CAN總線冗余的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)我國(guó)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(shè)計(jì)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)CAN收發(fā)器的冗余，實(shí)現(xiàn)CAN總線物理層上的冗余，并在CAN總線上增加保護(hù)電路，最大可能地保證通信的可靠性。針對(duì)模擬通道的抗干擾設(shè)計(jì)方法，提出隔離式模擬量測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞 模擬量隔離 CAN總線冗余設(shè)計(jì) 船舶監(jiān)控系統(tǒng) MC9S080Z16 TJA1050T

引言

　　近年來(lái)，我國(guó)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(jì)快報(bào)報(bào)道，2007年，中國(guó)造船完工量1893萬(wàn)載重噸，比上年增長(zhǎng)30%；新承接船舶訂單9845萬(wàn)載重噸，比上年增長(zhǎng)132%。隨著自動(dòng)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制集中等缺點(diǎn)。本監(jiān)控系統(tǒng)采用了冗余CAN總線設(shè)計(jì)船艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)監(jiān)控單元中，由分布于現(xiàn)場(chǎng)的各監(jiān)控單元完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制運(yùn)算、輸出等工作。與上位機(jī)的信息交互通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行。在計(jì)算機(jī)中以文字、列表、曲線等形式顯示現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)、變化趨勢(shì)、故障情況和報(bào)警狀態(tài)，為管理人員的操作提供可靠、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?；谶@種方式的監(jiān)控系統(tǒng)是船舶自動(dòng)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(jié)構(gòu)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(guò)接插件連接到主控制器板上，由主控制器完成對(duì)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(diǎn)，同時(shí)接收并解析其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模塊的控制。模擬量輸入板卡主要是對(duì)外部模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離、調(diào)理，濾波后變成一個(gè)適合于單片機(jī)進(jìn)行采樣的模擬電壓。其采集的模擬信號(hào)主要有兩種類型： 0~10 V的模擬電壓信號(hào)和4~20 mA的電流信號(hào)。這是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中最常用的模擬信號(hào)。數(shù)字量輸入板卡主要采集外部開關(guān)量信號(hào)，完成開關(guān)量的隔離、濾波，然后送到主控制器完成對(duì)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(shè)計(jì)比現(xiàn)有的一些基于現(xiàn)場(chǎng)總線的監(jiān)控產(chǎn)品的先進(jìn)之處。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(jī)是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位單片機(jī)；基于HCS08內(nèi)核，最高運(yùn)行時(shí)鐘頻率為40 MHz，最多支持32個(gè)優(yōu)先級(jí)；內(nèi)部集成有16 KB Flash存儲(chǔ)器，1 KB SRAM、512 B在線可編程EEPROM、1個(gè)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(shí)內(nèi)部集成CAN2.0 A/B控制器以及多種標(biāo)準(zhǔn)串行接口。

2.2 CAN總線的電氣保護(hù)

　　船舶機(jī)艙中工況條件十分惡劣，各種電磁干擾對(duì)物理鏈路及數(shù)據(jù)鏈路的正常工作都有嚴(yán)重的影響。這些對(duì)控制系統(tǒng)是極大的威脅，非常容易導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。為了最大程度地保證網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jìn)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(hù)CAN控制器，在CAN控制器與收發(fā)器之間增加了6N137，以進(jìn)行光電隔離。

　　第二種措施是在總線上增加保護(hù)器件。當(dāng)發(fā)生雷擊或其他強(qiáng)烈干擾時(shí)，巨大的能量如果來(lái)不及泄放，就會(huì)損壞收發(fā)器。為了防止干擾對(duì)收發(fā)器的損壞，增加了防雷管和TVS作總線保護(hù)。當(dāng)受到雷擊時(shí)，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(yīng)速度慢，鉗位電壓高（約為800 V），因此本設(shè)計(jì)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(dāng)受到干擾時(shí)，TVS能較快地起到保護(hù)作用；而PTC電阻能保護(hù)收發(fā)器免受過(guò)流的沖擊。在CAN H和CAN L與地之間各自接一個(gè)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(hù)原理如圖2所示。

圖2 CAN收發(fā)器電氣保護(hù)原理

2.3 冗余CAN總線設(shè)計(jì)

　　雖然在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)CAN收發(fā)器采取了一些保護(hù)措施，但是在船舶機(jī)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(hù)所能解決的了。因此，為了降低此類風(fēng)險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)CAN通信網(wǎng)絡(luò)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(dòng)器和總線控制器，或?qū)⒖偩€控制器與CPU集成于一體的MCU。實(shí)現(xiàn)冗余有兩種方法： 一種是后備方式，即一套運(yùn)行，另一套“休眠”備用，當(dāng)運(yùn)行總線發(fā)生故障時(shí)，啟用備用總線；另一種是同時(shí)運(yùn)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(yùn)行。這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)了物理介質(zhì)、物理層及數(shù)據(jù)鏈路層甚至應(yīng)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(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)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(shí)時(shí)性較差，而同時(shí)運(yùn)行方式下兩路同時(shí)工作功耗大，且數(shù)據(jù)鏈路的冗余較為復(fù)雜。本設(shè)計(jì)使用一種介于兩種方法之間的物理冗余技術(shù)。物理鏈路的冗余使用2條總線電纜和2個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器，且在總線控制器與2個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器之間增加了一個(gè)判斷電路