CAN總線冗余的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一、引言

船舶監(jiān)控系統(tǒng)是保證船舶安全、高效運(yùn)行的重要設(shè)備。傳統(tǒng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)多采用主從分布式控制或集散式控制，但這些控制方式存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制集中等缺點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文提出了一種基于CAN總線冗余的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用冗余總線設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元中，并通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交互。

二、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用冗余總線設(shè)計(jì)，將船舶機(jī)艙的監(jiān)控任務(wù)分散到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元中。每個(gè)監(jiān)控單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、控制運(yùn)算和輸出等工作。這些監(jiān)控單元通過兩條獨(dú)立的CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和監(jiān)控。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

（此處應(yīng)插入系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖，但由于文本格式限制，無法直接插入）

在圖1中，模擬量輸入板卡和數(shù)字量輸入板卡通過接插件連接到主控制器板上。主控制器完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到其他CAN節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，主控制器還接收并解析其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模塊的控制。

三、主控芯片型號(hào)及作用

1. MC9S08DZ16

• 型號(hào)介紹：MC9S08DZ16是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位單片機(jī)。

• 基于內(nèi)核：基于HCS08內(nèi)核，最高運(yùn)行時(shí)鐘頻率為40 MHz，最多支持32個(gè)優(yōu)先級(jí)。

• 內(nèi)部集成資源：內(nèi)部集成有16 KB Flash存儲(chǔ)器、1 KB SRAM、512 B在線可編程EEPROM、1個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器、多種節(jié)電模式以及2種超停止模式。同時(shí)，內(nèi)部集成CAN2.0 A/B控制器以及多種標(biāo)準(zhǔn)串行接口。

• 作用：作為主控制器，MC9S08DZ16負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、打包和發(fā)送。其高性能和豐富的內(nèi)部資源使其能夠滿足船舶監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

2. C8051F040

• 型號(hào)介紹：C8051F040是Cygnal公司出品的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）。

• 基于內(nèi)核：具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核，內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)周期降為1個(gè)系統(tǒng)周期，峰值性能達(dá)到25MIPS。

• 內(nèi)部集成資源：集成有CAN控制器、高速A/D轉(zhuǎn)換器等，可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

• 作用：C8051F040可以作為智能測(cè)控單元的核心芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。其集成的CAN控制器和高速A/D轉(zhuǎn)換器使其能夠高效地處理船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。

四、CAN總線冗余設(shè)計(jì)

在船舶機(jī)艙中，工況條件十分惡劣，各種電磁干擾對(duì)物理鏈路及數(shù)據(jù)鏈路的正常工作都有嚴(yán)重的影響。為了保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常工作，本系統(tǒng)采用了CAN總線冗余設(shè)計(jì)。

1. 冗余方式

   冗余方式主要有兩種：后備方式和同時(shí)運(yùn)行方式。

   本系統(tǒng)采用了一種介于兩種方法之間的物理冗余技術(shù)。物理鏈路的冗余使用2條總線電纜和2個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器，且在總線控制器與2個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器之間增加了一個(gè)判斷電路。

• 后備方式：一套總線運(yùn)行，另一套備用。當(dāng)運(yùn)行總線發(fā)生故障時(shí)，啟用備用總線。

• 同時(shí)運(yùn)行方式：兩套總線同時(shí)運(yùn)行，如果其中一套發(fā)生故障，另一套仍能維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2. 判斷電路

   判斷電路以時(shí)間優(yōu)先為選擇原則，即哪一路報(bào)文搶先到來，哪一路報(bào)文就被選中。在判斷電路中，設(shè)置了兩個(gè)可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它們分別與兩條總線對(duì)應(yīng)，檢測(cè)報(bào)文及其到來的情況。

   當(dāng)報(bào)文到來時(shí)，總線驅(qū)動(dòng)器首先出現(xiàn)一個(gè)低電平報(bào)文的幀起始位，其下降沿觸發(fā)單穩(wěn)，使其輸出產(chǎn)生一個(gè)高電平寬脈沖。通過調(diào)整電容的充放電時(shí)間，該脈沖經(jīng)報(bào)文中對(duì)應(yīng)的多次下降沿觸發(fā)而一直持續(xù)到報(bào)文結(jié)束。

   在總線正常的情況下，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)文時(shí)，兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器均產(chǎn)生高電平寬脈沖，該高電平脈沖送入RS觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)間優(yōu)先比較。對(duì)于優(yōu)先者，觸發(fā)器給對(duì)應(yīng)的或非門低電平，開通相應(yīng)總線的信號(hào)通道；對(duì)于滯后者，觸發(fā)器用高電平關(guān)閉對(duì)應(yīng)的或非門。當(dāng)總線無報(bào)文時(shí)，兩個(gè)信號(hào)通道均暫時(shí)關(guān)閉。

   一旦某一總線發(fā)生故障，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器上的接收端保持在某一電平狀態(tài)，相應(yīng)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不被觸發(fā)，其輸出始終保持在低電平上。因此，RS觸發(fā)器用高電平封鎖住或非門，使這個(gè)信號(hào)通道被關(guān)閉。異或門用來向CPU提供總線故障中斷信號(hào)。

3. 故障處理

   當(dāng)接到中斷后，通過I/O口分別查詢兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出即可對(duì)故障定位。隨后，可以發(fā)送一個(gè)故障警報(bào)信號(hào)，通過正?？偩€通知給系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備，以便及時(shí)處理。

五、數(shù)據(jù)采集與處理

本系統(tǒng)采用CAN的K-85系列產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集模塊將所有參數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)，為駕控人員提供參考，完成監(jiān)視、報(bào)警、診斷和控制。

1. 模擬量輸入

   模擬量輸入模塊主要采集外部模擬信號(hào)，如010V的模擬電壓信號(hào)和420mA的電流信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過濾波、隔離和調(diào)理后，被轉(zhuǎn)換為適合采樣的模擬電壓。

   在本設(shè)計(jì)中，采用了Brown公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片RCV420，將420mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為05V電壓信號(hào)。RCV420包含1個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、1個(gè)片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和1個(gè)精密10V電壓基準(zhǔn)，其總轉(zhuǎn)換精度為0.1%，共模抑制比CMR達(dá)86dB，共模輸入電壓范圍達(dá)±40V。

2. 數(shù)字量輸入

   數(shù)字量輸入模塊主要采集外部開關(guān)量信號(hào)，完成開關(guān)量的隔離、濾波，然后送到主控制器完成對(duì)數(shù)字量的采集。

3. 數(shù)據(jù)處理

   主控制器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，發(fā)送到其他CAN節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，主控制器還接收并解析其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模塊的控制。在計(jì)算機(jī)中，以文字、列表、曲線等形式顯示現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)、變化趨勢(shì)、故障情況和報(bào)警狀態(tài)。

六、系統(tǒng)抗干擾措施

在船舶機(jī)艙中，電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的正常工作有嚴(yán)重影響。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，本系統(tǒng)采取了以下措施：

1. 電氣隔離

   在CAN控制器與收發(fā)器之間增加了6N137或6N173進(jìn)行光電隔離，切斷干擾途徑，保護(hù)CAN控制器。

2. 總線保護(hù)

   在總線上增加了防雷管和TVS作為總線保護(hù)。當(dāng)發(fā)生雷擊或其他強(qiáng)烈干擾時(shí)，防雷管能將能量泄放掉。TVS能夠?qū)⒖偩€的壓差鉗制在6.8V以下，起到保護(hù)作用。同時(shí)，在CANH和CANL與地之間各自接一個(gè)30pF的小電容，濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射。

3. 冗余設(shè)計(jì)

   如前所述，本系統(tǒng)采用了CAN總線冗余設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

七、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

1. 硬件實(shí)現(xiàn)

   根據(jù)設(shè)計(jì)方案，制作了硬件電路板，并進(jìn)行了調(diào)試。硬件電路板包括主控制器板、模擬量輸入板卡、數(shù)字量輸入板卡等。

2. 軟件實(shí)現(xiàn)

   編寫了主控制器的軟件程序，包括數(shù)據(jù)采集、處理、打包和發(fā)送等模塊。同時(shí)，編寫了上位機(jī)的監(jiān)控軟件，用于顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等。

3. 系統(tǒng)測(cè)試

   對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，包括功能測(cè)試、性能測(cè)試和抗干擾測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

八、結(jié)論

本文提出了一種基于CAN總線冗余的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用冗余總線設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元中，并通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交互。系統(tǒng)采用了高性能的單片機(jī)MC9S08DZ16和C8051F040作為主控芯片，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。同時(shí)，系統(tǒng)還采取了多種抗干擾措施，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。測(cè)試結(jié)果表明，該方案具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，適用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。