（计算机科学与技术专业论文）船舶机舱自动监测报警控制系统设计.pdf

大连理工大学硕士论文 摘要 船舶机舱监测报警系统是船舶自动化的重要组成部分，其功能主要是 检测、控制机电设备的工作状态和参数，并进行指示、报警、控制和记录。 该系统工作的可靠性直接影响到船舶的安全航行。最初的机舱自动化报警 系统主要由继电器和半导体逻辑电路组成，现在已经不适合机舱自动化的 发展要求和国际海事组织及各船级社的规定。本文以现场总线中的c a n 总线( 控制器局域网) 概念设计此系统，具有通信速率高，可靠性高，连 接方便和性能价格比高等诸多优点，非常适合工业自动化底层检测及控制。 现场总线是9 0 年代初期兴起的一种先进的工业控制技术。它是一种全 数字化，全分散式，全开放。可互操作和开放式互连网络的新一代控制系 统是计算机技术，通信技术和控制技术的综合和集成( 3 c 技术) 。而其 中的c a n 总线最初是由德国b o s c h 公司为汽车的监测，控制系统而设计 的，它能够有效地支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，由于其卓 越的特性和极高的可靠性，所以发展非常迅速。目前c a n 总线规范己被 国际标准化组织i s o 制定为国际标准s o i1 8 9 8 。 本文结台船舶的实际情况和机舱各种机电设备运行参数，运用c a n 现场总线的概念，根据世界上各主要船级社和国际海事的规定，从系统的 总体设计，关键硬件设计，p c 与c a n 的接口，系统软件和报警数据库设 计等方面详细论述了机舱报警系统的基本组成和其功能，并介绍船舶局域 网的构成和发展。通过本文的论述，力求以高效，实时，准确的网络系统 和信息概念来设计船舶机舱监测报警控制系统，最大限度地保证船舶、船 员及货物的安全。 关键词：报警监测现场总线控制局域网串行通信数据采集 大连理工大学硕士论文 a b s t r a c t e n g i n er o o ma l a r m m o n i t o r i n gs y s t e mi sai m p o r t a n tp a r to f a u t o m a t i o ns y s t e mo nb o a r d , i t sm a i n f u n c t i o ni st om o n i t o r & c o n t r o l w o r k i n g s t a t u sa n dd a t ao f e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a le q u i p m e n t s , a t t h es a m et i m ei ti n d i c a t e , 文a r m c o n t r o la n dr e c o r da c c o r d i n g l y t h e r e l i a b i l i t yi sd i r e c t l yi n f l u e n c e dw i t hs a f e t yn a v i g a t i o n t h e r s t g e n e r a t i o ns y s t e mi sb a s e do nr e l a y o rs e m i c o n d u c t o rw h i c hi sn o t f 1 f t hd e v e l o p m e n to f a b o v es y s t e mn o wa n d r e q u i r e m e n to f i m oa n d c l a s s i f i c a t i o ns o c i e 啦t h i s p a p e rd e s i g ns y s t e mw i t ht h ec o n c e p t i o no f c a na m o n gf i e l db u s f rh a ss om a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h c o m m u n i c a t i o ns p e e d , h i g hr e l i a b i l i t y , e a s yt oc o n n e c ta n dh i g hr a t e s o fc h a r a c t e r i s h ca n dp r i c e ，s oi ti ss u i t a b l ef o rb o s o mm o n i t o r i n g a n dc o n t r o li ni n d u s t r y f i e l db u si sa d v a n c e di n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g yw h i c hr i s e d i nt h eb e g i n n i n go f l 9 9 0 女i ti st h el a t e s tc o n t r o ls y s t e mw h i c hi s f u l l y d i g i t a l , d i s t r i b u t e ，o p e n , i n t e r n a l - o p e r a t e da n do p e nn e t w o r ks y s t e m a l s oi ti si n t e g r a t e dw i t ht e c h n o l o g yo f c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o l ( 3 c ) c a ni su s e do r i g i n a l l y f o ra u t o m o b i l em o n i t o r i n ga n d c o n t r o lb yb o s c hc o m p a n yo fg e r m a n i ti ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kw h i c he f f i c i e n t b , s u p p o r td i s t r i b u t e dc o n t r o lo rr e a l - t i m e c o n 打o l ，b e c a u s eo f e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i ca n dh i g hr e l i a b i l i t y , i ti s d e v e l o p e dr a p i d l yn o wc a n p r o t o c o li ss a p u l a t e da st h es t a n d a r do f t s 01 1 8 9 8b yi s o a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f m a i nc l a s s i f i c a t i o ns o c i e t ya n d i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) ，t h ep a p e rd e t a i l - e x p o u n d c o m p o n e n t sa n d f u n c t i o no f e n g i n er o o ma l a r m m o n i t o r i n gc o n t r o l s y s t e m , m a j o ri nw h o l es y s t e md e s i g n , k e y - h a r d w a r ed e s i g n , i n t e r f a c e b e t w e e np ca n dc a n , s y s t e ms o f t w a r ea n da l a r md a t ab a s ee t c ， b a s e do na c t u a lc o n d i t i o no fv e s s e la n da l le l e c t r i c - m e c h a n i c a l e q u i p m e n t s i ne n g i n er o o m a l s ot h ep a p e ri n t r o d u c et h e c o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fl a no n b o a r d a c c o r d i n g t o 大连理工大学硕士论文 d e s c r i p t i o ne n c l o s e d , w r i t e rt r yt od e s i g nt h ee ra l a r m m o n i t o r i n g c o n t r o ls y s t e mw i t h c o n c e p to fe f f i c i e n c y ，a c c u r a c y , r e a l - t i m e n e t w o r ka n di n f o r m a t i o ni d e a , m a x e n s u r et h es a f e 纱o fv e s s e l c r e w sa n dc a r g o k e yw o r d s ：a l a r m m o n i t o r i n g , f i e mb u s c o n t r o la r e an e t w o r k , s e r i a l c o m m u n i c a t i o n , d a t ac o l l e c t i o n , 大连理工大学硕士论文 第一章现场总线的概念和网络体系 1 1 微机自动检测的发展和特点 微机在工业测控领域中的应用可大致划分为以下几个阶段： ( 1 )以单个控制器为核心的嵌入式测控系统( e c s ) ； ( 2 )多台下位机与一台上位机之间进行通信的集散式测控系统( d c s ) ； ( 3 )多控制器之间互连构成网络的现场总线测控系统( f c s ) 。 f c s 是新一代分布式控制结构，它有两层结构( 工作站智能现场仪 表) 即可完成d c s 中的三层结构( 操作站控制站现场总线仪表) 功 能，降低了成本，提高了可靠性，而且可实现真正的开放式互连结构。 1 2 现场总线的产生和发展 1 2 1 现场总线的产生 在计算机数据传输领域中，r s 2 3 2 和c c i t t v2 , 4 通信标准被广泛应 用，但是由于其传输速率低和点对点的数据传输方式，导致其没有能力支 持更高层次的计算机之间的操作。另外在工业现场控制和生产自动化领域 需要使用大量的传感器，执行器和控制器等。由于它们分布的范围非常广， 如果在最低层采用传统的星型拓扑结构，或采用流行的l a n 组件及环型 或总线型拓扑结构，必将导致安装成本和介质造价非常昂贵，现场总线正 是在这种需求下产生的。 在过程控制领域中，从六十年代至今一直都在使用着一种信号标准， 那就是4 - 2 0 m a 的模拟信号标准。七十年代，数字式计算机引入了测控系 统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理，八十年代微处理器被嵌 入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。在分布式控制系统中，微 处理器被指定一组特定任务，通讯则由一个带有附属网关的专有网络提供。 随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以i c 代替常规电子线路，以 微处理器为核心，实施信息采集，显示，处理，传输及优化控制等功能的 智能设备。一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字化智能化仪表产 3 大连理工大学硕士论文 品其本身具有了诸如自动量程转换，自动调零，自矫正，自诊断等功能， 还提供故障诊断，历史信息报告，状态报告，趋势图等功能。通讯技术的 发展，使数字化信息传送的网络技术开始广泛应用。与此同时，基于质量 分析的维护管理，与安全相关系统的测试记录，环境监视需求的增加，都 要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使得 现场仪表与上级控制系统的通讯量大增，另外，从实际应用的角度，控制 界也在不断在控制精度，可操作性，可维护性。可移植性等方面提出的需 求。由此导致现场总线的产生。 1 2 2 现场总线的发展 现场总线是9 0 年代初期兴起的一种先进的工业控制技术，和d c s 相 比有许多的优点，它是一种全数字化，全分散式，全开放，可互操作和开 放式互连网络的新一代控制系统：是计算机技术，通信技术和控制技术的 综合和集成( 3 c 技术) ：它将通信线一直延伸到生产现场设备，用于过程 自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，它将传 统的d c s 三层网络结构变成两层网络结构“工作站现场总线智能现场仪 表”，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。 它作为工业数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设各之 间及其与更高控制层次之间的联系。它不仅仅是一个基层网络，而且还是 一种开放式，新型的全分布式控制系统。 所以自它诞生之日起，就对d c s 形成强有力的挑战。目前现场总线已 成为世界上自动化技术的特点，世界上许多工控领域的巨人，如r o s e m o u n t 公司等都在积极开展f c s 技术的应用和开发工作。图1 1 是一个现场总线 控制系统的简图。 1 3 现场总线的概念及特点 1 3 1 现场总线的概念 现场总线是“在制造，过程现场和安装在生产工具控制室先进自动化控 制装置中所配置的主要自动化装置之间的一种串行数字通信链路：可进行 4 大连理工大学硕士论文 全数化，双向，多站总线式的信息数字通讯，实现相互操作以及数据共享， 现场总线主要用于控制，报警和事件报告等： 作，现场总线的通信协议的 基本要求是响应速度和操作的可预测性的展优化。是一种低层次的网络协 议，在其上还允许有上级的监控和管理网络，负责文件的传送等工作。 监控站 网络接口| j 智能控制器i i 智能执行器i i 智能传感器ii 路阜器i 智能传感器 智能执行器 图1 - 1 现场总线的控制系统简图 1 3 2 现场总线的特点 现场总线上的每个节点在拓扑结构上具有平等的地位，只是系统的设 计者赋予各节点不同的职能，从数据管理的角度上实现了完全分散的数据 库概念，可实现对等的，全分布式的互操作控制方式。现场总线的数据传 输全数字化。现场装置存在一定的自治功能，即使在局部出现问题的时候， 系统中的其它部分仍可以按既定的规律继续进行。 现场总线的特点如下： ( 1 ) 在分级控制系统中，采用现场总线的系统可能具备足够的智能( 数 字计算能力) ，但只执行简单的节点顺序或一种控制方式等较低级功能； ( 2 ) 现场总线经常只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种报 文做为与较高一级的控制系统实现设备往返传送的有效手段： ( 3 ) 采用现场总线的系统通常费用较低，可以与上层网络连接的费用 也不高。 大连理工大学硕士论文 传统的现场仪表的4 m a 2 0 m a 两线制标准，在一对线上只能传输单个 信号信息，与能同时分享同一电缆传输信息的全数字化的现场总线相比， 资源利用率低，现场总线可完全取代传统的4 - 2 0 m a 模拟信号回路，以提 高数据传输的可靠性与准确性，通过双向的通讯对变送器进行远程测试， 诊断和管理。 与传统的模拟信号的点对点的接线法相比，现场总线有如下优势： ( 1 ) 与上级系统通讯，不需要模拟信号转换为数字信号的环节，使精 确度提高； ( 2 ) 由于采用总线的方式，减少大量的连线，从而降低设计，材料和 安装的费用； ( 3 ) 配电盒的尺寸和其他方面的空间需求减少，使生产区的开放空间 增大： ( 4 ) 线缆数量减少，意味着维护工作量的减少； ( 5 ) 物理上的网络结构简化。 1 4 现场总线的种类 根据现阶段国际上现场总线的发展情况，有影响的现场总线主要有以 下几种： ( 1 ) c a n 控制器局域网络 ( 2 ) l o n w o r k s 局部操作网络( l o c a lo p e r a t i o n n e t w o r k ) 1 9 9 1 年推出后，发展很快，其应用范围包括工业控制，楼宇自动化， 航空航天等，几乎囊括测控应用的所有领域，但l o n w o r k s 不属于1 e c 现场总线标准之列。 ( 3 ) h a r t 可寻址远程传感器通路( h i g h w a ya d d r e s sr e m o t e t r a n s d u c e r ) 严格的讲，h a r t 不属于现场总线，而是模拟系统向数字系统过渡的 一种产品，目前世界上h a r t 协议的产品仍在生产，但现场总线的产品大 量上市，而价格能与之接近。 ( 4 ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 6 大连理工大学硕士论文 t l1 9 8 0 问世以来，由于其严格的定义和完善的功能使其成为开放式系 统的典范，目前世界上约有五百家厂商加入了p r o f i b u s 用户协会，并提 供近千种p r o f i b u s 产品，著名的s i m e n t s 公司可提供1 0 0 多种p r o f i b u s 的产品。该总线与1 9 9 1 年正式成为德国现场总线国家标准( d i n l 9 2 4 5 ) ， 并于1 9 9 8 年又成为欧洲标准( e n 5 0 1 7 0 ) 。 ( 5 ) f f 现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 是国际上公认的唯一不属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组 织，其宗旨是制定单一的国际现场总线标准，无专利许可要求，供任何人 使用。 1 5 应用现场总线的益处 现场总线采用数字式集线器法，先将现场装置通过集线器连接散布到 整个工厂内的配电盒，然后用一对线缆将配电盒连接到上级控制终端，据 杜邦公司的工厂应用表明，可节省大量的接线，节省了控制室的空间，降 低了现场线缆间的近端串扰，还减少了i o 接口数量配电架和安装工作量， 节省1 5 2 0 的安装费用，同时可以将变送器按地域或功能定义成相应的 组群，便于管理，达到了结构简化的目的，降低了安装和维护费用。具体 来讲，应用现场总线有如下益处： ( 1 ) 可以减少一半到三分之二的隔离器、端子柜、i o 终端、1 1 0 卡 件、i o 文件及i o 柜子，这样就节省了i o 装置及装置室的空间。 ( 2 ) 由于免去了d a 与a d 转换，使精度可以从0 5 到1 。 ( 3 ) 可以减少大量电缆，费用可以节省6 6 或更多。 ( 4 ) 可以生产先进的智能化现场仪表，如多变量的变送器和执行器， 使维修预报( p r e d i c t e dm a i n t a n c e ) 成为可能。 ( 5 ) 由于可以将f i d 功能植入到变送器或执行器中，使控制周期大为 缩短，目前可以从d c s 的每秒调节2 - 5 次增加到每秒调节1 0 一2 0 次，从而 改善了调节性能。 ( 6 ) 组态简单，安装、运行、维修方便。 ( 7 ) 用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成。 f c s 吸取了传统d c s 封闭缺陷的教训，采取趋于开放化，标准化的措 7 大连理工大学硕士论文 施。由于突破了传统d c s 的专用封闭网络协议，各个厂家的现场总线产品 可实现互操作，遵照统一的国际标准，在某一协议下开发的应用，可无须 的变更便能移植到另一协议。现场总线实现各现场仪表装置间的互连与互 操作性，允许用户选择不同厂家的产品，使用户具有高度的系统集成主动 权。 在可扩展性方面，突破原有系统的i o 槽位的限制，可构造更大规模 的复杂控制系统，在系统维护管理方面，可逐步实现设备可被管理，可对 分布在各地的装置方便的进行管理，而且，现场总线把许多控制功能下放 到现场智能仪表真正实现了分布式控制。 1 6 现场总线的网络体系 1 6 1 现场总线的拓扑结构 基本的网络拓扑结构有总线网、环型网、星型网等，现场总线的网络 拓扑结构有环型、总线型、树型以及几种类型的混合等。 环型网中以令牌环型网最为典型，其特点是时延确定性好；重载时， 网络效率高；轻负载对，要等待令牌产生不必要的肘延，成本较高。 总线网的特点是站点接入方便，成本较低：轻负载时，时延小，站点 多，通信任务重时时延明显增大，网络效率下降；时延不确定性；对时 延应用不利。 树型网是总线型网的一种变型，其特点是可扩充性好；有较宽的频带； 站点间通信不方便。 总线网的争用总线使得它不适于实时处理突发事件，解决通信冲突的 方法有： 采用令牌总线网。令牌总线网中的令牌环绕一周的时间虽然有一 个上限，但它在轻负载的时候性能不太好，可靠性比总线网差些， 综合总线网与令牌总线网的优点，采用令牌总线网，即在物理上 是一个总线网，在逻辑上是一个令牌网。 令牌总线网既具有总线网接入方便，可靠性较好的优点，也具有 令牌环网“无冲突”和时延确定性好的优点。 e r c s m a ( p r e d i c t i v ep e r s d i s t e n tc a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 概 大连理工大学硕士论文 率p ，坚持载波监听多点接入技术。e e c s m a 是载波监听多点接 入的一种改造协议。c s m a 是每个站点在发送数据前监听信道中 其它站点是否在发送数据，从而减少发生冲突的可能性。 e e c s m a 是在监听到信道忙时，仍坚持监听下去，一直坚持到听 到信道空闲为止，并且一听到信道空闲就立即发送数据，这种策 略的出发点是抓紧一切有利时机发送数据。但如果有两个或多个 的站同时在监听信道，则一旦信道空闲就必然发生这些同时发送 的帧相互冲突。e e c s m a 是当听到信道空闲时，就以概率p 发 送数据，而咀概率( 1 - p ) 延迟段等于端到端的传输时间，重新 监听信道，从而避免冲突，提高信道的利用率。在c a n b u s 中， 采用e e c s m a 技术。 冲突检测载波监听多点接入技术c s m a j c d ( c s m aw i t h c o l l o s i o nd e t e c t i o n ) ，它的基本功能是边发送边监听，只要听到 发生冲突，则冲突双方就停止发送。 1 6 2 现场总线网络的数据通信 现场总线有四种数据通信工作模式：对等( p e e rt op e e r ) 、主从、客 户朋务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 以及网络计算机结构( n e t w o r kc o m p u t e r i n g a r c h i t e c t u r e ) 。 a ) 主从工作模式 在主从工作方式中，数据通信方式有：点对点通信，广播通信和组播 通信等，实现通信的方法有调度表法和令牌法。 b ) 客户朋务器工作模式 在c l i e n t s e r v e r 工作模式中，由c l i e n t 发出一个请求，按请求进程的 要求，由s e r v e r 做出响应，执行服务。 c ) 网络计算结构( n c a ) 工作模式 n c a 是基于分布式网络计算机环境的一种工作模式。 1 6 3 网络扩展与网络互连 网络扩展与网络互连在现场总线的网络结构中具有重要的意义。它既 9 是扩展现场总线地域、规模、功能的需要，也是不同结构、不同操作系统 异构网互连的需要。 1 6 3 1 网络扩展 网桥是网络扩展最常用的方法，网桥从端口接收网段上传送的信息帧， 并存放在其缓冲区内，如果帧无差错，且欲发往另一段网段的目的站，则 通过查找站表，将收到的帧转发出去。这样实现信息帧从一个网段源站到 另一网段目的站的传送。 使用网桥的好处是：扩大了物理范围，增加了工作站的最大数目，可 使用不同的物理层，过滤通信量，减轻了网络负荷，改善了网络性能。在 现场总线中一般采用透明网桥。 1 6 3 2 网络互连 一个站点要和不同的网络的站点通信，必须经过路由器。路由器是网 络互连必不可少的设备。 ( - - ) 寻址方式和地址分配 现场总线地址采用分级逻辑寻址方式。现场总线全部地址空间分为三 段：区域、子网、站点，如图1 - 2 所示： 图1 - 2 现场总线网络互连 1 0 丈连理工大学硕士论文 现场总线使用逻辑寻址方式，这样不管站点采用什么设备或是否膂换 都具有相同的逻辑地址，网络上任何时候引用这个站点都无须加以改变。 现场总线的地址分配有两种方式：区域、子网、站点方式和区域、组 地址方式，分别见表1 - 1 和表1 - 2 ： 表1 - 1 地址分配按区域，子网，站点方式 区域组地址 0 ，1 ，3 或6 字节8 位 表1 - 2 地址分配按区域，组地址方式 采用组地址方式时，组内站点和站点在区域内的物理位景无关，这样 一个站点可以与不同子网中的多个站点进行信息交换。采用区域、子网、 站点方式，在一个区中最多可定义2 5 5 子网。每个子网最多可有1 2 7 个站 点这样一个区最多可有3 2 3 8 5 个站点。 ( 二) 路由器和路由选择 现场总线选路方法有两级，一级是不同区域子网间的选路，一级是区 域内不同子网的选路，对应的有两类四种不同的选路协议和路由器。 边界网关协议b g p ( b o r d e r g a t e w a y p r o t o c 0 1 ) b g p 是区域间选路协议，该协议完成区域外部邻站获取、邻站可达性 测试以及选路更新等功能。 内部网关协议i g p ( i n t e r n a lg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) i g p 是区域内的选路协议，常用的内部网关协议有： a ) 选路信息协议r i p ( r o u t i n g i n f o r m a t i o n p r o t o c 0 1 ) r i p 是一个基于距离的量的选路协议，这种协议在网络正常时，路由 器可找到更短的路由，信息传递快，而在网络故障时，路由器就不易找到 更短的路由，信息传递量较馒。 b ) h e l l o 协议 h e l l o 协议是基于路由的网络时延原则的协议，对网络响应时间敏感 大连理工大学硕士论文 的站点比较有用。h e l l o 协议完成各站点时间同步，找出到达目的站最小时 延的路由等功能。 c ) 开放最短通路优先协议0 s p f ( o p e ns h o r t e s t p a t h f i r s t ) o s p f 协议也称链路状态向量协议( l i n ks t a t ev e c t o r p r o t o c 0 1 ) ，o s p f 协议中的每个路由器不断测试所有相邻路由器的状态，同时周期性的向其 它路由器广播链路的状态。当链路状态变化时，路由器根据最短通路算法， 计算最短通路。除此之外，o s p f 还有服务器类型选路和负荷平衡功能。 1 2 大连理工大学硕士论文 第二章c a n 总线的介绍 2 1c a n 的定义和特性 c a n ( c o n t r o l t e an e t w o r k ) 即控制器局域网，它是一种主要用于各种 过程( 设备) 监测及控制的一种网络，可有效地支持分布式控制或实时控 制的串行通信网络，其有通信速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比 高等诸多优点，因此其应用发展非常迅速。c a n 最初是由德国b o s c h 公司 为汽车的监测、控制系统而设计的。由于c a n 具有卓越的特性及极高的 可靠性，特别适合于工业过程中监控设备的互连，因此，越来越收到工业 界的重视，目前c a n 总线规范已被国际标准化组织i s o 制定为国际标准 i s 0 1 1 8 9 8 ，并且得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p s 等大半半导体器件生产厂家 的支持，迅速推出各种集成有c a n 协议的产品。具体来讲，c a n 有如下 特性： ( 1 ) 采用通讯数据块编码，可以实现多主方式工作，网络上任意一个 节点均可以在任何时候主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从， 通信方式灵活。 ( 2 ) 可以点对点，点对多点( 成组) 及全局广播方式传送接收数据。 ( 3 ) 网络上的节点信息可分为不同的优先级，可以满足不同实时要 求。 ( 4 ) 采用非破坏性总线仲裁技术。具有暂时错误和永久性故障节点的 判别及故障节点的自动脱离功能，使系统的其它的节点通信不收影响；同 时c a n 具有出错帧自动重发功能，可靠性高。当两个节点同时向网络上 发送数据时，低优先级的节点主动停止数据发送，而高优先级的节点可不 受影响的继续传送数据，大大节省了总线冲突的时间，在网络负载很重的 情况下也不会出现网络瘫痪。 ( 5 ) 直接通信距离最大可1 0 k m ( 速率5 k b s 以下) ，最高通信速率可 1 m b s ( 此距离最长为4 0 m ) ，节点数可达】0 个，传输介质可以是双绞线、 光纤等。 ( 6 ) c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧有效的字节数为8 个，这 样一来传输时间短，受干扰的概率低，并且当c a n 节点发生严重错误时， c a n 具有自动关闭节点的功能，自动切断与总线的联系，使总线上的其它 大连理工大学硕士论文 节点及其通信不受影响，所以，具有较强的抗干扰能力。 ( 7 ) 价格相对较低。 ( 8 ) c a n 协议遵循i s o o s l 模型，采用了其中的物理层、链路层和应 用层的结构。 ( 9 ) 不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，增强了系统的灵活性和可 扩展性。 ( 1 0 ) 用统一的标准和规范，使设备之间具有较好的互操作性和互换 性，通用性好。 c a n 协议的一个晟大的特点是对通信数据块进行编码( 取消了传统的 对站地址的编码) ，数据标识码可有l l 位( c a n 2 0 a ) 或2 9 位( c a n 2 0 b ) 二进制数组成，最多可定义2 1 l 或2 - 2 9 个数据块，从而使网络节点数在 理论上不受限制，这种按数据块编码的方式还可使不同的节点同时接收相 同的数据，这一点给分布式控制系统中实现模块间的数据和控制信息共享 带来了极大的方便，c a n 协议采用c r c 校验提供响应的错误处理功能， 保证了数据通信的可靠性。 从c a n 网络的物理结构上看，它属于总线式通讯网络，这一点与 b i t b u s 、r s 4 8 5 相似，却有着本质的区别，它与一般的网络区别体现在： ( 】) 它是专门用于工业自动化领域的网络，不同于以太网等管理及信 息处理用网络； ( 2 ) 其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化底层检测及控制； ( 3 ) 包含目的地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反 映数据性质的标识符过滤报文，该收的收下，不该收的不用，其好处是可 在线上网下网，即插即用和多站接收； ( 4 ) 特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它需求的系 统要求。 2 2 c a n 的通信规则 c a n 总线基于下列五条基本规则进行通信协调： ( 1 ) 总线访问：c a n 控制器只能在总线空闲状态期间开始发送，所以 所有c a n 控制器同步于起始的前沿( 硬同步) ； 1 4 大连理工大学硕士论文 ( 2 ) 仲裁：若有两个或更多的c a n 控制器同时发送，总线访问冲突通 过仲裁场发送期间位仲裁处理方法予以解决： ( 3 ) 编码解码：帧起始，仲裁场，控制场。数据场，和c r c 序列使用 位填充技术进行编码： ( 4 ) 出错标注：当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时， 检测出错期间的c a n 控制器将发送一个出错标志： ( 5 ) 超载标注：一些c a n 控制器发送一个或多个超载帧以延迟下一个 数据帧或远程帧的发送。 由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行 标定调整及运行诊断，甚至可在故障发生前进行预测。远程维护和控制在 采用数字通信和现场仪表后也将成为可能。 2 3c a n 的分层结构 计算机通信任务是一项非常复杂的任务为了研究计算机通信任务的 体系结构，国际标准化组织( i s o ) 于1 9 7 7 年建立了专门的委员会，并于 1 9 7 8 年提出了开放系统互连( o s i ) 参考模型，如图2 1 所示，o s i 参考 模型采用分层结构，将通信网络的软硬件功能分为七个层次，它具有等屡 通信，向上服务的特点。 但是只要具备o s i 参考模型中最基本的三层功能，即提供一条非结构 位流传送物理通道的物理层在物理连接的基础上建立、维护及拆除数据 链路连接的数据链路层，以及实现报文与报文分组交换，支持网络连接的 实现及向传送层提供透明的数据传输的网络层，信息就可以在通信网络中 任何节点之间顺利传输。 c a n 遵从o s l 模型，按照o s i 的基准模型，c a n 结构可以划分为数 据链路层和物理层两层。按照i e e e 8 0 2 2 和i e e e e 8 0 2 3 标准，数据链路层 又分为逻辑链路控制层( l l c ) 和媒体访问控制层( m a c ) ，物理层又分 为物理信令( p l s ) 、物理媒体附属装置( p m a ) 和媒体相关接口( m d i ) 。 流量和差错控制在数据链路层执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用 层执行。c a n 总线音g 分层参考模型如图2 - 2 所示。 大连理工大学硕士论文 用户用户 a p p l i c a t l o na p p l i c a t i o n 应用层应用层 p r e s e n t a t i o np r e s e n l 姗i o n 表达层表达层 s e s s i o ns e s s i o n 会话层 会话层 t r a n s p o r ，r t r a n s p o r t 传送层传送层 n e t w o r kn e t w o r k 网络层网络层 d a l t a i 仆d a t a l i n k 数据链路层数据链路层 p h y s i c a l p h y s i c a l 物理层 物理层 物理介质 () 图2 - 1i s o o s i 参考模型 用户用户 a p p l i c a t i o n a p p u c a t i o n 应用层应用层 d a l r n k d a t a i ，i n k 数据链路层 数据链路层 p h y s i c a l p h y s i c a l 物理层物理层 物珲介质 ( ) 图2 - 2c a n 总线参考模型 6 大连理工大学硕士论文 2 4c a n 总线的数据通信 2 4 1c a n 报文格式 c a n 系统中，数据在节点发送和接收是以4 种不同类型的帧( 数据、 远程、出错、超载帧) ，最常见的是数据和远程帧。每种帧都有其相应的帧 格式。c a n 控制节点发送数据是按表2 1 进行的： 表2 - 1c a n 发送数据的帧格式 2 4 2c a n 节点状态 c a n 总线上的每个节点总处于错误主动，错误被动脱离总线其中的一 种状态。c a n 协议定义了五种错误类型，并由c a n 控制器的发送错误寄 存器( r e c ) 和接收错误寄存器( t e c ) 分别对错误进行计数。c a n 节点 的状态便由这两个错误寄存器决定，当两个寄存器的值小于1 2 6 时，节点 处于错误主动状态，此时节点遇到错误发送主动错误帧；当其中的一个错 误寄存器的值大于1 2 6 时节点处于错误被动状态，此时节点遇到错误发 送被动错误帧。当发送寄存器的值大于2 5 6 时，节点处于b u so f f 状态。 此时节点对总线无影响。 c a n 总线上没有任何节点发送信息时，总线状态称为“空闲”，总线 上的电平为“隐性电平”( r e c e s s i v el e v e l ) ，一旦发送产生时，最先发送 的那个节点的帧起始( 一个单“显性”位) 使所有的节点产生硬同步，另 外，在通信进行的过程中，所有的节点还要根据总线上位信号的电平变化 而进行同步。 c a n 控制器不停地接收总线上的数据，由此完成对总线的监听。当发 送报文时，接收盼数据会被放入接收缓存并与发送的数据进行比较。若发 送的报文表示符是“1 ”，接收是“0 ”( 总线完成线与的功能) ，则该节点停 止发送。等总线空闲时，重新发送报文，这样来完成总线仲裁，一节点发 送完一份报文后，可在该节点的接收缓存找到该报文，该报文被随后接收 的数据覆盖。 1 7 大连理工大学硕士论文 c a n 节点监听到其他节点发送的错误帧后，会根据自身的状态发送相 应的错误帧，故总线上的错误帧是由所有的c a n 节点发送的错误帧叠加 而成，c a n 通过它来完成局部错误全局化。 2 4 3c a n 的帧结构 c a n 控制器支持四种不同的c a n 协议类型：数据帧，远程帧，出错 帧和超载帧。 数据帧从一个发送节点传送数据到一个或多个接收节点。一个数据帧 有七个不同的位场组成如图2 - 3 所示：帧起始，仲裁场，控制场，循环冗 余校验( c r c ) 场，应答场，帧结束。 帧结 帧 仲裁域控制域数据域c r c 域 应豆舅 起 答 始 1 1 位数据长0 - 8 字5 位 标识符 r t ri d er 0 度代码节数据c r c 域 域 图2 - 3 数据帧的结构示意图 1 8 大连理工大学硕士论文 第三章系统设计 本系统的设计主要是根据国际海上人命安全公约( s o l a s ) 和各大船 级社( 如d n v 、a b s 、b v 、c c s ) 对2 4 小时无人机舱的要求，检测控制 机电设备的工作状态和参数。 微型计算机控制的船舶机舱监测报警控制系统的功能是用于监视机舱 内各运行设备温度、压力、液位等其它相关参数，并将有关参数采集至机 舱室监控系统，当出现极限状态或系统内部发生故障时，自动发出声光报 警信号，并将报警延伸至值班轮机员的生活场所和驾驶室控制板，同时自 动显示、记录报警点及发生报警的时间，或操作人员随机打印和选点显示。 3 1 总体方案的设计 首先定义各节点的功能，确定各节点检测或控制的数目、类型、信号 特征，对实时性的要求等。这是进行微机测控系统网络化的第一步，原则 是尽量避免重复测试。即需要运用现场总线构成网络的节点有多少。规模 的大小对选用哪种现场总线有影响：c a n 晟多可接设备达1 1 0 个，根据船 舶设计的要求，一般船舶监测系统的检测点大约为3 0 0 6 0 0 个，而特殊船 舶，如滚装船、液化气船等，其检测点的数目会达到1 0 0 0 多个。 其次考虑环境条件，包括节点的分布远近、现场的安全防爆要求，电 磁环境等，环境条件的不同，对选用哪种现场总线也有影响。首先节点分 布的远近决定通信线路的长度，而这方面不同的总线其能力是不一样的， 其变化范围为几十米至此1 0 公里。现场电磁环境的优劣，决定了选用构成 网络的通信介质，如果现场电磁干扰等很严重，最好选用光纤作为传输介 质。 再进一步，选择各节点控制器和相应的c a n 适配元件，由于各测控 元件节点功能相对单一，数据量少，因此对c p u 的要求大大降低，一般采 用8 0 5 1 系列的单片机即可满足要求。c a n 总线适配器件主要有：控制器 接口、总线收发器和l l o 器件。 最后，按照c a n 总线物理层协议选择总线介质，设计布线方案，连 9 大连理工大学硕士论文 接成c a n 网络，如图3 - 1 所示。 监控计算机1 监控计算机2 节点1 节点2 i s a 规范接口卡p c 1 0 4 适配器 i c a n , 馘 c a n 接口卡c a n 接口卡 c a n 接口卡 节点3 节点4 节点5 智能仪器仪表现场控制设备 其他应用 图3 0 1c a n 网络初步设计方案框 为进一步提高系统的可靠性，需要考虑系统的冗余设计，双绞屏蔽线 可设两套在两套介质上同时进行信息传输，接收方只用一个介质，在冗 余和非冗余的连接临界点处进行总线切换。 3 1 1 设计中的可观性和可控性 大体可以分为系统分析和系统设计两方面； 3 1 1 1 系统分析 ( 1 ) 目标和功能： ( 2 ) 初始方案，分析方案是否合理； ( 3 ) 资金，人力物力设备的分配使用情况； ( 4 ) 关键技术问题，进行分析研究，确定任务，初步方案。 3 1 1 2 系统设计( 下堆式) 结构化设计 ( 1 ) 功能结构设计 大连理工大学硕士论文 ( 2 ) 系统组织结构( 物理结构) 设计 ( 3 ) 信息结构和动作结构的设计 ( 4 ) 各子系统的设计和制造 ( 5 ) 总装调试和实验分析 3 1 2 徽机和传感器的选择 系统设计的关键是根据系统划分的硬件和软件功能。 3 1 2 1 微机 如控制系统要求图形显示，并用软盘和硬盘读出数据以及要求文字支 持系统，那么可以选用现成的各种微机组成自动检测系统的主机。 如果测试系统无这类要求，则可用单片机或用微处理芯片组成专用的 系统。 单片机由于内部有c p u 、r a m 、r o m 、i o 接口、c t c 电路，在某 些单片机上还集成有a d 、d a 和模拟多路开关，它实际上是一个完整的 微型计算机。 ( i ) 主机字长的选择 字长越长，控制和运算能力越强，但成本高。 8 位1 6 位微处理器适用于小规模简单的检测监控系统。 ( 2 ) 寻址范围和寻址方式 地址的长度 ( 3 ) 指令的功能 若侧重控制，注意访问外部设备( 或接1 ：3 ) 的指令的功能；若用于数 据处理的系统，还要注意数据