CAN總線冗余的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

針對我國造船業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的一些問題，提出一種基于冗余CAN總線設計的船舶監(jiān)控系統(tǒng)。通過對CAN收發(fā)器的冗余，實現(xiàn)CAN總線物理層上的冗余，并在CAN總線上增加保護電路，最大可能地保證通信的可靠性。針對模擬通道的抗干擾設計方法，提出隔離式模擬量測量模塊的設計方法。

關鍵詞 模擬量隔離 CAN總線冗余設計 船舶監(jiān)控系統(tǒng) MC9S080Z16 TJA1050T

引言

　　近年來，我國的造船業(yè)取得了飛躍性的發(fā)展。據(jù)船舶工業(yè)統(tǒng)計快報報道，2007年，中國造船完工量1893萬載重噸，比上年增長30%；新承接船舶訂單9845萬載重噸，比上年增長132%。隨著自動化水平的提高，大大小小的船舶都安裝了監(jiān)控系統(tǒng)。目前船舶自動監(jiān)測系統(tǒng)主要有主從分布式控制、集散式控制等，但這些控制方式都存在系統(tǒng)結構復雜、控制集中等缺點。本監(jiān)控系統(tǒng)采用了冗余CAN總線設計船艙自動監(jiān)測系統(tǒng)，將傳統(tǒng)分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的控制功能下放到現(xiàn)場監(jiān)控單元中，由分布于現(xiàn)場的各監(jiān)控單元完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制運算、輸出等工作。與上位機的信息交互通過現(xiàn)場總線進行。在計算機中以文字、列表、曲線等形式顯示現(xiàn)場的數(shù)據(jù)、變化趨勢、故障情況和報警狀態(tài)，為管理人員的操作提供可靠、準確的實時信息，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控。基于這種方式的監(jiān)控系統(tǒng)是船舶自動監(jiān)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)工作原理及功能

　　系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示，模擬量輸入板卡和數(shù)字量輸入板卡通過接插件連接到主控制器板上，由主控制器完成對數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換。主控制器將數(shù)據(jù)打包，發(fā)送到其他CAN節(jié)點，同時接收并解析其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，完成對現(xiàn)場模塊的控制。模擬量輸入板卡主要是對外部模擬信號進行濾波、隔離、調(diào)理，濾波后變成一個適合于單片機進行采樣的模擬電壓。其采集的模擬信號主要有兩種類型： 0~10 V的模擬電壓信號和4~20 mA的電流信號。這是工業(yè)現(xiàn)場中最常用的模擬信號。數(shù)字量輸入板卡主要采集外部開關量信號，完成開關量的隔離、濾波，然后送到主控制器完成對數(shù)字量的采集。其中模擬量的隔離輸入和冗余的CAN總線，是本設計比現(xiàn)有的一些基于現(xiàn)場總線的監(jiān)控產(chǎn)品的先進之處。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 主控制器選擇

　　為了減少外部器件，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主控制器選用帶有片內(nèi)A/D和CAN控制器的MC9S08DZ16。該單片機是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位單片機；基于HCS08內(nèi)核，最高運行時鐘頻率為40 MHz，最多支持32個優(yōu)先級；內(nèi)部集成有16 KB Flash存儲器，1 KB SRAM、512 B在線可編程EEPROM、1個12位的A/D轉(zhuǎn)換器，多種節(jié)電模式以及2種超低功耗停止模式，同時內(nèi)部集成CAN2.0 A/B控制器以及多種標準串行接口。

2.2 CAN總線的電氣保護

　　船舶機艙中工況條件十分惡劣，各種電磁干擾對物理鏈路及數(shù)據(jù)鏈路的正常工作都有嚴重的影響。這些對控制系統(tǒng)是極大的威脅，非常容易導致系統(tǒng)癱瘓。為了最大程度地保證網(wǎng)絡系統(tǒng)正常工作，采取了以下兩種措施：第一種措施是電氣隔離。通信電纜是網(wǎng)絡系統(tǒng)中受干擾最大的部分，而且各種干擾也極容易順通信電纜進入系統(tǒng)，從而引起系統(tǒng)的工作不正常。為了切斷這條干擾途徑，保護CAN控制器，在CAN控制器與收發(fā)器之間增加了6N137，以進行光電隔離。

　　第二種措施是在總線上增加保護器件。當發(fā)生雷擊或其他強烈干擾時，巨大的能量如果來不及泄放，就會損壞收發(fā)器。為了防止干擾對收發(fā)器的損壞，增加了防雷管和TVS作總線保護。當受到雷擊時，并接在總線上的防雷管能將能量泄放掉。但是一般情況下，防雷管的反應速度慢，鉗位電壓高（約為800 V），因此本設計中，在防雷管后增加了TVS和PTC電阻。TVS能夠?qū)⒖偩€的壓差鉗制在6.8 V以下，這樣當受到干擾時，TVS能較快地起到保護作用；而PTC電阻能保護收發(fā)器免受過流的沖擊。在CAN H和CAN L與地之間各自接一個30 pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。CAN收發(fā)器電氣保護原理如圖2所示。

圖2 CAN收發(fā)器電氣保護原理

2.3 冗余CAN總線設計

　　雖然在設計時對CAN收發(fā)器采取了一些保護措施，但是在船舶機艙的電纜受拉、壓、砸、擠等而造成故障的情況卻很多，這就不是電氣保護所能解決的了。因此，為了降低此類風險以及各種原因引起的收發(fā)器的電氣損壞，最有效的方法就是實現(xiàn)CAN通信網(wǎng)絡的冗余。

　　在總線冗余處理上，可使用兩套總線，每一套都包含有完整的總線電纜、總線驅(qū)動器和總線控制器，或?qū)⒖偩€控制器與CPU集成于一體的MCU。實現(xiàn)冗余有兩種方法： 一種是后備方式，即一套運行，另一套“休眠”備用，當運行總線發(fā)生故障時，啟用備用總線；另一種是同時運行方式，如果其中一套發(fā)生故障，另一套仍能維持系統(tǒng)的正常運行。這兩種方法的優(yōu)點是同時實現(xiàn)了物理介質(zhì)、物理層及數(shù)據(jù)鏈路層甚至應用層的全面冗余，因此，可以稱之為“全面冗余方法”。但全面冗余方法存在著某些不足之處，例如由于節(jié)點對系統(tǒng)的構成不敏感，因此，后備方式發(fā)現(xiàn)總線開路故障的能力和實時性較差，而同時運行方式下兩路同時工作功耗大，且數(shù)據(jù)鏈路的冗余較為復雜。本設計使用一種介于兩種方法之間的物理冗余技術。物理鏈路的冗余使用2條總線電纜和2個總線驅(qū)動器，且在總線控制器與2個總線驅(qū)動器之間增加了一個判斷電路