郭 峰
(西京学院，陕西 西安 710123)
摘要: 大型油轮和运输化学药品的船舶都有非常多的液舱，在运输过程中需要对这些液舱进行全面的实时监控，以便获取液舱的温度、湿度、压强、液位等数据，保证船舶运行安全。CAN现场总线具有抗干扰能力强、传输速度高、数据准确率高等特点，本文使用CAN总线构建了船舶液舱监测网络，对CAN现场总线的原理进行分析，设计了基于PCA82C251的CAN总线转换电路，并对电路中的光耦选择情况进行说明，最后给出了几种抗干扰措施。本文提出的船舶液舱监测系统具有良好的实用性。 关键词：CAN；现场总线；液舱；监测网络
视频模块中图分类号：TP665.1 文献标识码：A
文章编号： 1672 – 7649(2018)5A – 0022 – 03 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2018.5A.008
Application of CAN fieldbus in monitoring network of ship ladder
GUO Feng
(XiJing College, Xi'an 710123, China)
Abstract: Large tankers and ships transporting chemicals have a very large number of tanks, which need to be mon-itored in real time in order to obtain temperature, humidity, pressure and level data for the safe operation of the ship. CAN fieldbus has the characteristics of strong interference resistance, high transmission speed and high data accuracy. This paper builds the monitoring network of ship cabin with CAN bus, analyzes the principle of CAN fieldbus, designs the CAN bus conversion circuit based on PCA82C251, and explains the selection of optical coupling in the circuit. The monitoring system of ship cabin is of good practicability.
古代建筑名称Key words: CAN；fieldbus；liquid chamber；monitoring network
0 引 言
当前CAN现场总线技术在船舶自动化系统中得到了广泛应用。CAN现场总线传输的距离长，并且抗干扰的能力很强，能够在复杂环境中稳定工作，并且不受噪音干扰，因而非常适合于船舶监控系统。
船舶液舱是船舶上装载有液体的舱室，这些舱室包括淡水舱、油水舱等，这些舱室在设计时需要考虑到其分布情况对于整个船舶稳定状态的影响，同时由于液舱的特殊性，需要对这些舱室进行监控。特
柬埔寨语别是对于大型油轮或者运输化学品的船舶而言，对液舱中的温度、湿度、内部气体压力等的监控对于保证物品运输安全具有非常重要的意义。在未来一段时间内，世界各国对于大型运输船舶的需求和建造都将出现一定增长，而建造这样的大型船舶不仅需要在结构设计上保证安全，同时对各个液舱的实时监控也非常重要，将液舱监控网络纳入船舶自动化监控系统中也具有非常重要的意义。通过分析液舱的实时情况可以获取船舶的吃水情况，同时也可以间接了解船舶在航行中的稳定情况。
在国内有很多的学者和工程人员对船舶舱室监控进行研究，季建[1]等使用虚拟仪器技术对船舶舱室的温度监控进行研究，唐磊[2]等使用Zig b ee技术和CAN总线技术对船舶人员位置和舱室的环境进行监控，使用烟雾传感器、温度传感器等监控火灾。胡苓苓[3]提出使用PLC S7-200监控船舶舱室进水的情况。本文提出一种基于CAN现场总线的船舶液舱监测系统，系统能够实现对船舶液舱温度、湿度等状态的监
第40 卷 第 5A 期舰 船 科 学 技 术Vol. 40, No. 5A 2018 年 5 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY May , 2018
收稿日期: 2018 – 03 – 28
基金项目: 陕西省教育信息化研究资助项目
作者简介: 郭峰(1982 – )，男，硕士，工程师/讲师，研究方向为计算机、网络及大数据。
控，系统具有良好的稳定性，并且能够适用于船舶的运输环境。
1 CAN现场总线
CAN现场总线是目前应用的最为广泛的总线技术之一，很多嵌入式系统都支持C A N总线协议。CAN总线数据传输速度高，并且具有非常强大的抗干扰能力，因而在分布式监控系统中得到广泛应用。当前的液舱监测网络除了需要监控温度、湿度等传感器信号，在未来还需要对视频、声频等信号进行监控，对数据的传输速率有一定要求。而CAN总线的数据传输速率可以达到1 Mbit/s，可以支持基本的视频以及数据传输需求。
CAN现场总线在数据传输中采用仲裁机制，仲裁决定了每一帧数据的优先级，类似于在进行会议时与会人员发言时需要先请求发言，然后获取优先权后才能进行发言，如图1所示。每一帧数据的起始处有代表其优先权的代码，当仲裁结束后优先权高的数据可以进行发送，并进行相应的错误检测，接收端在接收成功后进行应答[4]。
由于CAN总线上的电平和正常的TTL电平有所不同，并且具有 2 种状态，显性状态和隐性状态，在显性状态下其高电平为3.5 V，低电平为1.5 V，这样对应的逻辑电平为0 V，隐性状态时两者电平皆为2.5 V，对应的逻辑电平为高电平。此时需要使用总线转换器将其转换为标准电平。
2 船舶液舱监测网络设计
2.1 监测网络整体设计
船舶上液舱分布于船舶底层，并且各个液舱室之间具有一定距离，因而在布置传感器时需要在各个舱室分别进行设置。单一的监控系统很难同时对整个船舶液舱进行同时监控，并且很难保证数据的同步性和准确性。
使用CAN总线构建船舶液舱监控网络，整个监测网络包括船舶监控中心、CAN总线以及CAN节点 3层。CAN节点位于最底层，负责采集船舶多个液舱的温度、湿度、压力、液位等传感器数据，这些CAN节点在采集好数据后，将这些数据打包成CAN数据帧，按照一定的优先级将数据发送出去，转换电路通过将这些数据转换成标准数据后传输到船舶监控中心，监控中心对这些数据进行处理就可以获取各个液舱的实时情况。
CAN节点一般使用DSP或者ARM来实现，在本系统中使用DSP嵌入式系统实现传感器数据的采集和CAN协议的通信。DSP具有很高的运算速度，并且在使用30 M晶振的情况下内部时钟最高可以达到150 MHz，因而在处理速度上能够完全满足系统的需求。外部传感器的数据在经过电压变换后直接传输到DSP自带的A/D转换接口即可实现数据转换。DSP的eCAN模块具有32个邮箱，所占大小为512字节，通过配置相关寄存器可以很轻松地将数据发送出去。
nessie2.2 CAN总线转换电路设计
监控中心获取CAN总线传输的数据必须要通过转换电路才能完成。一般转换电路使用SJA1000或者PCA82C250/251来实现。考虑到系统应用的广泛性，使用P C A82C251完成转换电路的设计，支持DC12V/24V接口，图3所示为基于PCA82C251的CAN总线转换电路简图。
金属铜是什么颜
设计如图4所示的CAN总线转换电路图。在转换电路设计中需要考虑到传输速度以及器件的匹配性，特别是一些关键器件的选取，如在本系统中使用光耦
图 1 CAN总线工作原理
Fig. 1 The principle of CAN Bus
图 2 船舶液舱监测网络整体结构
Fig. 2 Overall structure of vessel hydraulic monitoring network
第 40 卷郭 峰：CAN现场总线在船舶液舱监测网络中的应用· 23 ·
6N137，经过试验可以发现，在传输速度小于500 kbit/s 时可以满足要求，但是当速度高于此值时则会出现数据错漏等情况。因而，在实际船舶液舱监测网络中，如果对传输速度要求很高时则需要选择其他的光耦来实现。比如高速光耦HCL7101的信号延迟小于40 ns，完全能够实现超过500 kbit/s的数据传输需求。
2.3 抗干扰措施
虽然CAN总线具有很强的抗干扰能力，但是这主要体现在协议上，以下对整个监测网络中的硬件抗干扰措施进行简要介绍。
在确定抗干扰措施前需要确定船舶液舱监测网络中干扰的主要来源。船舶的电力供应由船舶电站提供，但是船舶电站提供的电力质量一般会有很大波动，并且随着船舶负载的变化，电力系统中可能会出现短暂的冲击，因而电源干扰是船舶监测网络中的重要干扰之一。除此之外环境所产生的电磁信号及噪音等也有可能对监测网络造成影响。
为了保证系统的持续稳定运行，并且最大限度保证监测网络数据的准确性，在系统供电上使用开关电源供电，并且在核心芯片供电前端使用稳压芯片，保证电压供电的稳定性。传感器数据的采集容易受到环境的干扰，在其信号输入端使用多个电容进行滤波，将高频噪音去除掉[5]。同时在软件中使用数据甄别，设置传感器的正常数值范围，对于远远偏离正常值范围的数据直接舍弃。从软件和硬件上保证监测网络中采集数据的准确性。
由于整个系统中需要使用多个CAN节点，嵌入式CAN节点的稳定性直接关系着整个系统的稳定性。嵌入式CAN节点的抗干扰性能很大程度上决定于PCB 板的布局以及抗干扰设计。在PCB板设计完成后进行覆铜处理，并且输入输出接口端排布于电路板边缘，使用光耦对信号进行隔离，减少电路末端的噪音。佳木斯大学教务网络管理系统
3 结 语
针对未来船舶运输和建造的需求，对船舶液舱监控网络的要求也越来越高。船舶液舱监控网络可以很好地对船舶液舱的温度、湿度、压力等数据进行实时监测，本文使用CAN总线及CAN节点等对液舱进行监控，构建了液舱监测网络的整体结构，重点研究了CAN总线转换电路的设计以及系统的抗干扰措施。系统具有较强的抗干扰能力，数据传输速度能够满足当前及未来一段时间内液舱监测的需求。
参考文献：
唐磊, 易丁. 基于CAN总线和Zigbee的船舶人员位置及舱室环境动态感知的研究[J]. 中国水运. 航道科技, 2017, (06): 41–44.
[1]
季建, 徐娇. 基于虚拟仪器技术的船舶舱室温度监测系统设计与开发[J]. 造船技术, 2017, (04): 40–45,78.
[2]
胡苓苓. 基于PLCS7-200的船舶舱室进水监控系统的研究[J]. 电气技术, 2013, (10): 38–40,43.
[3]
周兴云, 陆文斌, 张秋明, 等. 基于CAN和RS422实现FPGA 远程调试与配置[J]. 无线电工程, 2018, 48(02): 154–158.
[4]
阿依努尔•努尔艾合买提, 麦迪娜•热吉甫, 隆振, 等. 开关柜局部放电抗干扰系统开发研究[J]. 电子世界, 2018, (01): 131–132.
[5]
图 3 基于PCA82C251的CAN总线转换电路
Fig. 3 CAN bus conversion circuit based on PCA82C251
图 4 CAN总线转换电路图
Fig. 4 CAN bus transform circuit diagram
· 24 ·舰 船 科 学 技 术第 40 卷
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议