基于CAN總線的船舶貨艙進水報警系統(tǒng)設(shè)計

王樹東

(中海電信有限公司 大連分公司，遼寧 大連 116000)

0 引 言

船舶貨艙進水報警系統(tǒng)是單船殼散貨船按照SOLAS公約的要求必須安裝的設(shè)備[1],通常通過1根船用電纜將各貨艙的檢測點位(壓力傳感器型)與主控箱連接，以常見的長200 m、載重量57 000 t的船舶為例，5艙最少有8個點位,電纜用量相當于船長的5～6倍，艏部艙室每增加1個檢測點，電纜長度至少增加1倍船長。有些船舶的檢測點甚至超過12個，電纜用量和施工工程量較大，整體安裝成本較高。同時,只能顯示貨艙0.5 m預報警和2.0 m主報警2種狀態(tài)[1]，艏部物料間等其他艙室只有1種水位狀態(tài)報警，顯示的信息簡單,不能顯示實時報警水位及其變化趨勢，不利于船員根據(jù)報警情況做出應急處理。本文設(shè)計的進水報警系統(tǒng)采用雙CAN總線電纜、雙CAN總線驅(qū)動控制器和雙液晶屏顯示的物理介質(zhì)冗余方式[2-3]，不僅能使電纜長度得以縮短(與檢測點位的多少無關(guān))，而且能實現(xiàn)直觀顯示報警現(xiàn)場數(shù)據(jù)、報警變化趨勢、故障情況和報警狀態(tài)等信息。

本文基于“雙CAN總線貨艙進水報警系統(tǒng)”項目進行各部分電路及整機的運行驗證，結(jié)果達到規(guī)范的要求。

1 系統(tǒng)的工作原理和功能

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。水位探測器與隔離安全柵連接，采集的模擬信號以工業(yè)現(xiàn)場中穩(wěn)定的4～20 mA電流方式傳送。安全柵內(nèi)有雙級限流電路和模擬信號隔離電路，能達到本質(zhì)安全防爆的要求。利用安全柵內(nèi)的主控制器對信號進行處理之后，通過雙CAN總線隔離模塊和雙CAN冗余總線將工作狀態(tài)信息發(fā)送給主機和副機處理。主機和副機內(nèi)的主控制器對各安全柵的信號進行處理，在工業(yè)級的觸摸液晶顯示屏上顯示現(xiàn)場的水位高度、探測器電流、故障情況和報警狀態(tài)等信息。同時，系統(tǒng)的各種信息通過RS485總線發(fā)送給船舶航行記錄儀(Voyage Data Recorder,VDR)記錄[1]。整機由船舶220 V交流電源和24 V應急蓄電池備份供電，隔離后輸出24 V供電給各安全柵和主副機內(nèi)的主板。電氣隔離是系統(tǒng)設(shè)計的基本要求,主機電源、主副機主板、各安全柵和雙CAN總線之間全部采用電氣隔離。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

雙CAN總線采用熱備份的方式運行。CAN1總線為主工作總線，CAN2總線處于備用監(jiān)控狀態(tài)。當CAN1總線因節(jié)點出現(xiàn)短路故障或驅(qū)動器受損而不能正常工作時，CAN2總線上對應的節(jié)點和總線自動投入運行，保證系統(tǒng)正常工作[4]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控制器的選擇

為減少外圍器件，隔離安全柵和主板的主控制器選用片內(nèi)雙路CAN控制器和多路串行控制器的處理器STM32F107VCT6。該處理器是Cortex內(nèi)核的32位ARM處理器，主頻最高為72 MHz，集成有CAN、UART和12 bit ADC等功能強大的接口；芯片3.3 V供電;高速低功耗；內(nèi)部集成的64 KB SRAM和256 KB FLASH足以滿足應用需求，無需擴展存儲。選用該芯片使電路設(shè)計簡化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 水位探測器

水位探測器通常安裝在貨艙的后壁上，傳感器芯片會接觸海水或成分復雜的礦石粉末，所處環(huán)境較為惡劣，需滿足防酸堿、防腐蝕和本質(zhì)安全防爆的要求。本質(zhì)安全防爆必須從限制能量入手，將電路中的電壓和電流可靠地限制在允許的范圍內(nèi)，保證在儀表短接或元件損壞等故障條件下產(chǎn)生的電火花和熱效應不會使周圍的危險氣體發(fā)生爆炸。為使本安電路與非本安電路隔離,避免本安電路因熱效應而產(chǎn)生過高的溫度,控制本安電路的電參數(shù)(電壓、電流)，選擇成熟隔離電路和逐級限壓或限流的方法滿足防爆的要求[6]。

2.2.1 傳感器芯片的選擇

水位探測器所處的環(huán)境溫差較大，需具有溫度穩(wěn)定性和檢測線性精度，因此對傳感器芯片的要求較高。常用的接觸式傳感器芯片主要有擴散硅傳感器、陶瓷壓阻傳感器和陶瓷電容傳感器。陶瓷類傳感器在溫度特性和檢測精度等方面優(yōu)于擴散硅傳感器。陶瓷電容傳感器芯片的價格較高,是另2種芯片的5倍左右，且在船舶貨艙進水系統(tǒng)中應用時會因感壓面積較大而使芯片與密封硅膠圈接觸處積累礦質(zhì)水銹,造成陶瓷電容傳感器接觸面受壓，靜態(tài)電流增大，進而導致測量誤差增大,甚至使系統(tǒng)誤報警，需定期及時用鹽酸清洗或更換整個水位探測器。陶瓷壓阻傳感器沒有這種缺點，雖然精度稍遜于陶瓷電容傳感器，但具有長期溫度穩(wěn)定性好、過載強和價格低等優(yōu)點，成為該設(shè)計的首選傳感器。選擇CPS181型100 kPa量程的陶瓷壓阻傳感器，其芯片響應時間小于1 ms,綜合誤差為0.2～0.4 FS%,溫度特性為±0.015%FS/℃,工作溫度為-40～125 ℃。

2.2.2 水位探測器4～20 mA變送器電路

根據(jù)陶瓷壓阻傳感器的特性，選擇比較成熟的電路。雙運放TLC27L2與電流變送器集成XTR106組成4～20 mA電流變送器，最大電流限制為28 mA。TLC27L2和XTR106的耗電電流共約2.5 mA,遠低于4 mA的零點電流。變送器電路見圖2。

圖2 變送器電路

雙運放TLC27L2是雙路低噪聲、高精度、高增益和微功耗的運算放大器，用來對陶瓷壓阻傳感器受壓產(chǎn)生的微弱壓變進行放大。該結(jié)構(gòu)能提高電路的共模抑制比，使其具有低失調(diào)和低漂移的特性。雙運放TLC27L2的增益為G=1+2×R2/(W2+R3)。按圖2中的參數(shù)設(shè)置，W2可調(diào)G為5～10。

XTR106是具有電橋激勵的線性化4～20 mA兩線制單片電流發(fā)送器集成電路，具有高電壓抑制比、高共模抑制比、寬工作電壓范圍(7.5～36 V)、低功耗(0.2 mA靜態(tài)工作電流)、低溫漂(0.25 μV/℃)、低噪聲(35nApp)、線性度好和抗干擾性強等特點。XTR106自帶的2.5 V/5.0 V基準電橋激勵電壓可給陶瓷壓阻傳感器供電。外部Q1為NPN型功率晶體管2BD139，與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)之后可降低芯片的功耗。XTR106的1腳VREG可為雙運放TLC27L2提供5.1 V的電力。XTR106可對傳感器的非線性進行補償，使傳感器的非線性問題得到有效解決。當傳感器芯片存在正非線性時，引腳12與引腳6相連接，激勵電壓VREF隨傳感器差分輸出電壓的增大而增大，以補償正的非線性;當傳感器芯片存在負非線性時，引腳12與引腳1相連接，激勵電壓VREF隨傳感器差分輸出電壓的增大而減小，以補償負的非線性。

D2選用1N4148型二極管，可防止因電源的正負極接反而損壞元件。D1采用P6KE39A型瞬變電壓抑制二極管(鉗位電壓UB=39 V)或1N4753A型36 V齊納穩(wěn)壓管,當供電電壓過高時就被鉗位保護。

C1、C2和C3為103去耦電容，可消除射頻干擾，提高抗干擾性。W1和W2分別為調(diào)零位(4.0 mA)和滿量程(20.0 mA)調(diào)整的電位器。水位探測器水壓與輸出電流的關(guān)系為A=4H+4.0，二者的線性關(guān)系見圖3。

2.3 安全柵的設(shè)計及元件選用

2.3.1 雙級限流電路

安全柵本安部分的設(shè)計要符合防爆的要求[7]。水位探測器的供電回路采用兩級限流電路，保障在某級短路的情況下也能對水位探測器的供電有良好的電流限制作用。場效應管恒流源電路在4～20 mA內(nèi)，電路處于飽和導通狀態(tài)。當電流增大，R1和R2的壓降達到0.6 V時,Q3和Q6導通，Q2和Q5退出飽和狀態(tài)，使電流受到限制。電流的大小由R1和R2決定，I=600/R1,R1和R2取22 Ω，電路最大限制電流為27 mA。場效應管選3SK30A，NPN管選中功率管8050。限流電路見圖4。

2.3.2 模擬量的光電隔離

為達到本安防爆的要求，安全柵的本安部分與非本安部分必須隔離[7]。需對采集到的反映水位探測器電流變化的模擬信號進行隔離。雙級限流電路、水位探測器和采樣電阻R8形成一個回路。電流的變化在R8上形成0.8～5.0 V的壓降，經(jīng)U3緩沖放大，用高精度線性光電耦合器HCNR201做模擬量的隔離，再經(jīng)U2輸出，提供給安全柵內(nèi)的主控處理器STM32F107VCT6處理。

高精度線性光耦HCNR201由3個光電元件組成。1引腳與2引腳間是1個發(fā)光二極管，3引腳與4引腳間和5引腳與6引腳間是2個相鄰匹配的光敏二極管，輸出的電流近乎一致，與光耦內(nèi)部LED的發(fā)光強度成正比。雖然LED的輸出光強隨著溫度的變化而略有變化，但運放U3將通過光敏二極管的反饋,調(diào)整發(fā)光LED電流進行補償,從而消除LED的非線性和偏差特性帶來的誤差。被測電壓與輸出電壓之間是正比的關(guān)系。圖5為模擬量光電隔離,按其中的元件參數(shù)調(diào)整W1,輸出一定比例的隔離輸出電壓，可調(diào)整至與輸入電壓相一致[9]。

圖5 模擬量光電隔離

用高精廢電流發(fā)生器MR9270S模擬電流值，測量隔離輸入電壓(R8壓降)和隔離輸出電壓(U2輸出),做實測記錄。電壓測試使用4位半高精度萬用表UT61E。經(jīng)過隔離的輸入電壓與輸出電壓的差值小于5 mV，實測記錄見表1。

表1 隔離輸入電壓與輸出電壓實測記錄

當隔離輸出電壓小于0.5 V(對應水位探測器的2.5 mA)時，處理器STM32F107判斷為水位探測器開路;當隔離輸出電壓大于4.8 V(對應水位探測器的24 mA)時,處理器STM32F107判斷為水位探測器短路。

2.3.3 CAN總線模塊的選用

為保證安全柵電路部分與CAN總線、24 V供電的電氣隔離，并簡化設(shè)計,提高穩(wěn)定性，選用工控行業(yè)廣泛應用的雙路雙隔離CAN收發(fā)器模塊CTM8251KAD。該模塊具有體積小、3.3 V電壓供電、低功耗、內(nèi)部集成隔離電源、EMI特性好和2 500 V隔離電壓等優(yōu)點。CAN總線外圍保護電路見圖6，CAN2通道元件相同。

圖6 CAN總線外圍保護電路

當遭遇雷擊或其他強烈干擾時，感應能量若不能及時泄放，收發(fā)器會遭到損壞。為防止收發(fā)器損壞，增加防雷管和TVS等器件作為總線保護。B3D090L陶瓷氣體放電防雷管為三端寬頻帶氣體過壓保護器，有90 V高電流承載能力，反應速度快，重復性優(yōu),性能穩(wěn)定可靠。TVS雙向瞬變抑制二極管P6KE15CA有1.0 ps的快速反應能力，能較好地抑制脈沖高壓，將總線的壓差鉗制在安全范圍內(nèi),起到保護作用。T1為B82793S0 CAN總線共模抑制電感，可抑制總線上的對稱干擾和不對稱干擾。

主機和副機中的CAN總線的部分電路采用同樣的設(shè)計。

2.4 主板部分的設(shè)計

2.4.1 觸摸液晶屏幕的選用

液晶屏不僅能顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)、故障情況和報警狀態(tài)，而且設(shè)有功能與主機箱機械按鍵相同的模擬觸摸按鍵，可對各項功能進行設(shè)置。船舶駕駛臺在溫度、濕度和電磁射頻輻射等方面要比一般的工業(yè)環(huán)境惡劣，液晶屏的背光高亮度要求比商業(yè)液晶屏高很多。電容觸摸液晶屏幕受船舶電臺、雷達等通導設(shè)備的射頻影響而出現(xiàn)錯誤,因此排除選用。串口電阻觸摸工業(yè)液晶屏選用已在工控領(lǐng)域廣泛應用的SDWe070T30，內(nèi)置有性能強大的高速微處理器芯片，有獨立運行的互動式人機界面，響應速度快，與主板處理器通過簡單的串口命令進行串口通信，能有效減輕主處理器的負擔。配套的專用圖形化設(shè)計軟件能大大降低軟件編程設(shè)計的工作強度。

2.4.2 485器件的選用

設(shè)備的工作狀態(tài)和報警信息等通過RS485總線發(fā)送給船舶VDR記錄。普通的485器件加光耦做數(shù)據(jù)隔離的方式需另外加隔離電源模塊，為簡化設(shè)計,采用485隔離模塊RSM3485CHT，具有3.3 V低功耗供電、波特速率為115 200 bits/s、內(nèi)部集成隔離電源和ESD保護器件及2 500 V隔離電壓等優(yōu)點。

3 供電設(shè)計

電源電路在保障設(shè)備穩(wěn)定運行方面起著重要的作用。主機電源采用交流供電和船舶備用24 V蓄電池備份供電，提供隔離的24 V直流電給主機主板、安全柵和副機。在船舶發(fā)電機出現(xiàn)故障的情況下，交流開關(guān)電源無法供電。為保證貨艙進水系統(tǒng)正常運行,需要船舶備用24 V蓄電池供電。不能直接將24 V蓄電池接入主機，否則會有船舶24 V直流電的接地系統(tǒng)告警，影響其他設(shè)備的正常運行。采用帶啟動控制端的DC-DC大功率隔離電源模塊和備用蓄電池供電,做到電氣隔離。MBR1560為交流電源和直流模塊的輸出相互隔離。當交流電源無法供電時，DC-DC模塊的控制端REM由低電平轉(zhuǎn)為高電平，模塊輸出24 V直流電繼續(xù)給設(shè)備供電。該方式比繼電器切換的方式更簡潔,切換速度更快。主備供電電路見圖7。

圖7 主備供電電路

主板上各部分電源與主機箱提供的24 V直流電相互隔離，安全柵中的各部分電源作相同的處理。為簡化設(shè)計，定制隔離電壓大于3 000 V的隔離電源模塊。隔離電源模塊穩(wěn)定輸出24.0 V、9.0 V和3.3 V等3路相互隔離的電壓。在主板上分別給液晶屏、外部按鍵指示部分、主控處理器和CAN總線模塊供電。安全柵中的隔離電源模塊的功率和體積比較小，分別給水位探測器、隔離放大輸出指示部分、主控處理器和CAN總線模塊供電。主板和安全柵供電如圖1所示。

4 系統(tǒng)性能和結(jié)論

利用淡水調(diào)節(jié)水位高度，記錄水位高度值和液晶屏顯示高度值(不包含水位探測器物理高度40 cm),結(jié)果見表2。

表2 水位高度值和液晶屏顯示水位高度值 m

采取多種組合(水位探測器+安全柵)進行測試，水位實際高度與液晶屏顯示高度的差值均不超過2 cm, 遠低于中國船級社貨艙進水報警系統(tǒng)E20規(guī)定的在0.5 m和2.0 m報警點上10 cm的誤差要求[1]。船舶航行時海水的平均密度比淡水高2.5%，實際報警水位高度要低于淡水，在上述2個報警點也符合規(guī)范規(guī)定的10 cm誤差要求，基本能達到設(shè)計要求。

本文設(shè)計的電路不僅適用于該系統(tǒng)，而且能為其他類似的設(shè)計提供參考。

5 結(jié) 語

雙冗余CAN總線作為一種可靠性高、易于維護的現(xiàn)場總線技術(shù)，在船舶貨艙進水報警系統(tǒng)中應用可使系統(tǒng)綜合顯示現(xiàn)場信息和報警信息等實時信息，并能使擴展檢測水位的點位變得簡單。本文詳細敘述了雙冗余CAN總線貨艙進水報警系統(tǒng)的工作原理、功能、硬件設(shè)計和實際應用中的硬件電路，積累的相關(guān)經(jīng)驗可供以后的CAN總線設(shè)計參考。