基于CAN總線下船舶通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

王超輪 王昭 潘利兵 中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七二二研究所

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)船舶自動(dòng)化的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正在向基于CAB總線的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)船舶儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信息傳遞及控制，使各系統(tǒng)共享信息資源，消除部門(mén)間信息傳遞障礙，對(duì)實(shí)現(xiàn)船舶信息一體化具有重要作用。CAN總線數(shù)據(jù)新具有實(shí)時(shí)性和可靠性，是自動(dòng)化領(lǐng)域的重點(diǎn)研究項(xiàng)目，它能夠?yàn)閿?shù)據(jù)通信提供有力的技術(shù)支持。

1 船舶通信系統(tǒng)概述

1.1 船舶通信系統(tǒng)的功能

船舶通信系統(tǒng)必須具備以下功能:（1）發(fā)送和接收船到岸遇險(xiǎn)報(bào)警，必須使用兩個(gè)及兩個(gè)以上的獨(dú)立設(shè)備，每個(gè)設(shè)備需要具備不同的無(wú)線電通信功能。（2）發(fā)送和接收船到船遇險(xiǎn)報(bào)警。（3）發(fā)送和接收搜救協(xié)調(diào)通信信息。（4）發(fā)送和接收現(xiàn)場(chǎng)通信信息。（5）發(fā)送個(gè)接收尋位信號(hào)。（6）發(fā)送和接收海上安全信息。（7）在船和岸上無(wú)線電通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)間發(fā)送和接收通信信息。（8）發(fā)送和接收駕駛臺(tái)之間的通信信息。船舶通信系統(tǒng)的報(bào)警方法能夠使船舶在遇險(xiǎn)時(shí)發(fā)射求救信號(hào)，國(guó)際海上人命安全公約簽約國(guó)需要給遇險(xiǎn)船舶和人員提供救援。

1.2 船舶通信系統(tǒng)的協(xié)議通訊模式

為了滿足船舶通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，協(xié)議多樣的通信模式，包括主從方式通信模式和事件觸發(fā)通信模式。主從方式通信模式指的是由主站發(fā)出命令給從站，從站接收命令后給主站發(fā)送應(yīng)答的通信方式，主要負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和熱工參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。事件觸發(fā)通信模式主要用于從站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，在設(shè)備發(fā)生故障或運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)發(fā)出警報(bào)，支持定時(shí)發(fā)送、循環(huán)發(fā)送和改變發(fā)送信息。

2 通信系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

羅經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊的關(guān)鍵部分是Microchip公司生產(chǎn)的dcpic30f系列單片機(jī)，這個(gè)系列的單片機(jī)同時(shí)具備了單片機(jī)和DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)，羅經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊需要使用一系列算法，通過(guò)地磁場(chǎng)強(qiáng)度推算出其方向，通過(guò)軟硬磁抵消算法消除其他磁場(chǎng)干擾和自差。所以，此次設(shè)計(jì)需要選用高性能微處理器進(jìn)行各項(xiàng)復(fù)雜的算法，從而編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理程序。此次設(shè)計(jì)選用一軸磁阻傳感器和兩軸磁阻傳感器，組成三維磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)CAN總線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。羅經(jīng)傳感器為了避免磁場(chǎng)干擾，需要讓傳感器旋轉(zhuǎn)一周，通過(guò)算法消除各方向磁場(chǎng)的干擾，再通過(guò)自差消除算法減小偏差。

2.2 CAN總線接入模塊的設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)中集成通信裝置的CAN通信接口選用Plxtech公司生產(chǎn)的CAN通信適配卡，CAN的無(wú)線數(shù)據(jù)接口選用了周立功公司的無(wú)線網(wǎng)卡和RS232串口。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊傳到工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳送到CAN總線，通過(guò)CAN總線適配卡將工控機(jī)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。當(dāng)無(wú)線數(shù)據(jù)接收無(wú)效時(shí)，系統(tǒng)不能通過(guò)藍(lán)牙接收有效數(shù)據(jù)，這時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)采用RS232串口接收數(shù)據(jù)，將CAN總線上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜毓ぷ髡?，防止?shù)據(jù)丟失。

2.3 總線接口卡模塊的設(shè)計(jì)

智能PCI總線和CAN適配卡之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)。此次設(shè)計(jì)中由AT89S52單片機(jī)控制CAN總線控制器的工作方式、工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線接口卡的驅(qū)動(dòng)程序在VB開(kāi)發(fā)環(huán)境中訪問(wèn)PCI設(shè)備有兩種方式:（1）直接訪問(wèn)。在相關(guān)軟件的支持下，使用VB直接編寫(xiě)訪問(wèn)PCI設(shè)備接口函數(shù)。（2）間接訪問(wèn)。在VB環(huán)境下使用匯編程序編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。由于間接訪問(wèn)的方式具有普遍性高、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，所以，此次設(shè)計(jì)采用間接訪問(wèn)的方式。

2.4 方位儀舷角測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)式方位儀，這種方位儀由兩個(gè)電機(jī)和一個(gè)高倍鏡組成，兩個(gè)電機(jī)由一個(gè)單片機(jī)芯片帶動(dòng)，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡搜尋目標(biāo)。單片機(jī)芯片可記錄方位儀的角度和方向，精度高且能夠通過(guò)屏幕實(shí)時(shí)顯示。此次設(shè)計(jì)采用了SH2024B5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這種驅(qū)動(dòng)器由PWM驅(qū)動(dòng)，具有電壓范圍大、工作效率高、細(xì)分?jǐn)?shù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。此次設(shè)計(jì)相電流設(shè)定為5檔分別為2、5、10、20、40，能夠同時(shí)滿足步距驅(qū)動(dòng)、方位儀轉(zhuǎn)動(dòng)及對(duì)精度的要求。這種方位儀在羅經(jīng)矯正過(guò)程中能夠觀察陸地目標(biāo)并確定天體目標(biāo)位置，還能測(cè)量舷角，配合羅經(jīng)數(shù)據(jù)模塊確定船舶航向和方向，正確判斷船舶行進(jìn)路線。

3 總結(jié)

綜上所述，基于CAN總線的船舶通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得很大進(jìn)步，但還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)模塊化和通用化。此次設(shè)計(jì)基于CAN總線技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)、CAN總線接入模塊的設(shè)計(jì)、總線接口卡模塊的設(shè)計(jì)、方位儀舷角測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析。通過(guò)以上設(shè)計(jì)能夠在很大程度上解決設(shè)備連接問(wèn)題和數(shù)據(jù)可靠性問(wèn)題，這種設(shè)計(jì)在船舶通信系統(tǒng)中將得到廣泛應(yīng)用。

[1]雷雨.嵌入式船舶通信多功能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連海事大學(xué),2016.