（电路与系统专业论文）基于can和rs485总线的机舱监测综合报警系统设计.pdf

硕士论文基于c a n 和r s 4 8 5 总线的机舱监测综合报警系统设计 摘要 舢1 1 1 1 1 1 1 1 i l i l l l | 1 1 1 | i i l l i l l l l i i l l | l i i l l l l 帅 y 2 0 6 2 0 11 本文以船舶机舱监测报警系统为背景，对具有以太网和现场总线双网结构的报警系 统进行软硬件设计和开发工作。本文主要工作包括如下几个方面： 对基于c a n 总线的报警系统展开初步研究。设计了具有双c a n 总线和双r s 4 8 5 总线通信接口的数据处理单元，完成了软硬件调试。支持现场独立工作，可通过键盘和 液晶查看各通道的运行状态和报警信息。通过自定义的c a n 总线应用层协议，实现通 用模拟量和开关量数据采集模块功能。 从提高软件设计效率、可靠性角度，对监测报警软件开发设计中的数据库及其访问 方法选择，驱动程序模块化设计和数学表达式解析算法等关键问题进行了研究。结合现 场总线模块监测和以太网双机交换信息，对双机切换条件和故障定位进行归纳分析，克 服了单一方式在某些故障定位方面存在的多义性。 用c + + b u i l d e r 5 开发了监测报警软件和配置管理软件。本软件的设计和编制工作量 较大，主要包括模块驱动程序、通信控制程序、界面程序和配置管理程序等。其兼容 r s 4 8 5 总线网络和c a n 总线网络。基于r s - 4 8 5 总线网络和泓格模块的监控报警系统软 件已在使用。 关键字：r s - 4 8 5 ，c a n ，数据处理单元，监测报警，软件设计 硕士论文 a b s t r a c t t a k i n gm em 撕n ee n 西n er o o mm o i l i t o r i n g 肌da l a 肌i i l gs y s t c i mf o rb a c k g r o u i l d ，“s p a p e rh 笛f o c u s e do nt l l es o r w a r ea n dl l a r d 、a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tw o r ko fw 蜘血培 s y s t e m ，w l l i c hh 硒t i l ee m e m e t 觚d f i e l db u sd o u b l en e t ss t n l m 鹏7 1 1 1 i sp a p e rm a i l l l yi n c l u d e d n l ef o l l o 诵n ga s p e c t so ft l l ew o r k ： w i t l l 恤p r e l i i i l i n a d ，r e s e 砌0 n 恤a 1 锄血gs y s t e l nw m c hb a s e do nc a nb u s ，t l l i s p a p e rb a sd e s i 印e dad a t ap r o c e s s i i l gu i l i t 丽t 1 1d o u b l ec a nb u s 锄dd o u b l er s 一4 8 5b u s c o m m u l l i c a t i o ni n t e r f 犯e ，砒l dh 勰c o i n p l e t e dt l l es o 行w a r e 锄dk 叭l ，a r ed e b u g g i n g t i l i sd a t a p r o c e s s i n gu l l i th 船s u p p o r t c dl o c a li n d e p e n d e n t 、0 r k 锄di tc 锄c h e c k 姗血gs t a t e s 锄d a l a 肌m e s s a g e so f e a c hc h a i l n e l 廿l l - o u 曲m ek e y b o 矾a 1 1 dl i q u i dc 巧s t a l i th a sr e a l i z e dad a ：t a a c q u i s i t i o n 劬c t i o no fb o t l la n a l o g u ea n dd i g i t a lq u a n t i t i e sb yu s i n gc u s t o mc a nb u s a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c 0 1 t 0i i i l p r o v e 舭s 0 r w a r ed e s 妇se 伍c i e n c ya n dr e l i a b i l i 吼n l i sp a p e rl 娜咖d i e do n 恤 m a i np r o b l e m si i lt 1 1 ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no f 吐屺m o i l i t o 血ga l 锄s o 小a r e ，s u c h 嬲t l 圮 c h o i c eo ft l l ed 撕b a s e 孤1 di t sa c c e s sm 幽d ，n l e “v e rm o d u l a rd e s i 虬t l l em a m e x p r e s s i o n 锄a l y t i c a la 1 9 0 r i m m 觚ds oo n c o m b “n g 谢也n l eb u sm o d u l em o 疵o f i n g 雏de t l l e m e td u a l m a c t l i i 坞e x c h a n g e 枷0 m a t i o n ，n l i sp 印e rh 雒觚a l y z e dm ed o u b l ei m c l l i n es 她t c l lc o n d i t i o n a n dt l l ef a u l tl o c a t i o n ，锄do v e r c o m e dn l e 删l l t i - m e a l l i n 笋e x i s t i e di ns o m ef a u l tl o c a t i o n c a u s e db ys i n 西em o d e a m o i l i t o r i n ga 1 蛐gs o f h a r e 趾dc o 血g u r a t i o nm 锄a g e m e n ts 0 蕾r eh 嬲d e v e l o p e d b yu s i n gc + + b u i l d e r 5 1 1 1 i ss o f t 、a r en e e d s1 鹕ew o 瑚o a do fd e s i 萨锄dp r 0 伊锄，m a i l l l y i n c l u d i l l g m o d u l e d r i v e r ，c o m m u m c a t i o n c o n t r o l p r o c e d u r e s ，i n t e r f k em a n a g e m e n t p r o c e 山l r e s ，c o 础i g 啪t i o nm a 础喀e i n e n tp r o c e d l h e s ，e t c ni sa l s oc 0 i n p a t i b l e 、衍mr s - 4 8 5b u s n 鲍o r k 锄dc a nb u sn e t v v o r k t h em o l l i t o r i i l ga l a n n i i l gs y s t e mb 嬲e do nr s - 4 8 5b u s n 鲍0 r ka n dc o n g e s t e dc a s eh a sb e i n gu s i i l gi i lap r o j e c t k e yw o r d ：r s 一4 8 5 ，c a n ，d p u ，m o i l i t o r i n ga n da l 锄i n g ，s o f h a r ed e s i g n i i 硕士论文基于c a n 和r s - 4 8 5 总线的机舱监测综合报警系统设计 1 绪论 1 1 背景与意义 船舶在运行过程中，其安全性尤为重要。船舶的主机、推进器、传动装置、发电机 组、压缩空气装置、舵浆等重要设备是否安全直接影响船舶的能否正常运行。以往船舶 工作人员需要对船的各个部位进行巡视，对重要部位更需有专人进行值守，以确保其正 常运行。然而船舱内部环境恶劣、空间狭小，大大增加了船舶工作人员的劳动强度，伴 随着提高了船舶运行的不可靠性，也对船舶工作人员的安全产生隐患。船舶自动化设备 的使用可以让工作人员不必进机舱即可查看船舶相关参数，这样既改善了工作环境，也 降低了劳动强度，同时数字化的船舶设备也提高了操作的可靠性，减少了船舶工作人员 数，因而也提高了船舶运行的经济效益。随着现代工业技术的迅速发展，船舶自动化程 度也越来越高。作为船舶自动化的重要组成部分，船舶机舱监测报警系统能够监测机舱 内部各种设备的运行状态，并根据需要对设备的运行参数进行保存，方便工作人员查询 和分析，以更好的管理船舶运行。一旦设备发生故障，它将报警信息如报警发生时间、 节点所在区域、报警等级等显示在集控室的监视屏上，并发出声光报警以提醒工作人员： 它将报警信息保存在数据库中方便工作人员日后查询，还可以根据需要将报警信息打印 成日志：它还可以将报警信息延伸到值班室、休息区、驾驶台等场所，因而工作人员可 以在船舶的任意地区查看和处理报警信息，这样船舶机舱监测报警系统就达到将人从固 定值班环境中解放出来的目的【。 目前，在劳动力、资金及政府的支持下，我国船舶工业自2 0 0 3 年起进入快速发展 轨道，产业规模不断扩大，造船产量快速增长，订单量位居世界前列。我国己具备散货 轮、油轮、集装箱轮的自主研发能力，大功率船用低速柴油机及其曲轴、大型螺旋桨、 大型锚绞机等关键船用设备实现了自主设计和生产，大型船舶企业造船周期和质量管理 达到国际先进水平，具有一定的国际竞争能力，已经毫无争议地成为了造船大国【2 】。然 而船用配套设备发展滞后，与发达国家差距还是很大，配套设备过度依赖进口已成为国 内船舶工业发展的瓶颈，从造船大国转变为造船强国还需要一段时间。现代舰船技术复 杂、精度要求高，涉及导航、水声、光学、电子、控制、机械等多个专业，覆盖几乎所 有领域的高科技，是一个国家综合技术实力的体现【3 】。目前国内所建造的各种远洋运输 船，大部分都是使用国外公司研制的报警系统产品，如挪威k o n g s b e 嬉公司的 d t a t c h i e fc 2 0 、英国t 气n s a s 的h n b s 、西门子的s i m o s i m a 3 2 c 等，国内自主 开发的船用监测报警系统尚待完善，仍处于研发阶段，因此，对于船舱监测报警系统的 研究具有非常重要的意义。 绪论硕士论文 1 2 监测报警系统的发展过程 船舶自动化系统是集机舱动力系统与辅助系统自动控制、监测、报警等于一体化的 监控系统【4 】。随着计算机、通信、自动化控制等技术的发展，船舶的自动化监控技术越 来越高，目前正向集成化、网络化、标准化、模块化、智能化发展【4 】。船舶自动化技术 自5 0 年代开始经历了一个从主机遥控、机舱无人值班直到全盘自动化得发展过程，朝 着驾驶室一人值班的“未来型船舶自动化技术迈进【5 】。 船舶机舱监测报警系统经历了常规仪器仪表监测报警、集中控制型报警系统、集散 型报警系统和全分布式现场总线型报警系统四个阶段【4 j 。 1 2 1 常规仪表监测 在这个阶段仪表主要为指针式，监测量主要是模拟信号，工作人员需要定时观测仪 表，以获知各种机械装置的工作状态。随着工业技术发展，又出现了简易的丹炉的电动 或气动仪器仪表来代替人工执行简单的操作。在这个阶段，船舶自动化程度非常低，船 舶工作人员几乎需要跑遍整个机舱去查看仪表，费时、工作强度大，而且模拟信号极容 易受到干扰，另外机舱内环境恶劣，高温、高噪音、空间小、晃动等很容易使工作人员 疲劳，从而导致对故障反应迟缓，产生误操作的概率大，机舱运行安全性难保证，另外 对工作人员的人身安全也构成隐患。 1 2 2 集中型控制系统 随着自动化技术的发展，6 0 年代出现了集中型控制系统，监测功能得以相对集中， 具有代表性的系统有n o r c o n ，的l 公司的d 以l c l l i e f - i i i 系统。这类系统的典型特点 是在集控室里使用一台运算速度快并且功能强劲的小型或者中型计算机对船舶的运行 进行集中监控，可监测点达上百个，可监控量有模拟和数字量，还可以对数十个监控参 数进行比例积分微分( p i d ) 自动调节【4 】。这类系统与上一阶段的船舶控制系统相比， 易于根据全局情况进行控制，统一调度，在船舶的管理和运营效率方面得到了很大的提 升，也节省了船舶管理人员和设备安装空间。但是这类系统造价昂贵、可靠性与稳定性 都不能让人满意，随着系统任务的增加，控制效率也会急剧下滑，最重要的缺点是一旦 用于集中控制的计算机出现故障，整个系统有完全瘫痪的可能，这给船舶运行带来极大 的安全隐患，此外，系统的安装、调试及维护也比较困难。所以，它的发展受到了极大 的限制。如图1 1 。 2 硕士论文基于c a n 和r s 4 8 5 总线的机舱监测综合报警系统设计 声光报警显示屏操作台 下t上 计算机 t下上 模数转换 转换单元 模数转换 tt1 l 模拟量 数字量控制单元 图1 1 集中控制型系统 1 2 3 集散型系统 这类系统又称为分布式多级微机控制系统( d c s ) ，是由数字调节器、可编程控制 器以及多个计算机递阶构成的集成与分散相结合的控制系统【4 】。它综合了四个“c ”的 技术( 计算机技术、控制技术、通信技术、c i 显示技术) ，系统主要由主机、分站和 通信网络三部分组成，其特点是把集中型控制系统中一台计算机单独承担的任务合理分 解成多个子系统，交付给多台计算机( 或控制器) 分别完成监测和控制，并使用一台计 算机作为主机在上层通过局域网与各个子系统的主控单元进行通信，实现信息的共享， 达到集中管理、分散控制的目的，典型代表有n o r c o n n 的l 公司的d a t a c l l i e fl 0 0 0 、 西门子的s l m o si m a 3 2 c 【4 j 。相比于上一代监控系统，这类系统的效率、可靠性、安全 性、稳定性得到了很大的提高。然而现场设备与系统之间使用的传输信号大都为 4 2 0 m a d c 或者1 5 v d c ，并采用点对点的传输方式，导致信号的准确度不高，易受干 扰，另外商家为了垄断经营，所设计的d c s 系统都具有自身专有的控制通信网络，导 致不同d c s 系统之间及与上层m m n e t 网之间很难实现信息共享，这类不具有互操作性 且精度不高的控制系统不能满足用户对系统开放、互联、高效、可靠的要求，如图1 2 。 图1 2 集散型控制系统 绪论 硕士论文 1 2 4 现场总线全分布式系统 这类系统简称f c s ，它使用现场总线将监控功能进一步下方，在现场使用由智能变 送器、数字传感器、a d 转换器、智能i o 模块和执行控制器等构成的子系统完成对数 据采集、处理与控制，各子系统通过现场总线与主机互连，进行数据通信【4 1 。这类系统 由管理级、监控级和现场级三级网络结构组成，主要设备有现场总线仪表、控制器、现 场总线、监控组态计算机等。这类系统采用数字化、智能化模块代替以往的模拟式仪器 仪表和控制单元，以提高信号传输的可靠性；由于智能化模块可以分布在现场附近，通 过现场总线与主机相连，这样大大节省了布线成本与空间；采用开放的标准化的总线协 议，便于系统的安装、调试、维护及升级；双向数据传输带有自诊断功能保证系统的实 时性和安全性【6 】【7 1 。这类系统的典型代表有现场总线具有开放的协议n o r c o n t i 的l 公 司的d a t a c l l i e f c 2 0 。 1 3 监控报警系统的发展趋势 在现场总线型控制系统中，使用串行双向的系统网络；严重的故障点可自动脱离总 线；专用的i o 装置及控制站大量减少，大部分功能由现场设备完成，彻底分散了系统 的控制功能并进一步下放到现场，既降低了成本，又提高了可靠性，也保证了安全性。 同时采用公开化、标准化的设计方案，通过遵循共同的国际标准，使不同生产商的设备 能够在一个系统是使用，满足互换、互连、开放的要求。因此现场总线技术在船舶机舱 监控报警系统中的应用是机舱监控技术发展的必然趋势【8 】【9 】。 1 4 本文主要工作 本文主要基于图2 2 所示构架的船舶机舱监测报警系统，开发相关的软硬件工作。 本文主要工作包括两个方面：对基于c a n 总线的报警系统作偿试性研究，对于r s 4 8 5 总线报警系统完成相关软件开发优化工作。 本文主要工作包括如下几个方面的工作： ( 1 ) 介绍了船舶机舱监测报警系统产生的背景及发展阶段，及其对船舶航行安全 的重要意义。从系统结构和功能等方面介绍了基于c a n 总线网络和具有扩展功能处理 单元组成的da _ t a c l l i e f c 2 0 监控报警系统。简要讨论了本文研究工作所采用的以太网和 现场总线双网结构的报警系统架构，兼容基于总线拓扑结构的r s 4 8 5 总线或c a n 总 线。 ( 2 ) 设计了具有双c a n 总线和双r s - 4 8 5 总线通信接口的数据处理单元，完成了 软硬件调试。它支持现场独立工作，可使用键盘和液晶查看各通道的运行状态和报警信 息。自定义c a n 总线应用层协议，通过上层主机配置d p u 的系统参数、通道参数、报 4 硕士论文 基于c a n 和r s - 4 8 5 总线的机舱监测综合报警系统设计 警参数，实现模拟量和开关量的采样功能。 ( 3 ) 从提高软件设计效率、可靠性角度，对监测报警软件开发设计中的数据库及 其访问方法选择，采用a d o 访问方法后以态网线突然断开的疑似“死机解决办法， 驱动程序模块化设计和数学表达式解析算法等关键问题进行了研究。 ( 4 ) 结合现场总线模块监测和以太网双机交换信息，对双机切换条件和故障定位 进行分析归纳，其比采用单一途经更准确，克服了单独通过现场总线模块监测或是以 太网双机交换信息在某些故障定位方面存在的多义性。 ( 5 ) 使用c + + b u i l d e r 5 开发了监测报警软件和配置管理软件。本软件的设计和编 程工作量较大，主要包括模块驱动程序、通信控制程序、界面程序和配置管理程序等。 其适用于r s - 4 8 5 总线网络和c a n 总线网络，基于r s - 4 8 5 总线网络和泓格模块的监测 报警系统软件已在使用。 2 监控报警系统方案设计硕士论文 2 监测报警系统方案设计 基于现场总线的船舶机舱监测报警系统是一种现场总线全分布式系统。它主要的工 作是对机舱内相关设备的运行工况进行监测，实时显示测量参数和系统工作状态，当出 现异常时给出报警信号，并具有历史数据存储等功能。 2 1 现场总线 2 1 1 现场总线介绍 现场总线是用于现场仪表与控制系统及控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、 双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络【l o 】。它遵循i o s 的o s i 开放系统互连参 考模型的全部或者部分通讯协议，作为最底层现场控制器和现场智能设备之间互连的实 时控制通讯网络，主要应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实 行双向、串行、多节点数字通信，沟通了生产过程现场控制设备之间与更高控制管理层 网络之间的联系。现场总线的网络拓扑结构有多种形式，如总线型、星型、树型等。相 比与传统控制系统中设备之间一对一的连接，节省了大量的电缆，成本得到有效控制， 布线也相对简单，使得安装、维护更方便。同时，现场总线具有很好的故障隔离能力， 任何设备的损坏都不影响其他设备的在线使用。现场这种结构还具有良好的系统扩展 性，如增加新的设备，只需要直接并行挂接即可，不必增加电缆，安装方便。通过现场 总线，现场设备的管理信息大大增加，如模块状态、参数状况、诊断信息等，工作人员 可以在控制室里对这些信息进行管理，提高了系统的可靠性，维护也相对简单。现在总 线具有开放的协议，不同厂商生产的符合统一现场总线协议的设备可以连接在一起。来 自不同厂家的相同类型的设备可以互换，不需专门的驱动。 2 1 2 几种常用的现场总线 目前国际上比较流行的现场总线有：r s 4 8 5 、c a n 、l o n 、p r o f i b 啪、基金会现场 总线( f f ) 、h a r t 等，它们各自具有不同的特点，分别在不同的领域占据主导地位。 ( 一) r s 4 8 5 总线【1 1 】 r s - 4 8 5 是在美国电子工业协会( e 认) 于1 9 8 3 年制定的，在r s 2 3 2 基础上发展而 来的一种串行数据接口标准。它具有价格低廉，可靠性高、传输距离远等特点，已成为 工业控制中使用最广泛的双向、平衡传输线标准接口。 ( 1 ) 总线传输介质可以使用普通双绞线，可驱动3 2 个节点( 使用特制4 8 5 芯片可 以最多搭载4 0 0 个) ，最高传输速率为1 0 m b i t s ，最大传输距离1 2 1 9 m ，使用中继器可 6 硕士论文基于c a n 和r s 4 8 5 总线的机舱监测综合报警系统设计 以增加传输距离。 ( 2 ) 采用平衡发送和差分接收，能有效抑制共模干扰，提高信号传输准确率。 ( 3 ) 一般采用双线制，组建半双工网络，可以进行多点的主、从机方式通信。 ( 4 ) 网络拓扑结构一般采用中断匹配的总线型结构，不支持环型和星型结构。 ( 二) c a n 总线【1 2 】 c a n ( c o n 仃0 l 觚an e 帆o r k ，控制器局域网络) ，遵循i s o o s i 模型，采用其中的 物理层、数据链路层和应用层。 ( 1 ) c a n 为多主工作方式，网络上任一节点在任何时刻都可以往总线上其他节点 发送信息不分主从。 ( 2 ) c a n 介质访问控制采用非破坏性的基于优先级的c s m a c d ( 载波监听多路 访问冲突检测) 仲裁技术，即在多个节点同时向总线发送信息时，优先级高的可以不 受影响继续传输数据。 ( 3 ) c a n 采用基于报文而非基于站点地址的通信协议，所有节点都会收到总线上 的传送报文，通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种方式传送数 据。 ( 4 ) c a n 采用短帧结构，每帧有效字节数不多于8 个，不会占用总线过久，受干 扰的概率低，重发时间短。c a n 总线具备负责的错误检测和恢复能力，数据出错率极 低，且节点在错误严重情况下具有自动关闭输出的功能。 ( 5 ) 目前c a n 网络节点达到1 1 0 个，传输距离最大1 0 k m ( 速度5 k b i 佻以下) ， 通信速率最高1 m b i t s ( 通信距离最长4 0 m ) ，通信介质可使用普通双绞线。 ( 三) l o n 总线【1 3 】 局部操作网络( l o c a lo p e m t i n gn e r l 岱) 总线采用面向对象的设计方法，通过简 化网络变量为节点参数设置，实现节点之间的数据通信。l o n 总线使用l o n t a u 【通信 协议，该协议被封装在n e u r o n 神经元芯片中，神经元芯片中名为媒体访问控制处理器、 网络处理器及应用处理器的三个c p u 分别实现o s i 模型中的七层功能。 ( 1 ) l o n 信号每帧有效字节0 2 8 8 个，帧长度可变。 ( 2 ) l o n 的访问方式有单址、多址和广播，报文服务有应答、请求响应、非应答、 非应答重发。 ( 3 ) l o n 总线同域网络节点可达3 2 0 0 0 个，通信速率范围3 0 0 b i t s 到1 5 m b i 低， 通信介质有双绞线、电力线、无线等，支持总线、环型、星型等多种网络拓扑结构。 ( 4 ) l o n 总线的介质访问控制采用带预测的p 坚持c s m a 技术协议，可以使总 线在负载较轻时缩短访问时间；在负载较重时减小总线冲突。 7 2 监控报警系统方案设计硕士论文 ( 四) p r o 舶u s 总线1 3 l 【1 4 】 p r 0 助u s 总线由p r o 舶u s f m s 、p r 0 助u s d p 及p r o f i b u s p i a 三部分组成。三部分的 适用场合不同，f m s 主要用在工厂、车间等非控制信息传输区域；p a 主要用在过程自 动化的信号采集及控制，d p 主要用在高速现场级数据通信。 ( 1 ) p r 0 助l l s 总线通信中每帧的有效信息字节数不超过2 4 6 个。 ( 2 ) p r o 舶u s 支持主从系统、纯主站系统、多主多从系统等多种传输方式。主站 采用令牌方式获取总线控制权，以完成与从站之间的数据通信。 ( 3 ) p r o 纳u s 总线支持的拓扑结构有线型，树型和环型，网络上可驱动最多3 2 个 节点，利用中继器可扩展到1 2 6 个站点。 ( 5 ) p r 0 助u s 总线通信介质为双绞线或光缆，最高通信速率1 2 m b i t s ( 通信距离l o o m 之内) ，最远通信距离1 2 0 0 m ( 通信速率9 6 k b i 以) ，使用中继器可将通信距离延长到 1 0 k m 。 ( 五) 基金会现场总线( f f ) 【1 3 】【1 4 】 f f 总线使用o s i 模型的物理层、数据链路层、应用层协议，并在应用层上增加了 用户层。f f 分低速h 1 和高速h 2 两种现场总线，传输介质都为双绞线、同轴电缆、光 纤、无线电，分别适用于不同场合。 ( 1 ) 低速h 1 总线拓扑结构有总线型、树型等，可驱动最多3 2 个节点，传输速率 为3 1 2 5 k b i t s ，传输距离为2 0 0 m 到1 9 k m ，主要用在制造或过程区域。 ( 2 ) 高速h 2 总线拓扑结构只有总线型，可驱动最多1 2 4 个节点，传输速率有两 种，速率1 m b i 以的传输距离最远为7 5 0 m ，速率2 5 m b i 以的传输距离最远为5 0 0 m ，主 要用在设备直接的高速数据传输。 ( 六) h a r t 【1 3 】【1 4 】 h a r t 总线参考o s i 模型的物理层、数据链路层和应用层协议，主要特点是使用频 移键控( f s k ) 技术，在现有的模拟传输线上实现数字通信。h a r t 总线使用双绞线通信， 支持点对点、总线型等拓扑结构，最大节点驱动数为1 5 个，最高通信速率为1 2 m b i 讹， 最远通信距离为3 0 0 0 m ，帧长可变，最长为2 5 个字节。 自2 0 世纪9 0 年代中期，现场总线技术扩展到船舶工业领域以来，应用于船舱报警 系统的现场总线种类越来越多，目前应用于机舱监控报警系统的现场总线有r s 4 8 5 、 c a n 、p r o 肋u s 、l o n 等，船舶自控技术因此也得到了飞速发展l l 引。然而每一种总线都 有它最适合的工作环境，选择一种适合于船舶环境的现场总线，对于船舶运行的安全可 靠尤为重要。现场总线的选择主要从数据传输方式、传输速度、传输距离、总线驱动能 力、技术支持、安全与经济性等方面考虑i l 副。就船舶本身，它具有空间狭小、布局紧凑、 硕士论文 基于c a n 和r s - 4 8 5 总线的机舱监测综合报警系统设计 信号传输干扰严重、控制对象规模相对小等特点，外加考虑到造价成本，船舶运行时的 安全性与稳定性及工作人员的操作方便等，船舶监控报警系统在选用总线时需满足实时 性好，抗干扰能力强，成本低廉，维护简单、使用方便，可靠安全等要求。 2 2d a t a c h i e fc 2 0 方案 d a t a c h i e f c 2 0 【1 7 j 是n o r c o n t r o l 公司推出的基于c a n 现场总线标准的分布式机 舱监测报警和控制系统。它不仅适用于以大型低速柴油机为动力的定螺距桨船，还用于 可变螺距螺旋桨船，也可用于油轮、液化气船甚至军用舰船等，集中体现了当前机舱网 络控制技术发展的先进水平u 引。 d a t a c h i e f c 2 0 监测报警与控制系统的网络结构如图2 1 所示。该系统主要由远程操 作站( r o s ) 、现场操作站( l o s ) 、分布式处理单元( d p u ) 、c a n 现场总线、以太网、 系统网关( s g w ) 、c a n 内部网关( d p s c ) 和延伸报警系统( w c s ) 等。它拥有c a n 现场总线与以太网相结合的双网络，双网各自又采用双冗余总线，采用互为备用方式的 冗余方式，分别连接系统中的主要设备( d p u 、l o s 和r o s 等) ，因而可以获得极好的 可靠性。c a n 总线分l 0 c a l 和g l o b a l 两部分，l o c a lc a n 与机舱设备控制的d p u 相连， 用于现场的控制，g l o b a jc a n 与参数监测的d p u 相连，用于现场的采集和转换，两部 分又各自双冗余，提高可靠性。两部分通过c a n 内部网关( d p s c ) 进行通信。此外， 延伸报警系统( w c s ) 的报警也是通过c a n 实现的。以太网负责系统信息的管理，通 过系统网关( s g w ) 与c a n 互联，实现d p u 与i 的s 之间的双向数据传输。此外，各 r o s 之间也是通过e t h e m e t 连接在一起，以实现数据同步、共享【l 引。 图2 1d a t a c l l i e f c 2 0 系统的网络结构 9 2 监控报警系统方案设计硕士论文 2 2 1 分布式处理单元( d p u ) d p u 是模块化的具有通信功能的智能远程i o 单元，直接与现场传感器和执行器相 连，完成数据采集和输出控制功能。 d p u 能独立完成参数监测、报警和控制，自身具有存储及检错功能；d p u 与主机、 d p u 之间使用冗余的c a n 总线进行通信，还配备r s - 4 8 5 瓜s _ 4 2 2 串行接口，用于扩展 与其他设备进行通信；使用2 4 v 直流电源供电，支持即插即用；自身带有l e d ，可显 示正常工作、报警等各种工作状态。 d p u 模块有1 6 路模拟量输入模块虹1 6 ，3 2 路数字量输入模块i i 3 2 、r d i 3 2 a ， 1 6 路继电器输出模块i m o 1 6 ，8 路模拟量输出模块凡幻8 ，1 0 路热电偶输入模块 心1 0 t c ，2 l 路模数混合输入或输出模块m o c i 和8 路模数混合输入或输出模块 r i o c 2 。 2 2 2 远程操作站( r o s ) r o s 由p c 机、键鼠等输入设备、显示屏和打印机组成，p c 机采用w i n d 0 w sn t 操作系统，通c a n 总线与d p u 进行通信。 r o s 主要作用是通过c a n 总线控制d p u ；接收来自d p u 的数据，根据安装在p c 机上的系统软件对数据进行处理，完成保存、显示、打印、报警等功能；在无人值班的 情况下，通过c a n 总线又将报警信息送到延伸报警单元。 2 2 3c a n 内部网关( d p s c ) c a n 网络最多支持1 1 0 个节点，当系统规模较大，或者出于某种特殊需要时，往 往需要对c a n 网络进行扩展，即把c a n 网络扩展为上下两层，上层为全局c a n 总线 ( g l o b a lc a nb u s ) ，下层为局部c a n 总线( l o c a lc a nb u s ) 。d p s c 是用于扩展局 部c a n 总线的设备，主要任务是处理来自l o c a lc a nb u s 的信息并将其送往g l o b a l c a nb u s 进而通过系统网关s g w 提供给r o s ；管理s w 或r o s 发送到l 0 c 出c a nb u s 上的指令、参数和程序。 2 2 4 系统网关( s g w ) s g w 是c a n 总线网和e t h e m e t 网之间的网关，采用双冗余设计，实现c a n 和 e m e m e t 两种网关之间的冗余连接，实现d p u 和i 的s 之间的数据交换。 s g w 主要负责接收来着c a n 总线的信息，对i 的s 进行刷新，并管理从r o s 发送 到d p u 或l o s 的操作指令、参数和程序。 2 2 5 现场操作站( l o s ) l o s 是一个人机界面单元，拥有显示屏和键盘，可以在现场与任意d p u 模块连接 l o 硕士论文 基于c a n 和r s - 4 8 5 总线的机舱监测综合报警系统设计 并对d p u 进行操作，一般是对d p u 的i ，o 模块进行访问。主要功能有查看d p u 处理 的过程变量、仿真i o 信号、d p u 参数调整、检测内置诊断程序等。 2 2 6 延伸报警系统( w c s ) w c s 主要由服务器、驾驶台监视单元w b u 和舱室监视单元w c u 等单元组成。服 务器由r o s 担任，系统中有多个w c u ，主要分布在轮机员房间、餐厅、休息室等，及 时通知工作人员进行报警应答。w b u 和w c u 通过c a n 总线与r o s 进行数据通信。 w b u 主要的职能是将报警信息发送到驾驶台，指示和接收与其他值班室换班。 w b u 配有液晶显示屏及报警指示灯方便报警提示。每个w b u 可以显示4 行4 0 个字符， 显示的信息分成：报警信息、节点内容、时间，并可以在发生报警时自动在液晶屏显示 节点内容。w b u 有专门供值班工作人员使用的选择和接收与其他值班室换班的功能。 w b u 通过c a n 总线与主机通信，一旦发现主机出现故障，自动切换到另一台主机， 从而提高可靠性。w b u 主的功能有：报警提示、重复报警提示；提示和接收其他值班 室工作人员；“系统出错 提示时拥有自检功能；蜂鸣、消音、测试；显示报警信息、 节点内容、时间。 w c u 模块与w b u 模块构成基本相同，其主要任务是将报警信息发送到机舱和公 共场所的工作人员。 2 3 典型设计方案 图2 2 所示报警系统构架是一般中小规模监测报警系统采用的典型方案。 图2 2 双机冗余模式的监控报警系统构架 现场总线可以采用c a n 或r s 4 8 5 总线。当采用r s 4 8 5 总线网络，则r s - 4 8 5 网 络可以通过r s 4 8 5 转r s 2 3 2 转换器接入p c 机，或者通过r s 4 8 5 转u s b 转换器接入 2 监控报警系统方案设计硕士论文 p c 机；当采用c a n 总线网络，则c a n 网络可以通过c a n 转r s 2 3 2 转换器接入p c 机，或者通过c a n 转u s b 转换器接入p c 机。 系统采用主、从机双机冗余模式工作，双机使用热备份冗余工作方式，从机相当于 主机的镜像，具有与主机完全相同的功斛1 9 】。平时从机处于预备状态，监测主机运行情 况，当检测到主机出现故障而不能正常工作时，从机自动切换成主机，并接管原主机所 有的应用，以保证系统正常运行；损坏的原主机修复后，可以很方便的作为新的从机并 入系统。从机与主机之间的测量数据同步可以通过以太网实现，也可以通过从现场总线 上侦听处理单元的应答获取。 从双机冗余角度，上述方案中可以不采用以态网，双机直接通过现场总线获取工作 状态信息。一方面，此种方案，使双机工作状态判断会出现误判，参见第四章相关问题 讨论。另一方面，从双机数据同步角度，通过低速的现场总线，双机进行大数据量通信 会明显影响系统数据采集和控制速度。 在最简单的应用中，处理单元就是一数据采集控制模块( 如泓格系列) ，其功能是 对来自传感器的信号进行采样存储，并与主机之间实现数据通信。复杂功能处理单元( 如 da t a c h e i fc 2 0 ) ，其一方面完成采样模块的基本功能，另一方面类似于一个微型监测报 警系统，完成与本单元相关通道的数据处理、显示和报警功能。 在后文的工作中将基于此框架，设计一种具有c a n 和i 峪4 8 5 接口的数据采集处 理模块，并采用c + + b u i l d e r5 开发p c 机监测综合报警软件，其可以用于r s - 4 8 5 总线 网络或c a n 总线网络。 2 4 本章小结 本章首先从系统结构和功能等方面介绍了先进的d a _ t a c l l i e fc 2 0 监控报警系统，其 主要特点是采用c a n 总线网络和处理单元具有较强的扩展功能。其次简要讨论了本文 研究工作所针对的报警系统架构，其采用以太网和现场总线网络双网结构，在此种架构 中，现场总线网络可以采用基于总线拓扑结构的r s 4 8 5 总线或c a n 总线。作为本文 的工作之一，在下章将研究设计一种具有c a n 接口的数据模块，以评估分析。 1 2 硕士论文 基于c a n 和r s 4 8 5 总线的机舱监测综合报警系统设计 3 基于d s p 的数据处理单元设计 数据处理单元( d p u - d a t ap r o c e s s i n gu i l i t ) 功能包括数据采集处理、r s 4 8 5 通信、 c a n 通信以及液晶显示等，数据采集通道支持不同类型的传感器信号接入。d p u 以轮 询的方式选通模拟通道进行采样并行变换处理，以中断方式接收上层主机查询命令和参 数设置，配置参数存入f l a s h 中作永久存储【2 0 1 。 3 1 基本要求 d p u 的工作方式有独立与组网两种工作方式，独立工作方式一般用在监测点不多 或者总线出现故障时，工作人员可以在现场通过外接键盘对节点进行参数设置、状态查 询等；组网工作方式则是将d p u 布置在监测现场，并通过总线网络与主机相连，工作 人员通过主机与d p u 进行数据通信达到对节点进行状态监测与参数设置的目的。同时 要求d p u 具备报警处理功能【2 l j 。 d p u 的i o 信号可以为模拟量和数字量，其中模拟信号包括标准的热电偶传感器信 号、标准的热电阻信号、电压信号等。 支持r s - 4 8 5 、c a n 多种通信方式。c a n 采用c a n 通信协议进行通信，波特率范 围5 0 k b p s 到l m b p s ，默认1 2 5 k b p s ；r s 2 3 2 采用m o d b u s 协议【1 9 】进行通信，波特率可 以支持6 0 0 到5 7 6 0 0 b p s ，默认9 6 0 0 b p s 。 3 2d p u 硬件设计 根据上述要求的一种基于f 2 8 1 2 【2 2 】的d p u 设计方案如图3 1 所示。 f 2 8 x 系列是美国t i 公司推出的c 2 0 0 0 平台上的定点d s p 芯片。它使用高性能静 态c m o s 技术，核心供电电压仅1 8 v ，优i 电压为3 3 v 降低了功耗；1 5 0 m i p s 大大超 过了传统1 6 位芯片的性能；另外其成本也较低，特别适用于测控场合。f 2 8 1 2 具有满 足要求的其它特性包括【2 4 】：片内有1 2 8 k 1 6 位的f l 础；拥有串行外设接口( s p i ) 、 串行通信端口( s c i ) 、增强型局域网络( e c a n ) ，5 6 个独立可编程复用通用i o 引脚。 c p l d 主要完成功能：1 ) 扩展i o 、l c d 、键盘等接口，节省f 2 8 1 2 的i o 口。2 ) 模拟通道选择、继电器输出、液晶、时钟等的逻辑控制和速度、时序匹配，利用c p l d 逻辑控制，使整个电路变得简单、实用。方案采用l a t t i c e 公司的i s p m a c h 4 0 0 0 v l 乃j 系 列c p l d l c 4 1 2 8 v ，它具有3 3 v 先进i s p ，1 2 8 个宏单元，先进高速i o 标准， 1 0 0 p i n t q f p 封装，“个可用i o 口，满足开发需要。 f 2 8 1 2 电源芯片采用德州仪器生产的t p s 7 3 h d 3 1 8 【2 4 】，它是双路输出低压差稳压器， 专为d s p 开发应用设计。使用5 v 数字电源供电，拥有两路输出电压，分别输出1 8 v 1 3 3 基于d s p 的数据处理单元设计硕士论文 和3 3 v ，每路电源的最大输出电流为7 5 0 i i 认，具有负载调节和上电复位功能。通过外 接电感完成数字电源到模拟电源的转换。 模拟量采样器件采用a d 7 7 1 2 【2 5 】，其是采用s i g m a d e l t a 转换技术的2 4 位模数转换芯 片，可用于低频信号测量。内置可编程放大器和数字滤波器处理，通过内部控制寄存器 能够控制滤波器的截止频率、输入增益、选择通道、信号极性和校准模式。 r s 4 8 5 图3 1d p u 设计原理框图 由于d s p 的s c i 模块采用t t l 电平，在串口与d s p 通信时，需要电平转换，采用r s 2 3 2 驱动芯片m a x 2 0 2 【2 6 1 ，采用m a x 4 8 5 【2 7 】完成”几电平至r s 4 8 5 转换。 c a n 通信模块采用了控制器级冗余设计，即使用两条总线、两个驱动器、两个控 制器和一个d s p 芯片，其中c a n 总线使用双绞线，c a n 总线驱动器都使用 s n 6 5 h v d 2 3 0 1 2 引，c a n 总线控制器分别是t m s