張 偉

（武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

隨著工業(yè)和科學技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶設備和系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)日趨復雜，功能不斷完善，自動化程度不斷提高。船舶集中監(jiān)測和報警系統(tǒng)作為船舶自動化的重要組成部分，是船舶安全航行的必要保障。目前船舶監(jiān)測報警技術(shù)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的方向發(fā)展，集中監(jiān)測、分散控制是新一代船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 功能與組成

船舶集中監(jiān)測和報警系統(tǒng)主要實現(xiàn)對船舶機艙、輪機控制室以及船員住艙機電設備的參數(shù)和運行狀態(tài)的集中監(jiān)測實時報警，由1臺集中監(jiān)測報警裝置和若干臺就地監(jiān)測裝置組成［1］。就地監(jiān)測裝置的功能是對本地重點機電設備運行狀態(tài)進行就地監(jiān)測和報警，在主控制室設置1臺集中監(jiān)測報警裝置，用來對全船各部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中顯示和報警，為指揮員提供集中的參數(shù)報警狀態(tài)指示。

1.1 CAN總線通信

船舶集中監(jiān)測和報警系統(tǒng)選用CAN總線作為系統(tǒng)通信總線。CAN總線是現(xiàn)場總線的一種，在工業(yè)控制、船舶制造等領(lǐng)域均有廣泛的應用。CAN總線為支持多主機通信方式，采用短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有速率快、抗干擾能力強、可靠性好、靈活易用、容錯性好和鏈接方便等優(yōu)點。

1.2 系統(tǒng)組成

基于CAN總線設計的船舶集中監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

CAN已經(jīng)成為國際標準ISO11898和ISO11519，同時還是國際船用標準。CAN總線技術(shù)規(guī)范包括A和B 2個部分。2.0A給出了CAN技術(shù)規(guī)范版本定義的CAN報文格式，而2.0B給出了標準幀和擴展幀2種報文格式，標準幀的ID占11位，擴展幀的ID占29位，這里采用的29位擴展幀和8個數(shù)據(jù)字節(jié)，通信波特率為250kbps，格式定義見表1。

表1 CAN報文格式定義

2 硬件設計

采用PHILIPS公司的LPC2294芯片作為集中監(jiān)測報警裝置的主控CPU，這款基于32位ARM7內(nèi)核的CPU最大特點是自帶了4路互連的CAN控制器，并且具有先進的全局驗收濾波器，全局驗收濾波器可以識別所有CAN總線的標準幀和擴展幀標示符［2］。

CAN通信收發(fā)模塊電路見圖2，使用TJA1040芯片作為CAN收發(fā)器，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平（CANTXD、CANRXD）轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平（CANH、CANL）。

圖2 CAN通信收發(fā)模塊電路

集中監(jiān)測報警裝置硬件基本原理見圖3，以LPC2294作為核心部件的主節(jié)點控制器［3］，完成了船舶集中監(jiān)測和報警系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與交換控制，實現(xiàn)了對船舶系統(tǒng)的集中監(jiān)測和報警。

圖3 集中監(jiān)測裝置硬件組成框圖

集中監(jiān)測報警系統(tǒng)與船舶航行安全密切相關(guān)，監(jiān)測值和報警顯示需要易于指揮員觀察，因此選用數(shù)碼管進行監(jiān)測值的顯示，由于CPU的I／O資源有限，考慮到LPC2294自帶了I2C總線控制器，因此使用了I2C總線驅(qū)動芯片ZLG7290驅(qū)動5位8段數(shù)碼管掃描方式，驅(qū)動電路見圖4。

圖4 數(shù)碼管驅(qū)動電路

3 軟件設計

集中監(jiān)測報警裝置的軟件采用模塊化設計，包括數(shù)據(jù)處理模塊、CAN控制模塊、顯示與報警模塊、數(shù)碼管驅(qū)動模塊等［4］。主程序流程見圖5。

圖5 主程序流程

集中監(jiān)測報警裝置軟件的2個主要構(gòu)成部分是CAN總線收發(fā)程序和I2C驅(qū)動顯示程序?；贚PC2294芯片CAN總線控制器的發(fā)送與接收程序流程分別見圖6和圖7。

圖6 CAN總線發(fā)送程序流程

圖7 CAN總線接收程序流程

由圖6可見，在啟動發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后，CAN控制器必須要將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，才會將該幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功的狀態(tài)返回，這樣如果在發(fā)送程序里一直等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，會使整個程序的執(zhí)行效率大打折扣。所以為了避免這種情況的發(fā)生，該函數(shù)在啟動發(fā)送之后就立即返回。因此我們專門在軟件中加入了查詢TCS狀態(tài)位來驗證數(shù)據(jù)發(fā)送成功。

LPC2294芯片為ARM－CAN控制器提供了配套使用的功能函數(shù)以供用戶調(diào)用，常用的功能包括初始化函數(shù)InitCan，發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)CanSendData，發(fā)送命令函數(shù)CanSendCmd，接收數(shù)據(jù)函數(shù)ReadCANRcvCyBuf，CAN中斷處理函數(shù)CANIntPrg等［5］，使整個ARM－CAN控制軟件的編寫難度降低，執(zhí)行效率提高。

4 結(jié)語

船舶集中監(jiān)測和報警系統(tǒng)作為船舶安全航行的重要保障，實時性、準確性和安全性是關(guān)鍵評價指標。有針對性地選擇CAN總線作為系統(tǒng)通信總線，并且采用功能強大的ARM7系列芯片LPC2294作為集中監(jiān)測裝置的CPU，是船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)發(fā)展的需要。應用結(jié)果表明，船舶集中監(jiān)測和報警系統(tǒng)滿足對重點機電設備運行狀態(tài)進行集中監(jiān)測和報警的各項要求。

［1］張圣弢.現(xiàn)代船舶監(jiān)測和報警系統(tǒng)的研究［D］.大連：大連海事大學，2010.

［2］崔芮華，耿麗愷.基于LPC2294的CAN總線技術(shù)在智能脫扣器控制方面的研究［J］.低壓電器，2011（1）：41－44.

［3］紀文支，陳國忠，唐加山.基于CAN總線智能節(jié)點的設計與實現(xiàn)［J］.微型機與應用，2012，31（2）：44－49.

［4］張 旭，郭 晨.船舶機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)［J］.計算機工程與應用，2005（22）：229－232.

［5］賈東永，孫印杰，陳 安，等.ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)與應用實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.