基于CAN總線和以太網(wǎng)的液貨船液位遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵇萍，周濤，姚蘇華

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京211170）

基于CAN總線和以太網(wǎng)的液貨船液位遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵇萍，周濤，姚蘇華

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京211170）

為滿足液貨船對各個(gè)液艙液位、壓力、溫度等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測需求，提出了基于CAN總線與以太網(wǎng)的液位遙測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對系統(tǒng)中的信號采集模塊、通信模塊進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，并利用Intouch組態(tài)軟件開發(fā)了系統(tǒng)監(jiān)控軟件。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量結(jié)果準(zhǔn)確、操作方便。

液貨船 CAN 以太網(wǎng) 液位遙測 Intouch

0 引言

近年來，根據(jù)國際規(guī)范的要求,液貨船都要實(shí)行密閉裝卸，因此液位遙測系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展。液位遙測系統(tǒng)是液貨船的核心系統(tǒng)，它的測量精度、穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到船舶在海上的安全航行。目前，用戶對液位遙測系統(tǒng)的功能要求已不僅僅是對液艙液位的測量，還要求其能夠測量艙內(nèi)的溫度、壓力、液體密度和壓力等參數(shù)，以確保船舶裝卸、航行的安全和液貨質(zhì)量。液位遙測系統(tǒng)的概念已拓展為液艙參數(shù)測量系統(tǒng)。

本文針對12700 DWT液貨船，選用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量液位、擴(kuò)散硅壓力傳感器測量壓力、PT100溫度傳感器測量溫度，利用單片機(jī)進(jìn)行信號的采集與處理，采用CAN總線和以太網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套液位遙測系統(tǒng)。

1 液位遙測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該液位遙測系統(tǒng)主要由信號采集模塊、CAN/以太網(wǎng)通信模塊和監(jiān)測計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 各組成部分的功能如下：

1) 信號采集模塊主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場液位、壓力、溫度等數(shù)據(jù)的采集、處理，以及通過 CAN總線與通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2) CAN/以太網(wǎng)通信模塊主要負(fù)責(zé) CAN總線數(shù)據(jù)的接收，經(jīng)過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后，將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)上。

3) 監(jiān)測計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測并實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號采集模塊硬件設(shè)計(jì)

信號采集模塊是液位遙測系統(tǒng)的核心，該模塊選用AT89C51單片機(jī)為主控制器，主要由信號轉(zhuǎn)換電路、通道選擇電路、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、CAN通信接口電路等幾部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

信號采集模塊的工作原理是利用傳感器測量現(xiàn)場液位、壓力、溫度等信號，這些信號經(jīng)采樣、放大、A/D轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字形式進(jìn)入CPU，CPU對這些輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)通過CAN通信接口電路發(fā)送到CAN總線上。

信號采集模塊中使用的傳感器必須滿足防護(hù)等級：IP68，防爆等級：EEx ia IIC T6，并具有抗腐蝕的特性。傳感器必須帶船檢證書和防爆證書。

液位傳感器選用德國E+H公司的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，它是依據(jù)時(shí)域反射原理來計(jì)算得出液位高度的。該雷達(dá)液位計(jì)具有底部回波功能，能保證在低介電常數(shù)的情況下不失波，極大地保證了貨艙液位測量的可靠性。

壓力傳感器選用擴(kuò)散硅壓力傳感器，它的工作原理是利用半導(dǎo)體硅材料的壓阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)壓力與電信號的轉(zhuǎn)換。使用時(shí)壓力傳感器安裝在各個(gè)液貨艙的頂部，主要測量艙內(nèi)的密閉氣壓。

溫度傳感器選用PT100溫度傳感器，它是基于PT100金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。使用時(shí)安裝在甲板上不銹鋼溫度保護(hù)罩內(nèi)，傳感器內(nèi)裝有兩個(gè)溫度探頭測量艙內(nèi)上部和下部的介質(zhì)溫度。

2.2 通信模塊硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的連接，本文設(shè)計(jì)了CAN/以太網(wǎng)通信模塊。該模塊采用DS80C400 網(wǎng)絡(luò)微控制器為主芯片。它是目前集成度最高的8051 器件，片內(nèi)集成的完整的TCP/IP協(xié)議棧，是專用的網(wǎng)絡(luò)嵌入式微控制器。它的片內(nèi)還集成了CAN總線控制器和以太網(wǎng)控制器, 配合合適的以太網(wǎng)收發(fā)器和CAN 收發(fā)器，就可以較容易地搭建出系統(tǒng)開發(fā)的硬件平臺。通信模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

外部電路主要由以太網(wǎng)收發(fā)器、CAN總線收發(fā)器和一些外圍電路組成。以太網(wǎng)收發(fā)器采用Intel LXT972A收發(fā)器, 它是遵循IEEE標(biāo)準(zhǔn)的快速以太網(wǎng)物理層器件，支持100BASE-TX和10BASE-T以太網(wǎng)，工作電壓3.3 V。CAN總線收發(fā)器采用PHILIP PCA82C250收發(fā)器，它是CAN 協(xié)議控制器與物理總線的接口。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號采集模塊軟件設(shè)計(jì)

信號采集模塊的軟件流程如圖 4 所示，它主要包括初始化子程序、CAN數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送子程序。CAN數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送對實(shí)時(shí)性要求比較高，故采用中斷方式進(jìn)行處理。AT89C51單片機(jī)在程序開始首先要對CAN控制器模塊進(jìn)行初始化。一旦接收到主機(jī)命令立刻要進(jìn)行相應(yīng)的處理，如沒有接收到主機(jī)命令就對現(xiàn)場各個(gè)通道的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。若當(dāng)前采樣通道傳感器數(shù)據(jù)不變，則對下一個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直至所有通道被采集結(jié)束后再進(jìn)入下一次循環(huán)；若當(dāng)前采樣通道傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生改變，將新數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳。

3.2 通信模塊軟件設(shè)計(jì)

通信模塊主要接收來自CAN與以太網(wǎng)接口的數(shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送到對方接口。利用DS80C400的ROM提供的多任務(wù)功能可以設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)傳送到以太網(wǎng)(CAN-Ethernet)及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到CAN總線網(wǎng)絡(luò)(Ethernet-CAN)的雙向數(shù)據(jù)傳輸。上述兩個(gè)任務(wù)是基于事件驅(qū)動(dòng)的。

主進(jìn)程主要用來實(shí)現(xiàn)CAN接口及以太網(wǎng)接口的初始化、與主機(jī)建立Socket連接、設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級等，然后等待事件的發(fā)生。主進(jìn)程根據(jù)事件的不同調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)。

CAN-Ethernet任務(wù)主要完成接收CAN總線上的數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送到以太網(wǎng)上，然后由主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，從而完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。這個(gè)任務(wù)是采用事件觸發(fā)的。該任務(wù)的流程如圖5所示。

當(dāng)通信發(fā)起方將命令發(fā)給通信模塊時(shí)，通信模塊的以太網(wǎng)接收緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)需要接收，主進(jìn)程檢測到相應(yīng)的事件，轉(zhuǎn)向執(zhí)行Ethernet-CAN任務(wù)。該任務(wù)的流程如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

Intouch 組態(tài)軟件用于可視化和控制工業(yè)生產(chǎn)過程，是一個(gè)開放的、可擴(kuò)展的人機(jī)界面，為定制應(yīng)用程序設(shè)計(jì)提供了靈活性，同時(shí)為工業(yè)中的各種自動(dòng)化設(shè)備提供了連接能力。根據(jù)液位遙測系統(tǒng)的功能要求，本文利用Intouch組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了液位遙測系統(tǒng)的監(jiān)控環(huán)境，其中參數(shù)測試界面如圖7所示。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)實(shí)施完成并投入應(yīng)用后，經(jīng)實(shí)際使用檢驗(yàn)，其液位檢測結(jié)果準(zhǔn)確、操作直觀方便，提高了工作效率，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，該系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展和適應(yīng)能力，同時(shí)提高了底層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性和安全性。

[1] 韓章，談浩. 液貨船液位遙測系統(tǒng)[J]. 上海造船，1994,（3）:32-38.

[2] 李楠，周潔敏，黃寧. CAN總線與以太網(wǎng)連接方法研究[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007, 20（1）：19-20.

[3] 邵勇，趙方平，黃全振，吳小軍. 基于CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的實(shí)時(shí)溫度和濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009, 40（1）:186-190.

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[5] 趙衛(wèi)麗，王志剛，劉?；? 基于WINCE的液位遙測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（1）：55-57.

Design of a Liquid Level Telemetry System of Tankers Based on CAN and Ethernet

Ji Ping，Zhou Tao，Yao Suhua
(Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)

In order to meet the needs of the tankers to remote monitor the parameters such as liquid level, pressure, temperature, etc in each liquid tank, the design of the liquid level telemetry system of tankers based on CAN and Ethernet is developed in this paper. The hardware and software of signal acquisition module and communication module of the system is designed and the system monitoring software is developed by Intouch configuration software. The results of practical application indicate that the measurement results of this system are accurate and this system is easy to use.

tanker; CAN; Ethernet; liquid level telemetry; Intouch

TP273

A

1003-4862（2014）03-0015-04

2013-09-08

江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題《模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)研究》（2013QNZX-06）

嵇萍(1981-), 女，碩士, 講師 。研究方向：測控技術(shù)。