船舶监控系统的设计与实现硕士学位.docx
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船舶监控报警系统的 设计与实现 摘要 随着我国经济和技术的发展,我国船舶行业对于信息化和安全保障的需求越来越高。在这种需求的推动下,船舶电子行业在船舶工业十二五规划中被列为重点领域的重点发展方向。而监控报警系统作为船舶信息化和安全保障的基础性设备,无论是新造船只还是旧船改造都需要配备,本课题正是在此背景下进行的研究和开发。 本文设计并实现了船舶监控报警系统,系统基于CAN总线组网,是集监视船舶状态、控制监测点和报警异常数据于一体的平台。它采用双CAN冗余热备份技术,有效的保证了系统的可靠性和数据的安全性。具体的,本文针对监控报警系统的开发做了如下工作: 一.通过研究FCS和DCS系统的特点和优劣势,设计了监控报警系统所使用的主架构,具体探讨了现场总线技术的性能指标和特点,采用了CAN总线作为系统的通信总线,通过对系统通信机制的研究,提出了双CAN冗余热备份技术,作为系统安全性和可靠性的保障。 二.在监控报警系统软硬件架构的具体设计中,通过对CAN总线数据结构和通信机制的分析,提出了模块化的设计方案,提高了监控报警系统的开发效率,减少了维护成本。 三.通过监控报警系统的工作流程和报警处理流程的设计,保证了系统的安全性,并通过对系统启动后运转机制的优化处理,实现了系统资源的合理化运用。通过对监控报警系统UI的研究,开发了系统专用的控件库,实现了系统UI的模块化搭建。 四.通过延伸报警板系统的需求分析和性能指标的了解,对系统总体结构和功能进行了设计,实现了延伸报警板的通信同步,按键处理,报警搜索,CAN中断检测,自动消音,报警合并等功能。 论文的研究工作初步解决了船舶监控报警系统设计过程中的一些关键技术问题,基本满足了船舶重要设备的监控报警,集中式监控报警,监测点可配置化和远程实时报警等需求,系统人机界面友好,安全性和可靠性高,报警实时,具有很好的工程应用价值。 关键词:CAN总线,数据帧,报警流程,UI,延伸报警板 Abstract As China's economic and technology development, China's shipbuilding industry is growing demand for information technology and security. Driven by this demand, the marine electronics industry is a focus on the development direction of the focus areas by the 12th Five-Year Plan of the shipbuilding industry. Whether a new ship or an old one alteration, Monitoring and Alarm System as the basic ship information and security equipment needs to be equipped. So this subject is precisely been research and development. This paper designed and implemented the Vessel's Monitoring and Alarm System. The system is based on the CAN bus network, and it is a set of monitoring ship status, control monitoring points and alarm abnormal data in one platform. It uses redundant dual CAN and hot backup technology to ensure system reliability and data security. Specifically, this paper made the following work for the development of Monitoring and Alarm System: Firstly, by studying the FCS and the DCS system’s characteristics and the advantages and disadvantages, this paper designed the main architecture of the Monitoring and Alarm System. The paper specifically discussed the performance and characteristics of the fieldbus technology, and the Monitoring and Alarm System used the CAN bus as the communication bus of the system. Studying on the system’s communication mechanism, this paper raised redundant dual CAN and hot backup technology to ensure system reliability and data security. Secondly, on designing the hardware and software’s architecture of the Monitoring and Alarm System, and by the analysis of the CAN bus data structures and communication mechanisms, this paper raised the modular design to improve the development efficiency of the system, and reduced maintenance costs. Thirdly, the design on workflow and alarm handling process of the Monitoring and Alarm System ensured the security of the system, and through optimizing the operation mechanism after the system startup to achieve a rationalization of the use of system resources. After studying on the UI of the Monitoring and Alarm System, the author developed a system-specific control library to achieve the modular structures of the system UI. Fourthly, by understanding of the requirements analysis and the performance indicators of the extension alarm board system, designed the overall system structure and function, and achieved the synchronous communication, the key processing, the alarm search, the CAN interrupt detection, the automatic silence and the alarm merger of the extension alarm board system. The paper’s work initially solved some of the key technical problems in the design of the Vessel's Monitoring and Alarm System, and basically met the requirements of the ship critical equipment monitoring alarm, the centralized alarm, the configuration of monitoring points and remote real-time alarm. The system has friendly interface, high security and reliability, real-time alarm, and it has good engineering applications. Keywords: CAN bus, data frame, alarm process, UI, extended alarm board 目录 摘要 I Abstract II 目录 I 第一章 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究动机与目的 1 1.3 国内外研究现状 2 1.3.1 发展历史 2 1.3.2 国内外主要厂商及产品 2 1.3.3 DCS和FCS 3 1.4 章节安排 4 第二章 通信方式及相关技术原理分析 5 2.1 现场总线技术 5 2.1.1 现场总线发展历史及标准化 5 2.1.2 现场总线技术特点 6 2.1.3 监控报警系统组网方案选择 6 2.2 CAN总线 7 2.2.1 CAN的一些基本概念和特点 8 2.2.2 四种数据帧及帧结构 9 2.3 信息传递机制 12 2.4 双CAN冗余热备份技术 12 2.5 本章小结 13 第三章 监控报警系统的分析与实现 14 3.1 系统主要技术指标要求 14 3.1.1 主要功能技术指标 14 3.1.2 产品行业规范要求 15 3.2 系统硬件架构 15 3.3 系统软件架构 18 3.3.1 软件需求 19 3.3.2 软件设计的规范及要求 19 3.3.3 软件体系结构 19 3.3.4 人机界面功能模块具体划分 20 3.3.5 通信模块 21 3.3.6 系统数据库管理 22 3.3.7 报警管理 23 3.3.8 用户操作 24 3.4 工作流程逻辑分析 24 3.4.1 报警处理流程 24 3.4.2 系统工作流程 26 3.5 系统的具体实现 27 3.5.1 监测点研究 27 3.5.2 帧的传输、接收和解析 29 3.5.3 报警信息的发送 31 3.6 本章小结 31 第四章 系统界面设计和控件库的开发 32 4.1 UI设计思路 32 4.2 UI展示与描述 33 4.3 控件库 37 4.3.1 报警灯 37 4.3.2 仪表盘 38 4.3.3 柱状图 39 4.3.4 趋势图 40 4.3.5 报警列表控件 41 4.3.6 其它控件 41 4.4 本章小结 43 第五章 延伸报警板系统 44 5.1 系统指标 44 5.1.1 硬件基础 44 5.1.2 性能指标 44 5.1.3 必备功能 44 5.2 软件模块和功能 45 5.3 数据帧接收,解析和显示 46 5.4 本章小结 47 第六章 总结与展望 48 6.1 论文工作总结 48 6.2 研究工作展望 50 致谢 51 附录一 52 参考文献 53 第一章 绪论 1.1 研究背景 我国是造船大国,随着我国对外经济贸易的迅猛发展,国内船舶的需求量将急剧扩大。据预测,2011~2015我国将达到每年840万载重吨,巨大的船舶需求为中国的船舶企业带来了机遇。但我国船舶的配套设备研发滞后,质量和性能均不能满足我国船舶工业的需求,尤其是许多关键设备仍然依赖进口,这就极大的压缩了我国造船企业的利润率,严重影响了船舶产品的竞争力,成为制约我国船舶工业发展的障碍[[] 刘洪滨,齐俊婷,孙丽. 打造造船强国之方略[J]. 中国海洋大学学报,2008(3):13-16 ]。 船舶机舱设备众多和复杂,为确保船舶及各机舱设备安全运行,需要经常检查和测试,而人工检查的实时性不高,人工成本较高,工作强度大。为了及时监测设备运行状态,提高发现问题和解决问题的及时性,降低营运成本,减轻船员工作强度,需要全面及时的机舱自动监测报警设备。 一套船舶监测报警系统的售价在十几万~二十几万(200个监测点),监测点多的产品超过三十万元,而高端产品的售价可以达到几十万至上百万。目前,新造船只基本都需要配备船舶监测报警系统,旧船改造时也往往增加船舶监测报警系统,因此市场对船舶监测报警系统的需求较大。 1.2 研究动机与目的 在工业和信息化部发布的《船舶工业“十二五”发展规划》中,提出了“十二五”时期我国船舶工业的发展目标:到2015年,产业体系更为完善,产业结构更趋合理,创新能力和产业综合素质显著提升,国际造船市场份额稳居世界前列,成为世界造船强国。 规划中明确了船舶配套业(主要为船舶电子)作为重点领域的重点发展方向。 在与浙江临海众多造船企业的交流过程中,笔者得知目前新造船和旧船改造通常要求配备一些必须的船舶电子设备,但是国外厂商的设备虽然质量较好,但价格昂贵,国内除非是豪华游轮会采购,普通船舶无法承担这个成本,而国内的一些船舶配套厂商,要么就是直接代理国外产品,要么就是产品虽然价格便宜,但功能和指标均无法达到需求。造船厂也无法负担自己直接投资生产配套产品的人才,时间和经济成本,他们需要一些有相对比较强的人才和科研实力的企业来开发价格适中,功能强大的产品。 因此,本论文在此机遇和形势中,依托中电36所船舶电子项目部,参与其船舶监控报警系统的研究开发而成。本论文主要针对整个系统的实现原理,通信方式,软件架构,安全保障等方面进行了分析和讨论,并详细描述了系统模块化[[] 战兴群,翟传瑞. 周期无人值守机舱监测报警系统方案研究[J]. 中国造船,2002(1):75-79. ][[] Wills L, Kannan S, Sander S, etc. An open platform for reconfigurable control[J]. IEEE Control Systems Magazine, 2001,21(3):49-64 ]的相关设计与实现过程。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 发展历史 船舶监控报警系统是随着电子信息技术和工业控制理论的发展而发展起来的。在20世纪60年代以前,工业控制还以经典控制理论为基础[[] 王琪. 船舶机舱监测报警系统的应用现状及发展趋势[J]. 机电设备,2007,24(6):32-35 ],在船舶中没有集中的监控报警系统,只有单项调节控制装置在机舱中得以应用[[] 刘世居. 机舱监测系统新发展[J]. 船电技术,1999,4:33-37 ],使用的监测工具也以常规仪表盘为主。 20世纪60年代初期,得益于晶体管和集成电路的发展,在一些大型船舶中出现了集中监控室,解放了生产力,将原有需要十几个轮机员的工作变成只需要一个轮机员在机舱中值班就可以监控整个机舱的运行。 到了20世纪60年代中后期,随着电子工业的发展和晶体管可靠性的进一步提高,为了满足船舶运行过程中的无人值守的需求,船舶电子开始出现使用电、气驱动以及集成电子模块组合逻辑控制的机舱监视报警系统。 20世纪70年代到80年代是船舶电子飞速发展的时期,一方面电子计算机的飞速发展让其在船舶领域内的使用变成了可能,另一方面,预测控制[[] Clarke, D.W. Generalized Predictive Control: A Robust Self-Tuning Algorithm[C]. American Control Conference, 1987:990 - 995 ]、自适应控制[[] Clark, D.W. Gawthrop, P.J. Selftuning controller[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1975,122(9):929-934 ][[] Clark, D.W. Gawthrop, P.J. Selftuning control[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1979,126(6):633-640 ]、非线性控制、鲁棒控制[[] Zames, G. Feedback and optimal sensitivity: Model reference transformations, multiplicative seminorms, and approximate inverses[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1981,26(2):301-320 ][[] Michael K. Sain. Special Issue on Linear Multivariable Control Systems[M]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1981. 621-623 ]以及智能控制[[] Fu, K. Learning control systems and intelligent control systems: An intersection of artifical intelligence and automatic control[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1971,16(1):70-72. ]等一系列现代控制理论的发展,使得世界上许多国家相继造出了自动化程度非常高的船舶。先后出现过集中型控制系统,分散型控制系统以及集散型控制系统(DCS)。其中集散型控制系统使用局域网通信,并逐渐以数字信号取代模拟信号。 进入20世纪90年代,集散型控制系统逐步演变,形成了一种新的技术,现场总线式全分布式系统(Fieldbus Control System-----FCS)。它是因为计算机技术、通信技术和控制技术的发展而发展起来的。现场总线分布式系统最初是由加拿大海军研发,并于1988年首次将其应用于巡逻护卫舰上[[] 林叶锦. 轮机自动化[M]. 大连:大连海事大学出版社,2009 ]。 1.3.2 国内外主要厂商及产品 l 挪威康斯伯格(kongsberg)[[] 吕健,刘贇等. 信息化船舶主机监控报警系统的最新发展[J]. 柴油机,2006,28(6):11-14 ]:康斯伯格成立于1814年,总部位于挪威康斯伯格市,在25个国家设有分支机构,员工6472人,销售服务网络遍及北美洲、南美洲、亚洲、欧洲、大洋洲、南极洲等全球主要经济区。产品涵盖商船队、海工、海底、海运信息技术、仿真、工序自动化、渔业及渔业研究及石油天然气工业,为客户提供动力定位及航行系统、自动控制、货运管理系统及液位传感器、海事训练仿真及位置参考系统、VDR、AIS、雷达等(几乎涵盖海洋电子各大领域)。2010年营业收入约合人民币170亿元。康斯伯格目前的机舱监控报警系统主要分为K-Chief 600和K-Chief 700船舶自动化系统,前者主要为标准商船的安全性和可靠性设计,后者能够满足复杂船只的定制化需求。 l 德国SAM Electronics公司:SAM船舶电子有限公司已有一百多年的历史,总部位于德国汉堡,公司拥有员工1700人,销售服务网络遍及全球主要港口城市。业务涉及广泛的自动化系统,通信导航系统,配电和动力及推进系统。中国业务依托于上海公司全权代理,并在泰州设有独资企业专门生产配电板,自动化和导航系统。2010年度销售收入约合人民币23.3亿元。目前最新的产品为MOS 2200。 l 上海驷博集团:公司成立于1992年,总公司设在上海,由总公司和三个子公司组成。已有一支覆盖国内的售后服务团队,在新加坡建立了东南亚地区的售后服务站点。主要从事开发、生产船舶电气及船舶自动化设备,主要针对国内市场的中小船舶配套和挖泥船舶的配套,年平均承接100条左右的民船订单,以低成本和价格优势在国内中小船厂、设计院推荐自己的产品,在国内市场有较大的影响力。2010年产值约2亿元。目前最新的监控报警系统型号为SB-2001。 1.3.3 DCS和FCS DCS(Disttributed Control System)是分布式控制系统的缩写,在国内普遍称为集散型控制系统。它的出现得益于计算机技术、控制技术和网络技术的高速发展和结合,从而成为目前最先进的过程控制系统,整个系统具有很高的可靠性。它的控制点分散,但通过集中的监控和操作,使得DSC具有操作和维护的简便性。 20世纪80年代后,由于微处理器在控制领域的大规模使用,各种仪器仪表中都嵌入了微处理器,从而每个微处理器都能被指定任务,互相之间通过具有网关的专用网络通信,网关程序需要用户自己编写。于是,大多数DCS的供应商都为自己的产品制定了自己标准,但是DCS的开发者不愿意去花费时间制定统一的标准,而用户需要更标准化的产品,因此随着测控技术的发展,DCS被逐渐意识到存在系统综合信息能力差、系统构成复杂、各厂商产品互操作性差异及现场仪表与控制设备不具有双向通信能力、控制速度不能满足要求等问题[[] 林德秋. 试谈FCS与DCS[J]. 自动化与仪器仪表,1999(1):1-3,7 ]。 现场总线控制系统(FCS)是在DCS的基础上发展起来的新技术,它利用现场总线作为各个子系统的内部控制网络,并实现了各个测控设备间的互联[[] 甘永梅. 现场总线技术及其应用[M]. 北京:机械工业出版社,2004. ]。FCS继承了DCS的许多成熟技术,例如人机界面、基于IEC61131-3的组态编程、冗余了热备份的思想和方法等,但FCS完全超越的DCS的框架,它实现了测控设备的智能化,利用现场总线将一个个分散设备的信息集中起来,更好的体现了“控制分散,信息集中”的特点。因为具有统一的技术标准和通信协议,使得不同厂商产品具有互操作性和信息交换[[] 高敏,夏安邦. 对PLC, DCS, FCS三大控制系统特点和差异的探讨[J]. 应用能源技术,2008(11):42-45 ]。表1.1是对DCS和FCS的比较 表1.1 DCS与FCS比较 系统名称 DCS FCS 信号和传输方式 1. 模拟数字混合信号 2. 单一信号传输 3. 模拟信号易受干扰 1. 数字信号 2. 数字通信网络传输 3. 数字化信号抗干扰能力强,实时性好 通信协议 封闭的通信协议,不同厂商的产品无法互联 标准的通信协议,测控设备和控制系统互联,不同产品间的互操作快捷方便 系统结构 多级分层网络结构,点对点的接线方式,计算机,控制站,测控设备3层结构 使用现场总线连接多台测控设备,简化为计算机和测控设备2层结构 尽管DCS系统以其成熟的技术和应用仍然占据一部分市场,但FCS取代其的趋势不可逆转,本论文正是基于FCS系统的开发和研究所展开。 1.4 章节安排 本论文的内容做如下编排: 第一章主要介绍了研究目的,国内外研究进展,主要厂商及产品和发展历史,以及内容安排。 第二章分析了监测报警系统使用的CAN总线通信技术及原理。 第三章研究了监测报警系统软件的架构和流程执行的逻辑分析,并描述了系统的具体实现。 第四章监测报警系统软件界面的UI以及系统控件库的设计与实现。 第五章延伸报警板系统的设计与实现。 第六章总结和展望。 第二章 通信方式及相关技术原理分析 监控报警系统采用的是基于CAN(Controller Area Network)总线的FCS系统,CAN总线以其通信速率高、可靠性高、连接方便和性价比优等特点成为现场总线的推荐标准之一。 监控报警系统的信号采集模块将采集的模拟信号经过处理后通过CAN总线送往计算机,计算机担任中心处理器的角色,完成总线数据的获取和处理。船舶中需要监测的所有信息和参数的报警阈值都存储在本地数据库中,当某个监测点的监测数据超出报警阈值时,计算机进行报警显示,并将报警信息发送到船内各区域的复视器和相应报警灯。 本章围绕监控报警系统的通信方式展开,通过描述现场总线技术发展及特点来介绍监控报警系统的底层通信技术,比较不同现场总线的优缺点来确定监控报警系统采用CAN总线作为其现场总线。本章对于监控报警系统的信息传递机制进行了一个简要的描述,并基于此提出了双CAN冗余热备份技术来保证监控报警系统的可靠性和稳定性。 2.1 现场总线技术 现场总线是作为目前在工业智能控制领域比较流行的一种数据总线,它最初的出现是为了把可编程逻辑器件(programmable logic controller, PLC)以一种比较简洁的方式连接起来[[] 范铠. 现场总线的发展趋势[J]. 自动化仪表,2000,21(2):1-4 ]。现场总线技术主要解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器等现场设备间的通信以及现场设备和控制系统间的信息传递问题[[] JP. Thomesse, Fieldbus Technology in Industrial Automation[J]. Proceedings of the IEEE,2005,93(6):1073–1101 ]。由于现场总线的简单、可靠、经济实用等一系列优点,受到许多厂商的青睐。 2.1.1 现场总线发展历史及标准化 1984年美国intel公司提出一种计算机分布式控制系统——位总线(Bitbus),它主要是将计算机中低速的输入输出和高速的总线分离,从而形成现场总线的最初概念。80年代中期,美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器(HART)通信协议。采用在4~20mA模拟量叠加了一种频率信号,用双绞线实现数字信号传输。HART协议已是现场总线的雏形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起,成立了World FIP制定了FIP协议。1987年,以Siemens,Rosemount,横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议(ISP)并制定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。随着时间的推移,世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团:一个是以Siemens、Rosemount、横河为首的ISP集团;另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。1994年,两大集团宣布合并,融合成现场总线基金会(Fieldbus Foundation)简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准,基金委员会取得以下共识:共同制定遵循IEC/ISA SP50协议标准;商定现场总线技术发展阶段时间表。 国际电工委员会于1984年就开始着手制定现场总线的标准,但由于各国的意见非常不一致,导致进展非常缓慢,先后经过9次投票表决,终于在1999年底通过了IEC61158国际标准。在IEC61158标准中,采用了8种类型的标准,分别为:IEC技术报告(FF H1)、Control Net(Rockwell公司支持)、Profibus(SIEMENS公司支持)、P-Net(Process Data公司支持)、FF HSE(原FF H2,Fisher Rosemount公司支持)、Swift Net(美国波音公司支持)、WorldFIP(Alston公司支持)、Interbus(Phoenix Contact公司支持)[[] 施一明,冯冬芹,金建祥. 现场总线的标准与发展[J]. 电子技术杂志,2000(9):5-8 ][[] 缪学勤. 现场总线技术的最新进展[J]. 自动化仪表,2000,21(6):1-4,7 ]。 2.1.2 现场总线技术特点 现场总线作为监控报警系统信息传递的保障,拥有如下特点: 1.通信协议公开,系统开放。由于通信协议的公开和标准,各家厂商的设备就可以实现互联和信息交换。开放的系统就把系统的集成交给了用户,用户可以按照自己需求把不同厂商的产品组合成不同的系统。 2.互操作性与互用性。互操作性指的是不同的设备之间互联,不同系统之间互相传递信息与通信。互用性指的是不同厂商间的设备可以实现替换使用。 3.智能化。在每一个设备中嵌入单片机或者处理器,将传感器的测量、补偿计算、设备处理与控制的功能下放到现场的设备中进行,并且可以完成自我诊断等功能。 4.系统结构的分散。在DCS中,需要一个个控制器来控制设备,每个控制器虽然可以连接多个设备,但还是无法做到完全的分散。而现场总线则直接简化了控制器的那一层,利用总线将测控设备直接和上层计算机连接,而设备本身就能完成自动控制的基本功能,既简化了结构也提高了可靠性。 5.对环境的适应性。现场总线的技术可以视现场环境的不同而设计,可以支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力。 2.1.3 监控报警系统组网方案选择 通过比较市场上现有监测报警系统,可以发现监测报警系统主要通过三种方式进行组网:485总线、现场总线(以CAN总线为主)、工业以太网。下表2.1为三种通信方式的比较[[] 魏庆福. 现场总线技术的发展与工业以太网总述[J]. 工业控制计算机,2002,15(1):1-5 ]。 表2.1 三种通信方式比较 项目 通信方式 RS485 CAN 以太网 工作方式 主从方式 多主方式 CSMA/CD平等竞争 通讯方式 半双工轮询 终端 全双工 最大传输速度 10Mbit/s(距离12m) 1Mbit/s(距离40m) 10/100/1000Mbits 最大传输距离 1.2km(9600Kbs) 10km(5kbs) 105m(速率100M) 最大驱动器数量 32个 110个 不限 通讯实时性 慢 快 快 仲裁机制 无 有 有 故障界定 无 有 无 传输介质 双绞线 双绞线,同轴电缆,光纤 UTP-5,STP-5 组网设备数量 少 多 多 对这三种通信组网方式进行比较,可以得到如下方案: 方案一:利用RS485总线进行组网,采用计算机作为监测系统微机进行信号分析和报警处理,机舱信号的采集通过IO采集模块实现。监控计算机只能通过轮询方式获取模块采集的信号,属于被动传输,实时性较差,效率低,且总线上某个节点一旦发生故障将会引起整个网络瘫痪,不适合负载较重的应用场合。 方案二:利用工业以太网的方式进行组网,机舱参数显示和报警通知由监测计算机实现,机舱信号的采集控制由PLC完成,这是一种分布式的监测系统,可以保证机舱信号采集的可靠性和实时性,同时在监控微机之间采用工业以太网通信,支持大数据量通信,保证数据的冗余备份。但该方案成本较高,对于中小型船舶的机舱监测系统相对浪费。 方案三:利用现场总线进行组网,利用分布式IO模块进行机舱信号的采集和控制,大大降低了监测报警系统的硬件成本。通过总线中继器可以将CAN总线上节点数进行扩容,理论上可以扩容无限个,可适合不同类型的船舶机舱,且CAN总线能够保证数据通信的可靠性。 本文系统选取方案三的设计方式进行机舱监测报警系统的设计,采用CAN总线进行组网通信,保证通信的实时性和可靠性。通过分布式信号处理模块完成信号采集和报警输出的功能,利用工控机进行监测点参数显示和报警信息的显示,并且通过延伸报警板(通过CAN总线)将报警信息延伸到轮机员值班室等区域。 2.2 CAN总线 CAN(Controller Area Network)作为监控报警系统采用的现场总线,由德国BOSCH公司开发,并最终成为国际标准,是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线由于高性能和高可靠性,被广泛的应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等领域[[] D. Bishop, etc. Distributed Power Supply Control Using CAN-Bus[C]. Proc. of the 1997 International Conference on Accelerators and Large Physics Control Systems, 1997,315-317 ]。 CAN总线是德国BOSCH公司在80年代初为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1Mbps。本系统正是采用双绞线作为CAN总线的通信介质。 2.2.1 CAN的一些基本概念和特点 本系统之所以采用CAN总线作为系统的现场总线,还因为CAN总线与其它总线相比,它具有突出的性能、实时性、可靠性和灵活性,具体特点可以概括为以下几点[[] 杨春英. CAN现场总线系统设计技术及实现[J]. 舰船电子工程,2007,27(4):168-171 ]: 1.采用多主方式,网络上任一节点在任何时刻都能够主动向其它节点发送信息。 2.采用短帧结构,每帧的数据信息为0~8个字节,具体由用户决定,从而减少了传输时间,加强了抗干扰能力,具有非常好的检错能力。 3.节点拥有优先级,当多个节点向总线发送信息时,优先级低的会主动等待,让优先级高的节点先和总线传输,从而节省了冲突的时间,在网络负载很严重的时候不会造成网络瘫痪。 4.通过报文滤波,就能实现点对点、一对多以及广播等数据传输方式,接收站只需通过报文中的数据信息来决定是否接收。 5.具有强有力的检错及纠错能力。每帧信息都有CRC校验,在错误严重的情况下,能够自动关闭输出功能,在发送期间遭到破坏的帧可以自动重发,每帧信息中不可检错的概率低于310-5。 6.直接通信的最远距离可达10km,最快速率可达1Mbps(此时最长距离为40m)。 7.CAN总线上的节点数主要取决于物理总线的驱动能力,节点数可达110个,其报文标识符在CAN2.0A标准中达2032种,在CAN2.0B标准中几乎不受限制。 为了对监控报警系统有一个深入的了解,需要对CAN总线进行简单的研究。下面是CAN总线相关的一些基本概念: 1.报文:报文就是网络中交换与传输的数据单元,即一整个数据块。报文中包含了将要发送的数据信息和一些头尾和校验信息等。报文的长短不一,但要受到帧结构的限制。 2.信息路由:在CAN系统中,CAN不对通信单元分配地址,报文的寻址内容由报文的标识符指定。报文的标识符没有报文的地址,总线上的其它单元通过报文滤波来决定是否接受报文。 3.仲裁:仲裁主要用来处理访问总线时的冲突,主要是通过报文的标识符和RTR位来唯一确定报文的优先权。 4.标识符:标识符是唯一标识报文携带数据的含义的一串ID,定义了报文的优先权[[] 孙招凤. CAN总线网络报文标识符编码研究[J]. 导弹与航天运载技术,2009(2):31-36 ]。 5.CAN技术规范[[] Robert Bosch GmbH,- 配套讲稿:
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