基于CAN總線(xiàn)的船舶集中監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

張 偉

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶設(shè)備和系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，功能不斷完善，自動(dòng)化程度不斷提高。船舶集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)作為船舶自動(dòng)化的重要組成部分，是船舶安全航行的必要保障。目前船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，集中監(jiān)測(cè)、分散控制是新一代船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 功能與組成

船舶集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶機(jī)艙、輪機(jī)控制室以及船員住艙機(jī)電設(shè)備的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的集中監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)報(bào)警，由1臺(tái)集中監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置和若干臺(tái)就地監(jiān)測(cè)裝置組成［1］。就地監(jiān)測(cè)裝置的功能是對(duì)本地重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行就地監(jiān)測(cè)和報(bào)警，在主控制室設(shè)置1臺(tái)集中監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，用來(lái)對(duì)全船各部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示和報(bào)警，為指揮員提供集中的參數(shù)報(bào)警狀態(tài)指示。

1.1 CAN總線(xiàn)通信

船舶集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)選用CAN總線(xiàn)作為系統(tǒng)通信總線(xiàn)。CAN總線(xiàn)是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的一種，在工業(yè)控制、船舶制造等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。CAN總線(xiàn)為支持多主機(jī)通信方式，采用短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有速率快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、靈活易用、容錯(cuò)性好和鏈接方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)組成

基于CAN總線(xiàn)設(shè)計(jì)的船舶集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

CAN已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898和ISO11519，同時(shí)還是國(guó)際船用標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線(xiàn)技術(shù)規(guī)范包括A和B 2個(gè)部分。2.0A給出了CAN技術(shù)規(guī)范版本定義的CAN報(bào)文格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀2種報(bào)文格式，標(biāo)準(zhǔn)幀的ID占11位，擴(kuò)展幀的ID占29位，這里采用的29位擴(kuò)展幀和8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，通信波特率為250kbps，格式定義見(jiàn)表1。

表1 CAN報(bào)文格式定義

2 硬件設(shè)計(jì)

采用PHILIPS公司的LPC2294芯片作為集中監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置的主控CPU，這款基于32位ARM7內(nèi)核的CPU最大特點(diǎn)是自帶了4路互連的CAN控制器，并且具有先進(jìn)的全局驗(yàn)收濾波器，全局驗(yàn)收濾波器可以識(shí)別所有CAN總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀標(biāo)示符［2］。

CAN通信收發(fā)模塊電路見(jiàn)圖2，使用TJA1040芯片作為CAN收發(fā)器，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平（CANTXD、CANRXD）轉(zhuǎn)換為CAN總線(xiàn)的差分電平（CANH、CANL）。

圖2 CAN通信收發(fā)模塊電路

集中監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置硬件基本原理見(jiàn)圖3，以LPC2294作為核心部件的主節(jié)點(diǎn)控制器［3］，完成了船舶集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與交換控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶系統(tǒng)的集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

圖3 集中監(jiān)測(cè)裝置硬件組成框圖

集中監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)與船舶航行安全密切相關(guān)，監(jiān)測(cè)值和報(bào)警顯示需要易于指揮員觀察，因此選用數(shù)碼管進(jìn)行監(jiān)測(cè)值的顯示，由于CPU的I／O資源有限，考慮到LPC2294自帶了I2C總線(xiàn)控制器，因此使用了I2C總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)芯片ZLG7290驅(qū)動(dòng)5位8段數(shù)碼管掃描方式，驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖4。

圖4 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

集中監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、CAN控制模塊、顯示與報(bào)警模塊、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊等［4］。主程序流程見(jiàn)圖5。

圖5 主程序流程

集中監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置軟件的2個(gè)主要構(gòu)成部分是CAN總線(xiàn)收發(fā)程序和I2C驅(qū)動(dòng)顯示程序?；贚PC2294芯片CAN總線(xiàn)控制器的發(fā)送與接收程序流程分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 CAN總線(xiàn)發(fā)送程序流程

圖7 CAN總線(xiàn)接收程序流程

由圖6可見(jiàn)，在啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后，CAN控制器必須要將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，才會(huì)將該幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功的狀態(tài)返回，這樣如果在發(fā)送程序里一直等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，會(huì)使整個(gè)程序的執(zhí)行效率大打折扣。所以為了避免這種情況的發(fā)生，該函數(shù)在啟動(dòng)發(fā)送之后就立即返回。因此我們專(zhuān)門(mén)在軟件中加入了查詢(xún)TCS狀態(tài)位來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)發(fā)送成功。

LPC2294芯片為ARM－CAN控制器提供了配套使用的功能函數(shù)以供用戶(hù)調(diào)用，常用的功能包括初始化函數(shù)InitCan，發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)CanSendData，發(fā)送命令函數(shù)CanSendCmd，接收數(shù)據(jù)函數(shù)ReadCANRcvCyBuf，CAN中斷處理函數(shù)CANIntPrg等［5］，使整個(gè)ARM－CAN控制軟件的編寫(xiě)難度降低，執(zhí)行效率提高。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)作為船舶安全航行的重要保障，實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和安全性是關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。有針對(duì)性地選擇CAN總線(xiàn)作為系統(tǒng)通信總線(xiàn)，并且采用功能強(qiáng)大的ARM7系列芯片LPC2294作為集中監(jiān)測(cè)裝置的CPU，是船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展的需要。應(yīng)用結(jié)果表明，船舶集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)滿(mǎn)足對(duì)重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警的各項(xiàng)要求。

［1］張圣弢.現(xiàn)代船舶監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)的研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2010.

［2］崔芮華，耿麗愷.基于LPC2294的CAN總線(xiàn)技術(shù)在智能脫扣器控制方面的研究［J］.低壓電器，2011（1）：41－44.

［3］紀(jì)文支，陳國(guó)忠，唐加山.基于CAN總線(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（2）：44－49.

［4］張 旭，郭 晨.船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005（22）：229－232.

［5］賈東永，孫印杰，陳 安，等.ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.