值班人员处所，从而实现真正意义上的无人职守2。由此可见，先进的机舱监测报警系统不仅能够提高运营经济性、安全可靠性而且极大地推动了船舶自动化的进程和“智能型”船舶的实现。上世纪90年代，基于现场总线技术的新型全分布式控制系统的出现为实现控制系统各节点之间可靠、实时的数据通信提供了有力的技术保障，对自动监控系统的体系结构、设计方案、安装测试方法等方面产生了较深远的影响，并逐步应用于船舶机舱自动监控领域。船舶机舱分布式总线监控系统最初是由加拿大海军研发并广泛应用于驱逐舰、潜艇等。它以总线为核心，将所有控制台中的微机连接成网，共享数据3。进入21世纪，各研究机构纷纷加强了该系统的研制。目前，挪威的Kongsberg公司、美国Sperry公司和丹麦Lyngso公司都已开发出较为先进的船舶机舱综合监控系统。并已实际应用于各类船舶。我国在船舶机舱自动化技术方面起步较晚，与国外先进技术相比还存在较大差距。目前国内研制机舱综合监控装置，在测量、控制精度、稳定性和可靠性方面均不太理想。因此，加快研发高可靠性、功能齐全的网络型多微机分布式机舱自动化控制系统将是我国船舶机舱自动化技术的发展方向4。1.2 本课题选择的背景和意义随着我国航运事业的蓬勃发展，对船舶自动化、信息化水平的要求越来越高。虽然近年来我国船舶机舱自动化技术发展迅速，但与国际先进技术水平相比还存在较大差距。主要变现为：网络设备的船用条件适应性不够、船舶信息的集成度、通信的安全性和可靠性不高。因此，探索和跟踪国外船舶自动化领域的最新发展趋势，通过自主研发与引进先进技术相结合，加快我国船舶机舱自动化网络技术的全面研究和产品开发，促进机舱自动化产品的升级换代，全面提高我国船舶机舱自动化技术水平具有重要的现实意义。本课题的研究出发点也正是如此。为了将机舱各种相对独立的子系统集成为一体化的综合网络通信平台，以往常采用子系统组合方式。各个独立子系统只能单独操作，不能实现信息的共享。现场总线技术正是满足了船舶信息集成化的发展需要，将船舶的各个控制对象综合成统一的控制整体。并且随着通信技术和计算机网络技术的发展，各子系统之间实现数据共享和集中统一操作成为可能5。为此需要在船用底层现场网络和上层综合监控信息网络之间加入网络连接和协议转换的专门网关设备，使二者实现互连、互通，形成船舶机舱一体化的综合网络平台。这样不仅扩网方便，操作使用简单，而且可以实现数据的通信与资源的共享，便于实现船舶监控、诊断和维护功能，为船舶管理的优化控制、调度决策提供依据，对今后船舶机舱综合自动化系统的发展具有普遍意义。随着船舶工业的不断发展，自动化技术的不断提高，现代船舶营运对船舶自动化系统信息集成化程度的要求越来越高，对船员自动化技术水平的要求也越来越高。因此，自动化机舱实验室在船员培训教学中起到越来越重要的作用。鉴于此，我国航海类高等院校相继建立了自动化模拟机舱实验室，为我国航海事业输送了大批优秀人才。随着航海技术与自动化技术的不断提高，新型船舶自动化技术大量出现并逐渐成为当今造船技术的主流。正是在这个背景下，为使理论教学和实践训练与国际最新技术接轨，各船舶机舱实验室需要不断的改进与升级。本课题作为上海海事大学与南通航运职业技术学院合作开发的新型自动化机舱项目的一部分，着重对船舶自动化机舱的通信网络进行研究与设计。1.3 论文完成的主要内容和体系结构本课题对船舶自动化机舱的网络通信技术进行研究与设计，主要解决船舶自动化机舱的通信网络结构、机舱底层现场控制网络与船舶综合监控局域网之间的数据通信及二者互联等技术问题。结合该项目的实际研制开发过程，本课题完成如下工作：1探讨CAN总线的基本工作原理，研究CAN现场总线的性能特点，CAN通信协议模型及分层结构，并对CAN总线各类冗余方案进行研究。2 对工业以太网技术及TCP/IP协议栈进行深入研究，分析工业以太网技术的实时性与安全性，最后对CAN总线技术与工业以太网技术进行对比并且设计了两种网络技术的共存方案。3论述在船舶自动化机舱中采用CAN现场总线和工业以太网的优越性，在深入研究国内外最新机舱自动化综合监控系统网络通信技术现状的基础上，确定基于CAN总线和工业以太网的双冗余船舶机舱自动化网络监控系统结构模型，并对冗余双CAN总线设计和冗余环形工业以太网设计进行了论述。4深入研究CAN总线网络与工业以太网的互联技术，确定网关模型和协议转换思路，着重进行网关系统的软硬件设计，并分为两个章节分别详细描述了网关系统的硬件设计和软件设计。本课题的研究成果已成功应用于上海海事大学与南通航运职业技术学院合作开发的轮机自动化机舱中。第二章 现场总线在船舶机舱自动化系统中的应用2.1 现场总线技术概述按照国际电工委员会和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全双向、多分支结构的通信网络。从通信规范意义上讲，现场总线实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的工业控制系统的新型通信标准，是自动化领域的计算机局域网6。它不仅是当今控制技术、计算机技术和通信技术发展的结合点，同时也是信息技术和网络技术延伸到现场的必然结果。现场总线技术己成为工业自动化领域技术发展的重点课题，采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化，控制功能的分散化和控制系统的开放化，符合工业控制技术的发展趋势。 早期的集散控制系统(DCS)采用专用的控制器和内部数据总线，不同厂家之间缺乏互操作性和互换性，而处于生产过程底层的测控自动化系统仍采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量和控制，难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。随着微处理器与计算机功能的增强和价格的降低，计算机网络系统得到迅速发展，为实现信息集成和综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层设备之间以及生产现场与外界之间的信息交换。现场总线就是在这种实际需要的促使下应运而生。现场总线系统FCS在技术上具有以下几方面的优点6：1系统的开放性。开放性是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识和遵从。现场总线作为开放式互连网络，既可以与同层网络互连，也可以通过网络互连设备与不同层次的控制网络和信息网络互连，共享资源，统一调度。用户可按自己的需要和考虑，通过现场总线构筑自动化领域的开放互联系统。2全分布与现场设备的智能化。现场总线系统可以将传感、计算、报警与控制等功能分散到现场设备与仪表中完成，减少了变送器、调节器等大量的中间环节及复杂接线，实现真正的分布式控制和现场设备的智能化。3全数字化。现场总线系统采用全数字化信号传输，提高了控制系统的可靠性。4互操作性。现场仪表和设备品种繁多，在遵守相同通信协议的前提下，现场总线允许不同制造商的产品集成在一起，实现不同品牌的仪表和设备之间的互相连接，并统一组态。5通信线路供电。对于功耗要求低的现场本质安全仪表，直接从通信线路上获得电源。6较强的现场环境的适应性。现场总线可支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、射频、电力线等，具有较强抗干扰能力，并可满足本质安全防爆等要求。综上所述，现场总线控制系统(FCS)既是一个开放式的现场总线通信网络，又是一个全分布式的实时网络控制系统。现场总线作为智能设备的联系纽带，将总线上各个智能节点设备连接成网，并通过组态实现基本控制、显示、参数修改、报警、监控、优化以及测、控、管一体化的功能，在过程自动化、制造自动化、楼字自动化、电力、交通等领域都有广泛的应用前景。现场总线技术适应了工业控制系统智能化、网络化和分散化的发展趋势。以现场总线为基础的全数字控制系统是21世纪自动化控制系统的发展方向。2.2 船用现场总线的优越性20世纪90年代中期，以现场总线技术为基础的全数字式控制系统扩展到了船舶工业领域，使船舶自动控制技术得到了新的发展。现场总线是船舶控制站到机舱现场设备的延伸，是支撑网络信息集成的技术基础，也是现场级设备实时监控的手段。由于现场总线的优点，特别是现场总线简化的系统结构，使控制系统从设计、安装、调试到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性7。对于船舶而言，首先与其他的工业控制相比，船舶的空间较之楼宇和工厂相对较小，因而引入现场总线，减少线缆连接所节约的成本并不显著。其次控制对象规模一般较小，基本不会出现多种系统集成的问题，因此对控制网络的容量要求不高。第三机舱空间狭小，设备布置紧凑，信号干扰严重。针对船舶现场环境的特殊要求，船用现场总线更能体现出其优越性：提高了船舶测控系统的准确性与可靠性；节省硬件数量与投资；用户有高度的系统集成主动权；节约安装费用；节省维护开销。此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单、易于重构、抗干扰性和可靠性高等优点8。综合以上因素，船舶自动监控系统应该采用实时性好、抗干扰能力强、成本低廉、开发和使用难度较小的现场总线。比较各种现场总线技术特点可以看出，较适合船舶上应用的总线有Lonworks总线、CAN(Controller Area Network)总线和HART总线，事实上这几种总线在船舶工业均有实际的应用，尤其以CAN总线的应用成果最多，几乎全世界所有船舶自动化设备公司，如SIEMENS、NOROCOTROL、MTU等公司生产的产品都支持CAN标准。随着CAN总线技术的日渐成熟，它在船舶自动控制领域的应用也越来越广泛。CAN总线被广泛应用于船舶机舱监控报警、巡回检测、电站监控以及火灾报警系统中。可见CAN现场总线在船舶自动化监控领域中具有较高的实际应用价值9。2.3 CAN现场总线技术的研究CAN现场总线是控制器局域网的简称，它以其优良的性能、高可靠性和实时性越来越受到工业界的青睐，已被广泛应用于交通运输、工业控制、楼宇自动化、航空工业、嵌入式网络等领域。CAN报文采用短帧结构，传输时间短，抗干扰性强，可靠性高，这使得CAN可应用于实时控制系统中；采用非破坏总线仲裁技术，大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。CAN节点在错误严重的情况下会自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响10。同时CAN总线具有较高的性能价格比，并且结构简单，能充分利用现有的微处理器开发工具，开发技术容易掌握。因此，CAN总线技术在船舶机舱自动控制领域有着广泛的应用前景。2.3.1 CAN技术规范简介及特点1986年在汽车工程人员协会大上，Bosch公司提出了基于串行数据通信协议的汽车串行控制局域网CAN协议。(Automotive Serial Controller Area Network)。此后CAN总线迅速在汽车制造领域得到了迅速推广。1991年9月Philips公司制定并颁布了CAN技术规范2.OA/B版本，1993年11月国际标准化组织(ISO)正式颁布了关于CAN总线的ISO11898标准，为CAN总线的标准化、规范化应用铺平了道路。CAN总线是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求具有较高的位速率、较高的抗电磁干扰性和很强的检错纠错能力。在CAN总线的通信协议中，没有节点地址的概念，它是一种基于数据的工作方式。总线空闲时，任何节点均可以将报文数据发送到总线上。CAN节点设有优先级，当发送存在冲突时优先级高的节点可获得总线使用权。由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通讯总线相比，CAN总线技术具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下10： a)CAN为多主方式工作，网络上任意节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，而不分主从。 b)CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况（以太网可能）。c)在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输。 d)CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。e)CAN通信速率在5kbps的直接通讯距离最远可达10km。f)CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。在标准帧报文标识符有11位，而在扩展帧的报文标识符（29位）的个数几乎不受限制。g)报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据高度可靠性。h)CAN的每帧信息都由CRC校验及其它检错措施，具有极好的检错效果。i)CAN的通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤等，选择灵活。j)CAN节点在错误严重的情况下会自动关闭输出功能。k)CAN总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的微处理器开发工具。CAN总线上用“显性”（Dominant）和“隐性”（Recessive）两个互补的逻辑值表示“0”和“1”。当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线数值为显性（即“0”与“1”的结果为“0”）。如图2-1所示，VCAN-H和VCAN-L为CAN总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压形式出现。在隐性状态，VCAN-H和VCAN-L被固定在平均电压电平附近，Vdiff近似于0。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位。显性位以大于最小阀值的差分电压表示。图2-1 总线位的数值表示2.3.2 CAN总线通信协议模型及分层结构国际标准化组织的开放系统互联模型简称OSI参考模型，为不同厂商的计算机设备互联提供了一套共同的规范要求和标准框架。它将开放系统的通信功能划分为7个层次分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通常底层的物理层、数据链路层和网络层完成通信信息的传输功能，其余的上层完成通信处理功能。CAN协议制定的目的是实现任意两个CAN节点间的兼容，为了实现设计的透明性和执行的灵活性，CAN协议也是建立在OSI参考模型上的。不过，CAN规范只定义了模型最下面的物理层和数据链路层。物理层定义了信号电平、位表达方式、传输媒体，用于不同节点之间位信息的实际传输等。数据链路层执行流量控制和差错控制的功能，又分为媒体访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层(LLC)。 MAC子层是CAN协议的核心。具有控制帧结构、执行仲裁错误检测、出错标定和故障界定的功能。它把接收到的报文提供给LLC子层，并接受来自LLC子层的报文。MAC子层由称为故障界定的一个管理实体监控，具有识别永久故障或者短暂扰动的自检机制。LLC子层主要涉及报文滤波、超载通知和复原管理等功能的定义。其主要功能是10：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接受的报文实际已经被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息，在定义目标处理时，存在许多灵活性。LLC子层为应用层提供接口。CAN规范的分层机构和功能如图2-2所示。在实际应用设计中，物理层和数据链路层的功能完全由CAN控制器硬件实现，极大的方便了现场总线节点固件的开发。图2-2 CAN的分层结构和功能CAN技术规范仅包括物理层和数据链路层说明，并未对应用层的功能和实现进行定义。CAN需要一个高层协议来定义CAN报文中的11位标识符和8字节数据的使用。而且建立基于CAN总线的工业自动化系统，需要各个CAN厂商能够支持设备的互用性和互换性，能够实现在CAN网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。CAN应用层协议是一种在现有的底层协议(物理层和数据链路层)之上的协议，用户既可以采用CIA(CAN in Automation)协会或其它一些组织制定的开放式高层协议，也可以在工程中灵活的实现自己的应用层。2.4 CAN总线在船舶机舱自动化系统中的应用船舶现有的机舱自动化系统广泛使用模拟仪表式的传感器、变送器和执行机构。一对传输电缆单向传送一个模拟信号，使用的导线多，每个信号都要通过导线引入集中控制室，机舱布线繁琐，现场安装及调试的工作量大、投资高、传输精度和抗干扰能力较低，不便维护。集控室无法实现与现场仪表的通信，不能对其进行故障诊断和参数调整，更不能在线修改以使其达到最优。所以处于底层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中最薄弱的环节11。CAN总线技术能很好地解决这个瓶颈问题，其在船舶机舱自动化系统中的应用为船舶机舱现场设备的互联通信提供了新的数据传输协议。CAN总线系统现场设备的智能化、分布式结构的互操作性以及对现场环境的适应性，很好的满足了船舶机舱自动化系统的要求。船舶机舱自动化系统使用CAN总线技术有以下几方面的优点12：(1)实时性好。船舶机舱自动控制系统对数据传输的实时性有较高的要求，即数据的传输延迟越小越好。CAN采用带优先级的非破坏性仲裁技术，可以根据系统对监测参数的不同响应要求设计信号传输的优先级，从而保证了监控的实时性。CAN总线的网络传输延时也只有毫秒级，相对于机舱现场参数（压力、液位、温度等）的动态变化延时时间常数（一般几百毫秒到几秒之间），可以忽略不计。(2)可靠性高。针对船舶机舱特殊的工况，要求通信系统具有较强的抗干扰性和高可靠性。CAN的总线故障管理机制、介质访问控制机制、错误处理机制使得CAN有着很好的容错性，在恶劣电磁环境及其它干扰下，也能保证通信网络的可靠性。(3)可维护性好。CAN现场总线作为全数字化、网络化的控制系统，其网络结构简单，系统设计、安装、运行到检修维护方便。现场设备以CAN网络节点的形式挂接在总线网络上，当需要增加新的节点设备时，直接将设备挂接在原先的电缆上即可。当需要维护节点设备时，直接将该节点从总线上取下而不影响网络其它部分的正常通信，因此提高了系统的可维护性。(4)基于CAN总线的机舱自动化系统能够进行设备的远程监控、诊断和维护。通过相应的协议网关，实现控制网络与信息网络的集成。由于系统能够灵活、高效、方便地获取数据，使得现场数据能从底层控制网络传输到上层船舶机舱信息系统中，便于船员及时全面地掌握全船实时工作状态13。第三章 工业以太网在船舶机舱自动化系统中的应用随着机舱自动化系统朝大型化和设备复杂化的趋势发展，船舶数据采集和控制站点越来越多、通信控制网络的负荷越来越大、通信速率的要求也越来越高，因此只采用单一的现场总线型通信网络已经不能适应其发展要求。而工业以太网通信速率高，几乎没有站点数量限制，便于直接和Internet互联网连接并且能够方便实现信息的远程传输，在船舶自动化控制领域的应用越来越受到关注14。3.1工业以太网技术的研究工业以太网是传统商用以太网在工业控制领域的扩展。其在技术上与商用以太网兼容，并根据工业控制网络可靠性、实时性和环境适应性的特殊要求进行了某些特性和协议的改进，是一种典型的工业通信网络。与传统的商业以太网相比，由于工业环境较为恶劣，所以工业以太网对设备的机械强度、抗干扰能力和电磁兼容性等方面都有更为苛刻的要求。随着工业以太网技术的迅速发展，越来越多的工控设备开始使用工业以太网技术并采用TCP/IP协议作为主要的通信标准。因此，工业以太网技术在工业控制领域有着广泛的应用前景。下面将要首先介绍以太网技术标准及特点。以太网是IEEE802.3网络标准所支持的基带局域网技术，最早是由Xerox公司在20世纪70年代开发成功，后经数字仪表公司、Inter公司和Xerox公司联合扩展，逐步成为以太网技术标准15。以太网采用载波监听多路访问和冲突检测 (CSMA/CD)机制，以确保网络中各个节点进行有序的介质访问。同时，以太网采用广播机制传输数据，所有网络节点都可以查看到网络上传递的数据，通过检查包含在数据帧中的目标地址是否与本地地址相同来决定是否进行数据接收。如果证明数据确实是发给自己的，网络节点将会接收数据并传输给高层协议进行处理。随着以太网技术的发展，其传输速度从最初的10Mbps逐步扩展到100Mbps、1000Mbps。如今以太网技术已经成为局域网中的主导网络技术，其高速度、高灵活度、成本低廉、易于实现和组网等特点能方便实现上层信息管理网络和底层工业控制网络的无缝连接，并且随着嵌入式平台和实时嵌入式操作系统的发展，嵌入式控制器、智能现场测控仪表将方便地接入以太控制网络，同时也很容易与Internet连接实现网络系统集成。因此以太网技术是当今最重要、应用最广泛的局域网组网技术。3.1.1 工业以太网体系结构国际标准化组织开放系统互联参考模型(ISO/OSI)把每个开放系统划分为功能上相对独立的7个有序的子层。按照ISO/OSI模型，以太网标准只定义了链路层和物理层，但是一个完整的通信系统，需要高层协议的支持。TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）是至今最成功、应用最为广泛的通信协议，用于保证网络上数据的准确快速传输。当APARNET在制定了TCP/IP高层通信协议，并把以太网作为其数据链路层和物理层的协议之后，以太网便和TCP/IP紧密地捆绑在一起。因此基于TCP/IP协议栈的以太网是一种开放式的标准网络，不同厂商的设备很容易实现互联。工业以太网作为传统以太网在工业控制领域的延伸，在本质上仍然属于以太网。它的体系结构基本采用了以太网的标准结构如图3-1示。图3-1 工业以太网标准模型图对应于ISO/OSI通信参考模型，工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了IEEE802.3标准，在网络层和传输层则采用TCP/IP协议栈（包括ARP、ICMP、IP、UDP、TCP等协议），它们构成了工业以太网的低四层。在高层协议上，工业以太网协议通常都省略了会话层、表示层，而定义了应用层。IEEE802.3网络标准是使用CSMA/CD协议的局域网综合性标准。它严格对应于ISO/OSI模型的最低两层，从下至上划分为物理层、MAC子层 和LLC子层。它定义了物理层的兼容接口并规定了数据传输的编码方式。IEEE802.3支持不同的物理层标准如表3-1所示15。(1)物理层。物理层定义了设备间和物理连接的一组规则，主要完成信号的编码与译码，前同步码的产生与消除，比特的传输与接收等功能。(2)数据链路层。数据链路层划分为介质访问控制MAC(Medium Access Control)子层和逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层。介质访问控制子层的主要功能是控制对传输介质的访问，负责检查信道在空闲时传输数据，检测冲突是否发生，并在发生冲突后执行一系列预定义的操作，具体实现CSMA/CD协议。逻辑链路控制子层（LLC）提供无连接的数据报服务和面向连接的虚电路服务，其主要功能是数据报的封装和拆装，为网络层提供网络服务的接口，完成建立和释放数据链路层的逻辑连接。表3-1 IEEE802.3物理标准名称介质最大站点数最远距离特点10BASE-2细同轴电缆30200米价格低廉10BASE-5粗同轴电缆100500米适合主干网10BASE-T双绞线1024100米易于安装和维护10BASE-F光纤10242000米远程工作站连接在以上几种传输介质中，双绞线是应用最为广泛的一种。以双绞线为传输介质的以太网被定义为10BASE-T方式。IEEE802.3在电缆上传输的信号采用曼彻斯特编码。其编码规则为，每个数据单元分割为等宽的两部分：电平由低到高时表示“1”，由高到低时表示“0”，曼彻斯特编码将时钟与数据组合在一起，接收方可以从接收到的数据中提取时钟信号以取得与发送方时钟的同步。另外，曼彻斯特编码保证每个数据单元至少有一个跳变，可以用它来区分电缆的工作状态和空闲状态，便于实现载波侦听。同样，曼彻斯特编码也能适合冲突检测17。(3)网络层。网络层也称为互联网层，负责提供基本的数据包传输功能，让每一块数据包都能够到达目的主机。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括网际协议(IP)、地址解析协议(ARP)、网际控制报文协议(ICMP)以及组管理协议(IGMP)等。IP协议提供了一种不可靠的无连接的服务，尽最大可能发送数据，不能保证IP数据完全正确地到达目的地。任何要求的可靠性必须由上层来提供，如TCP协议。(4)传输层。传输层主要为应用程序提供端到端的通信和流控制、差错控制机制。传输协议的选择根据数据传输方式而定，有两个传输协议即传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。TCP和UDP都使用端口号完成进程间的通信任务。TCP是一个面向连接的传输协议，使用确认分组超时和重传来完成差错控制，因此具有可靠性高的特点。UDP实现的是不可靠、无连接的数据报服务，只能从进程接收数据并不可靠的交给应用程序。由于UDP协议只充当数据报的发送者和接收者，不使用繁琐的流量控制或错误恢复机制，因此UDP比TCP简单，开销小、效率高，适合于低延迟的局域网。5应用层。应用层负责处理网络信息，沟通各个应用程序。应用层可为用户提供多种应用协议，如HTTP、TELNET、FTP等。3.1.2工业以太网帧结构以太网帧和IEEE802.3帧的结构如图3-2所示：以太网帧结构8字节6字节6字节2字节46-1500字节4字节前导码目的地址源地址帧类型以太网数据区域FCS校验IEEE802.3帧结构7字节16字节6字节2字节46-1500字节4字节前导码SOF目的地址源地址长度IEEE 802.3数据段FCS校验注：SOF=帧起始界定符FCS=帧校验序列图3-2 以太网帧结构图从上图可以看出，以太网帧结构和IEEE802.3帧的结构略有不同，二者的主要区别有以下几点：(1)以太网帧包含8个字节的前导码，而IEEE802.3帧的前导码是7个字节，后面紧跟一个字节帧起始符字段。(2)以太网帧含有2个字节的协议类型标识符，IEEE802.3帧格式中，该字段用来表示紧随其后的以字节为单位的数据段的长度。虽然他们的区别很小但是却并不能兼容，这意味着每个网络必须全部使用兼容于以太网的网络接口卡或是兼容IEEE802.3的网络接口卡18。本文后续章节互联网关软件系统设计中，统一采用标准以太网帧结构。前导码：由0、1间隔代码组成。该字段的目的是指示帧的开始并使网络所有的接收器达到帧同步。帧起始定界符：该字段仅在IEEE802.3中有效，是IEEE802.3帧的界定字节。这个字节的前6个比特位置由交替的1和0组成，以两个连续的代码1结尾，表示一帧实际开始。目的地址(DA)：长度为6个字节。该字段用来指出帧要发住的站点。目的地址可以是单点地址，也可以是多点地址或广播地址。源地址(SA)：源地址处于目的地址字段之后，和目的地址类似其长度也为6个字节。该字段功能是指示发送该数据帧的工作站地址。类型字段：用于标志数据字段中包含的高层协议。如IP协议为0x0800。长度字段：数据段的标志，后面跟随的数据的字节数，可以从461500字节。如果要传输的字节小于46个，则需要用零补足，如果传输的字节大于1500，则需要分帧传送。以太网帧数据段：在经过物理层和逻辑链路层的处理之后，包含在数据帧中的数据将被传递给在类型段中指定的高层协议。 IEEE 802.3报头和数据段：IEEE 802.3帧在数据段中对接收数据的上层协议进行规定。如果数据段长度无法使数据帧的总长达到46个字节的最小值，那么相应软件将会自动填充数据段，以确保整个帧的长度不低于46个字节19。 帧校验序列(FSC)：长度4个字节的循环冗余校验值。每个发送器计算一个包括了地址字段，长度字段和数据字段的循环冗余校验码，并将计算出的CRC校验码填入该字段中。当数据帧到达目的地址的时候，接收器进行同样地校验计算，以确定数据帧在传输过程中是否被损坏。如果计算的结果和传输过来的校验码一样则接收，否则丢弃。3.2 工业以太网介质访问控制协议与实时性分析工业以太网技术以传统以太网技术为基础，其不同于传统以太网的最大特点在于它必须满足控制系统对实时性的要求，即信号传输延时要足够的小。下面从以太网介质访问控制方式CSMA/CD协议的分析入手，探讨长期以来传统以太网技术难以应用于工业控制领域的原因。在工业以太网参考模型中，数据链路层被分为介质访问控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层。介质访问控制是确保网络中各个节点进行有序访问的方法，主要有令牌方式和竞争方式两种16。在竞争方式中，允许多个站点对通信信道进行访问。站点先监听载波是否存在，以判断信道是否被占用。竞争方式的介质访问控制协议一般用于总线型或树型拓扑结构的网络中。以太网使用由IEEE802.3标准所定义的载波监听多路访问/冲突检测协议(CSMA/CD)实现介质访问控制。它包含载波监听和冲突检测两方面的内容。CSMA/CD的基本思想如图3-3示，其利用冲突检测的方法提高信道的利用率，可以理解为：先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟后重新发送。图3-3 CSMA/CD的基本原理图(1)载波监听信道在以太网上，每个设备可以在任何时候发送数据，但是发送数据之前必须先监听网络的状态。发送站先要检测通信信道中是否有载波信号，如果检测到载波信号，说明其他站没有发送数据即信道空闲，则该站点可立即占用信道发送数据20。否则说明信道已被占用，需要等待一个随机的时间后再重复检测信道中的载波信号，直到能够发送数据为止。CSMA/CD协议需要解决的另一个重要问题是当监听到信道已被占用时，等待时间的确定方法。通常有两种：第一种方法是持续的载波侦听多点访问，即当某工作站检测到信道被占用后，继续侦听下去一直等到发现信道空闲后，立即发送数据；第二种方法是非持续的载波侦听多点访问，即当某站点检测到信道被占用后，就延迟一个随机时间然后再检测，不断重复上述过程，直到发现信道空闲后开始发送信息。(2)冲突检测冲突检测的发生有以下两种情况18：当信道处于空闲时，某一个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时都要发送信息，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲的从而一起发送，这就产生了冲突（碰撞）；另一种情况较远站点已经发送了信包，但由于传输的延时，信包还未传送到目的站点。此时如果目的站点侦听信道，则会造成信道空闲的错误判断。若此站点又发送信息，则也将产生冲突。如果在发送数据帧过程中检测出冲突，则需要退出重新发送。可见如何处理冲突是一个十分重要问题。以太网CSMA/CD介质访问控制协议中采用二进制指数退避算法进行冲突的处理。在CSMA/CD协议中，当检测到冲突发生时，首先发送冲突阻塞信号，站点停止当前帧发送并进入重发状态。进入重发状态的第一步是记录重发次数。每个站点都含有一个计数器，用来记录连续冲突的次数。CSMA/CD协议规定一个帧最大重发次数为16。如果重发次数超过16次，则认为线路故障，系统进入结束状态。如重发次数小于16次，则站点根据连续冲突次数产生一个随机的等待时间进行等待，然后再用CSMA/CD的算法重新发送数据帧。二进制指数退避算法为这个随机数的确定进行了规定，如下式所示16：式中，R为随机数；A是时间片（可选择总线循环一周的时间）；N是连续冲突的次数。整个算法过程可以理解为：1)每个以太网数据帧在首次发生冲突时的退避时间为T1。 2)当重复发生一次冲突，则退避时间加倍；否则组织重传数据帧。 3)若超过最大重传次数16，则该数据帧将不再重传，并报告出错。 这个算法中等待时间的长短与冲突的历史有关，一个数据帧遭遇的冲突次数越多，则等待时间越长，说明网上传输的数据量越大。研究表明：在以太网负荷较小的情况下，发生冲突的概率很小，引起的传输延迟几乎可以忽略。当网络负荷较高时，碰撞冲突发生的可能性就会大为增加，极大地影响了以太网的数据吞吐量和传输延时，导致以太网性能的下降。由于在一系列碰撞后，信息可能会损坏或丢失，因此通信的可靠性将无法得到保障。从上述分析可以看出，以太网在通信过程中存在延迟不确定性。当节点间发生冲突时，其等待时间随机产生，同样具有不确定性。也就是说，以太网的CSMA/CD介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的不确定。在实时性要求较高工业控制领域，以太网的这种通信非实时性将导致系统控制效果不稳定、控制性能下降。这就是长期以来，传统以太网技术未能应用于工业控制领域的主要原因。 3.3 CAN总线技术与工业以太网技术的对比及共存方案的研究 在工业控制领域实现底层现场设备之间信息交换与共享，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，多采用技术上比较成熟的现场总线技术，而CAN现场总线以其优良的特性和突出的可靠性，被公认为最有前途的现场总线之一。以太网由于其应用的广泛