艦船安全監(jiān)控系統(tǒng)通用型CAN總線通訊模塊設(shè)計(jì)

洪曄，李海平，李崇

(中國艦船重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

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艦船安全監(jiān)控系統(tǒng)通用型CAN總線通訊模塊設(shè)計(jì)

洪曄，李海平，李崇

(中國艦船重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

針對艦船安全監(jiān)控中探測器種類多、布點(diǎn)分散、工作環(huán)境惡劣、作業(yè)溫度跨度大、傳輸距離遠(yuǎn)、電磁干擾強(qiáng)的問題，設(shè)計(jì)CAN總線通信模塊的硬件、軟件及通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各探測器及外部設(shè)備與上位機(jī)的通信功能，通信節(jié)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。

安全監(jiān)控系統(tǒng)；CAN總線通信模塊；CAN總線通信協(xié)議

隨著現(xiàn)代海軍裝備技術(shù)的不斷發(fā)展及作戰(zhàn)模式的復(fù)雜化，大型艦船用途不斷擴(kuò)充、配套裝備技術(shù)持續(xù)發(fā)展，需要攜帶大量的噴氣燃料等易燃易爆的危險(xiǎn)物品。噴氣燃料容易揮發(fā)，其油氣與空氣混合便會形成可燃性氣體，當(dāng)氣體達(dá)到一定體積分?jǐn)?shù)時(shí)，遇明火就會引起燃燒和爆炸。

為了保證生命和財(cái)產(chǎn)的安全，需對這種易燃易爆氣體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測并實(shí)時(shí)控制，適時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警提示。根據(jù)可燃?xì)怏w爆炸因素所設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控設(shè)備，應(yīng)同時(shí)監(jiān)測可燃?xì)怏w、氧氣、二氧化碳等體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測及溫度、濕度等信息監(jiān)測，并能夠控制通風(fēng)系統(tǒng)等外部設(shè)備。大型艦船艙室數(shù)量眾多，安全監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需求量較大，安全監(jiān)控系統(tǒng)對通信節(jié)點(diǎn)可靠性要求較高，且探測器種類多、布點(diǎn)分散、工作環(huán)境惡劣、作業(yè)溫度跨度大、傳輸距離遠(yuǎn)、電磁干擾強(qiáng)。針對以上問題，介紹通信節(jié)點(diǎn)選用CAN總線通訊方式。

CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，與一般的通信總線相比，性能突出，具有可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間；CAN通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門調(diào)度；其直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km；采用短幀格式，傳輸時(shí)間短、受干擾率低；CAN通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活[1-2]。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 通用型CAN總線通信模塊設(shè)計(jì)

某大型艦船安全監(jiān)控系統(tǒng)中探測器種類較多，將探測器按照功能模塊進(jìn)行劃分，見圖1。各種類探測器包括探頭和探身2部分，探頭輸出傳感器信號，探身按功能模塊分為信號調(diào)理模塊和CAN總線通信模塊。信號調(diào)理模塊，將不同功能傳感器的信號調(diào)理歸一化處理；CAN總線通信模塊，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、現(xiàn)場顯示和信息上傳[3]。系統(tǒng)各探測器采用通用的CAN總線通信模塊，簡化了設(shè)計(jì)、方便調(diào)試維修。

CAN總線通信模塊中的微處理器擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)場顯示、數(shù)據(jù)通信等功能，其作為探測器的核心部件，直接影響到數(shù)據(jù)的精度、現(xiàn)場顯示，以及數(shù)據(jù)的傳輸，微處理器選用silicon labs公司具有CAN控制器的C8051F040芯片。

由于通信需求，CAN總線通信模塊設(shè)計(jì)了CAN通信接口電路；電路板空間有限，為了減少IO驅(qū)動，縮小占用空間，現(xiàn)場顯示采用SPI總線形式送顯。如圖2所示，CAN總線通信模塊包括微處理器、電源轉(zhuǎn)換電路、看門狗復(fù)位電路、電壓基準(zhǔn)電路、SPI送顯電路、外部振蕩器驅(qū)動電路、CAN通信接口電路、撥碼盤電路，以及A/D轉(zhuǎn)換輸入接口保護(hù)電路。

1.2 部分電路設(shè)計(jì)

SPI送顯電路原理圖2所示，指令經(jīng)SPI總線將由CPU傳輸至共陰極顯示驅(qū)動器MAX6950，進(jìn)而驅(qū)動3個(gè)共陰極數(shù)碼管，完成探測器現(xiàn)場顯示。

CAN通信接口電路采用ADuM1201隔離芯片實(shí)現(xiàn)了CAN總線通訊節(jié)點(diǎn)與外部接線的光耦隔離[4-5]，如圖3所示。

2 CAN總線通訊信議

該CAN通信節(jié)點(diǎn)在各種類探測器之間具有通用性，CAN總線通信協(xié)議要同時(shí)滿足可燃?xì)怏w、氧氣、二氧化碳、溫度、濕度以及外部設(shè)備的所有通用要求。

CAN總線通信協(xié)議設(shè)置命令包括設(shè)置廣播周期、設(shè)置模塊類型、設(shè)置CAN節(jié)點(diǎn)地址、設(shè)置CAN節(jié)點(diǎn)波特率、設(shè)置平滑系數(shù)、設(shè)置防抖系數(shù)、讀/寫模塊輸入/輸出、設(shè)置通道狀態(tài)、設(shè)置傳感器類型等。

該CAN總線通信協(xié)議主要針對幀格式包括標(biāo)識符和數(shù)據(jù)區(qū)及具體的命令功能進(jìn)行定義。

2.1 11位標(biāo)識符的定義

CAN總線通信協(xié)議中對11位標(biāo)識符的定義見表1，每個(gè)區(qū)域帶載為20～30個(gè)探測器，因此，從站地址需占用5位；主站地址占用1位；在本應(yīng)用為一主對多從的架構(gòu)，但只涉及到主站和從站之間的通信，從站之間無需信息交流，因此通信方向占用1位；讀寫標(biāo)志位占用1位；安全監(jiān)控系統(tǒng)中探測器5種，另有外設(shè)控制模塊1種，預(yù)留2個(gè)可擴(kuò)展種類，共需8個(gè)，因此探測器種類占用3位。

表1 11位標(biāo)識符的定義

2.2 8字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)的定義

CAN總線通信協(xié)議中8字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)包括數(shù)據(jù)區(qū)、命令功能碼、功能類型和通道號標(biāo)識幾部分，見表2。

表2 數(shù)據(jù)1～8字節(jié)的定義

數(shù)據(jù)區(qū)存儲各探測器得到的體積分?jǐn)?shù)值；命令功能碼表示相應(yīng)控制命令；在系統(tǒng)通訊中涉及到AI,AO,DI,DO功能操作，因此功能類型對探測器操作進(jìn)行設(shè)置；通道號表示該次操作所對應(yīng)的通道。

3 CAN總線通信節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

CAN總線通信模塊微處理器的軟件包括數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)場顯示、數(shù)據(jù)通信等幾個(gè)功能。其工作流程見圖4。

本程序CAN總線通訊采用應(yīng)答模式。CAN總線通訊模塊數(shù)據(jù)通訊流程如圖5所示。

設(shè)置單片機(jī)CAN接收通道為1通道，發(fā)送通道為2通道，波特率為50 kb/s。通過對報(bào)文篩選器預(yù)定義，決定某節(jié)點(diǎn)接收哪些報(bào)文。報(bào)文接收篩選器由接收碼寄存器和接收屏蔽寄存器組成，接收碼寄存器規(guī)定了擬接收報(bào)文中參與篩選比較的各位(即標(biāo)識符)必須匹配的值，而接收屏蔽寄存器則將接收碼寄存器中的某些位屏蔽為無關(guān)位，對應(yīng)無關(guān)位的標(biāo)識符位不參加篩選[6]。

當(dāng)上位機(jī)發(fā)送一幀CAN幀的特定內(nèi)容至探測器，每個(gè)探測器的微處理器中的CAN控制器監(jiān)聽接收總線上的所有報(bào)文，探測器對此數(shù)據(jù)幀的ID和內(nèi)容進(jìn)行仲裁，此時(shí)通過CAN控制器中報(bào)文篩選器對其進(jìn)行篩選，若2項(xiàng)內(nèi)容均匹配，該報(bào)文才能進(jìn)入CAN的報(bào)文接收緩沖區(qū)，起CAN中斷[7-8]。引進(jìn)入中斷程序后，接受數(shù)據(jù)標(biāo)志位清零，為下次接受數(shù)據(jù)幀做好準(zhǔn)備。之后向上位機(jī)發(fā)送一幀代表濃度值或控制反饋信息的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

通用型CAN總線通信模塊及其配套的CAN總線通信協(xié)議能夠滿足大型艦船安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測組分多、布點(diǎn)分散、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的任務(wù)需求。該CAN通訊節(jié)點(diǎn)具有通用性強(qiáng)，通訊實(shí)時(shí)性好，遠(yuǎn)距離、大數(shù)據(jù)量傳輸可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)代大型艦船安全監(jiān)控的技術(shù)發(fā)展趨勢。

[1] 史久根,張培仁,陳真勇．CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)[M]．北京:國防工業(yè)出版社,2004．

[2] 杜尚豐,曹曉鐘,徐津．CAN總線測控技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2007．

[3] 洪曄,黃巖平,張玉廣,等.艦用防爆型氧氣探測器的溫度補(bǔ)償方法[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010(11):118-121,150.

[4] 薛大為.基于SJA1000的CAN總線通訊模塊的實(shí)現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表,2008(2):54-56,81.

[5] 曾友洲,胡瑩,曾偉一.基于CAN總線通訊模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006(4):39-42.

[6] Robert Bosch Gmbh．CAN Specification[EB/OL]．[1995-04-05]．http://www.elecfans.com/soft/162/2008/200809128554.html．

[7] PLUMMER C, ROOS P, STAGNARO L．CAN bus as a spacecraft onboard bus[M]．Euro- pean Space Agency, 2003．

[8] 鄔寬明．現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用選編：上冊[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996．

Design of General CAN Bus Communication Module on Ship Safety Monitoring and Control System

HONG Ye, LI Hai-ping, LI Chong

(No.718 Research Institute of CSIC, Handan Hebei 056027, China)

The CAN bus communication module, including hardware, software and the communication protocol was designed in order to solve the problems of multi-type of detectors, stationing scattered, bad work environment, big work environment, long transmission distance, strong electromagnetic interference problems. The communication function between the detectors and the upper machines was completed. The communication module has strong anti-jamming and high reliability.

safety monitoring system; CAN bus communication module; CAN bus communication protocol

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.022

2017-01-08

國家部委基金資助項(xiàng)目

洪曄(1986—)，女，碩士，工程師

研究方向：分析儀器

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0098-04

修回日期：2017-03-20