海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)的CAN總線設(shè)計

摘要：我國的海上疆土非常的遼闊，海洋開發(fā)和海洋探測對于我國經(jīng)濟的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。海洋資料浮標(biāo)是海洋環(huán)境監(jiān)測與海洋災(zāi)害預(yù)報的主要手段之一，具有全天候、長期連續(xù)、定點監(jiān)測的特點。根據(jù)海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)的特點，運用現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計了基于CAN總線的浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗表明，CAN總線的應(yīng)用為海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)采集系統(tǒng)提供了一種新的采集方式，組成了一套總線化、模塊化、高可維護性的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：通信；CAN總線；海洋浮標(biāo)；數(shù)據(jù)采集

海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)基于目前的大型海洋資料型浮標(biāo)安裝高清晰度圖像采集系統(tǒng)和聲學(xué)傳感器陣列，定點獲取關(guān)鍵海域的艦船信息，獲取海洋侵權(quán)目標(biāo)、提升全天候探測能力；分別研制基于浮標(biāo)衛(wèi)星和飛機衛(wèi)星的高速數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)，結(jié)合目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對侵權(quán)目標(biāo)的特征識別和研判；綜合集成上述傳輸技術(shù)、探測技術(shù)和分析研判技術(shù)等，在東海特定敏感區(qū)域開展維權(quán)執(zhí)法目標(biāo)探測識別與信息傳輸技術(shù)集成三位一體的信息綜合監(jiān)視示范應(yīng)用。
但是，我國目前的海洋資料浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)仍存有許多不足之處：浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)對浮標(biāo)內(nèi)信息的集成，完成浮標(biāo)上圖像信息、水聲信息、水文環(huán)境參數(shù)信息、浮標(biāo)體安全參數(shù)信息的采集、存儲和傳輸。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)種類多，給使用和維護帶來了極大的不便。因此為克服傳統(tǒng)浮標(biāo)采集系統(tǒng)的不足，本文將CAN總線應(yīng)于海洋維權(quán)浮標(biāo)采集系統(tǒng)，主機和通訊機通過CAN總線相連，CAN總線數(shù)據(jù)通信具有可靠性、實性及靈活性的特點，因此解決了大型海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的擴展性差的缺點。浮標(biāo)系統(tǒng)電氣部分分為：電源系統(tǒng)、浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)、水下聲陣列信息采集與識別系統(tǒng)、高清圖像采集與識別系統(tǒng)、高速衛(wèi)星通信系統(tǒng)、水文氣象傳感器和浮標(biāo)體安全監(jiān)控傳感器。

1 CAN總線原理
CAN(Controller Area Network)是一種用于實時應(yīng)用的串行通信協(xié)議總線，是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議是在1986年由德國BO SCH公司開發(fā)的，由于其實時性、高性能、高可靠性等優(yōu)點，隨后也廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如多種控制設(shè)備、交通工具、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等。CAN總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線，光導(dǎo)纖維或者同軸電纜，傳輸速率可達1 Mb／s，傳輸距離可達10 km。其特點概括如下：
(1)多主控制。在總線空閑時，所有與總線相連的單元都可以向其他節(jié)點發(fā)送信息。
(2)自動關(guān)閉。CAN總線可以判斷出總線上錯誤的類型是暫時的數(shù)據(jù)錯誤(如外部噪聲等)還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤(如驅(qū)動器故障、單元內(nèi)部故障、斷線等)。
(3)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求。CAN總線可以通過發(fā)送“遠(yuǎn)程幀”，請求其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。高效的短幀結(jié)構(gòu)。每個數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)域最長為8 B，傳送短報文時效率高，高可靠性。
(4)非破壞性總線仲裁技術(shù)。具有點對點、一點對多點及全局廣播等多種傳輸方式。當(dāng)有多個節(jié)點一起向總線發(fā)送信息時，最高優(yōu)先級的節(jié)點可以繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)而不受影響，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動的退出發(fā)送。
(5)總線配置靈活。

2 CAN總線的設(shè)計
(1)硬件的設(shè)計。基于CAN總線設(shè)計的硬件從結(jié)構(gòu)上分為主機模塊和通信機模塊，模塊之間通過CAN總線進行數(shù)據(jù)的通信。主機將采集的水文氣象數(shù)據(jù)和浮標(biāo)體安全監(jiān)控數(shù)據(jù)通過CAN總線周期性的上傳，通訊板將來自岸站的配置和控制命令也是通過CAN總線下發(fā)。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

通訊板用于處理圖像信息、水聲信息和高速衛(wèi)星通信的信息。浮標(biāo)通訊板是整個系統(tǒng)的控制樞紐，從通訊板的結(jié)構(gòu)上可以可看出其功能。通訊機來控制底板上主機電源的通斷是通過電源控制接口實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的即插即用提供軟件支持因而選用即插即用接口。通過海事衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)接口，采集的圖像和水聲信息通過通訊機發(fā)送到岸站。通訊板是數(shù)據(jù)通信最前端的部分，是浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)中非常重要的。
主機通過各種傳感器將在一個周期內(nèi)(通常是半個小時)采集各種數(shù)據(jù)，然后按照一定的格式存儲到SD卡中。通訊機通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)收集命令，主機在規(guī)定的時刻接收命名，將采集并經(jīng)過統(tǒng)計的數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳到通訊板。主機上裝有各種艙體狀態(tài)檢測傳感器如艙溫傳感器、水警傳感器、門警傳感器，采集的水文氣象數(shù)據(jù)會和艙溫異常、艙門被非法打開等艙體異常信息一起通過CAN總線上傳給通訊板，再通過衛(wèi)星發(fā)送給岸站，實現(xiàn)浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能。