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1、硕硕士士学学位位论论文文 船舶监控报警系统的船舶监控报警系统的 设计与实现设计与实现 专专 业业 名名 称:称: 软件工程软件工程 研究生姓名:研究生姓名: 张张 寅寅 昊昊 导导 师师 姓姓 名:名: 翟翟 玉玉 庆庆 倪倪 庆庆 剑剑 杨杨 东东 THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MONITORING AND ALARM SYSTEM ON VESSELS A Thesis Submitted to Southeast University For the Academic Degree of Master of Engineering BY ZHANG Y
2、in-hao Supervised by Prof. ZHAI Yu-qing and Dr. NI Qing-jian and YANG Dong College of Software Engineering Southeast University June 2012 东东 南南 大大 学学 学学 位位 论论 文文 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同
3、工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名:日 期: 东东 南南 大大 学学 学学 位位 论论 文文 使使 用用 授授 权权 声声 明明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外, 允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文 的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。 研究生签名: 导师签名: 日 期: 摘要 I 摘要摘要 随着我国经济和技术的发展,我国船舶行业对
4、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
5、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
6、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 II Abstract As Chinas economic and technology development, Chinas shipbuilding
7、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 A
8、larm 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 Vessels Monitoring and Alarm System. The system is based on the CAN bus network, and it is a set of monitoring sh
9、ip 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
10、 the FCS and the DCS systems 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 t
11、he CAN bus as the communication bus of the system. Studying on the systems 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 softwares architecture of the Monitoring and Alar
12、m 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 S
13、ystem 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 achiev
14、e 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,
15、 the CAN interrupt detection, the automatic silence and the alarm merger of the extension alarm board system. The papers work initially solved some of the key technical problems in the design of the Vessels Monitoring and Alarm System, and basically met the requirements of the ship critical equipmen
16、t 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
17、board 目录 I 目录目录 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 FCS3 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
18、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
19、系统的具体实现.27 目录 II 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
20、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 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 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,20112015 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
21、品的竞争力,成为制约我国船舶工业发展的障碍1。 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 研究动机与目的研究动机
22、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
23、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 东南大学硕士学位论文 2 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23的相关设计与实现过程。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 1.3.1 发展历史发展历史 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
24、 年代以前,工业控制还以经典控制理论为基础4,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5,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
25、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6、自适应控制78、非线性控 制、鲁棒控制910以及智能控制11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
26、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12。 1.3.2 国内外主要厂商及产品国内外主要厂商及产品 挪威康斯伯格(kongsberg)13: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、 第一章 绪论 3 VDR、
27、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。 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
28、。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。 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 和和 FCS DCS(Disttr
29、ibuted 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
30、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14。 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15。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 东南大学硕士学位论文 4 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
31、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16。表 1.1 是对 DCS 和 FCS 的比较 表 1.1 DCS 与 FCS 比较 系统名称DCSFCS 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
32、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
33、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 5 第二章第二章 通信方式及相关技术原理分析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
34、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
35、接起来17。 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18。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 420mA 模拟量叠加了一种频率信号,用双绞线实现数字信号传输
36、。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 东南大学硕士学位论文 6 Honeywell、Bailey 等
37、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 N
38、et(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)1920。 2.1.2 现场总线技术特点现场总线技术特点 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
39、,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
40、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21。 第二章 通信方式及相关技术原理分析 7 表 2.1 三种通信方式比较 通信方式 项目 RS485CAN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
41、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
42、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
43、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 总线总线 东南大学硕士学位论文 8 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
44、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22。 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23: 1
45、.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 08 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
46、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
47、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。 第二章 通信方式及相关技术原理分析 9 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24。 5.CAN 技术规范25:为了使得 CAN 的报文在各种应用领域都能通用化,1991 年 BOSCH 公司制定并发布了 CAN 技术规范 V2.0,分为 2.0A 和 2.
48、0B 两个部分。2.0A 给出了 曾在 CAN 技术规范版本 V1.2 中定义的 CAN 报文格式,能提供 11 位地址;而 2.0B 给出 了标准的和扩展的两种报文格式,提供 29 位地址。 6.优先权:报文的标识符定义了一个静态的报文优先权,每一个报文都有一个唯一的 11 位或 29 位的标识符,标识符越小的报文具有越高的优先权。因此,一个拥有全 0 标识 符的报文具有最高的优先权。当总线上同时发送 2 个报文的时候,通过仲裁来决定具有高 优先权的报文优先发送。 7.位速率:位速率是指总线的传输速率。在一个给定的 CAN 系统中,位速率是确定不 变的。在 CAN 上,任意两个单元之间的最大
49、传输距离与位速率有关,表 2.1 列出了一些相 关数据。其中最大传输距离是指不接中继器的两个单元之间的距离。 表 2.1 CAN 总线中位速率与最大距离之间的关系 位速率/kbps10005002501251005020105 最大距离/m4013027053062013003300670010000 8.总线数据表示:CAN 总线上使用显性和隐性来表示 0 和 1。当总线同时出现发送显 性位和隐性位时,总线上的数值显示显性。 2.2.2 四种数据帧及帧结构四种数据帧及帧结构 监控报警系统的数据传输是基于 CAN 总线的报文传输,而 CAN 总线上的报文传输使 用四种不同的帧来表示和控制,分别为数据帧、远程帧、出错帧和过载帧。数据帧主要用 于将数据从发送器传输到接收器。远程帧通常由某一个节点发出,用来请求具有同一标识 符的数据帧。出错帧是当 CAN 总线上任何成员发生错误的时候发出的。过载帧用于两个 数据帧或者是远程帧之间提供一个延时。下面是对各个帧结构进行具体的分析: 1.数据帧:数据帧由不同的 7 个位场组成,分别为帧起始,仲裁场,控制场,数据场, CRC 场
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