洪曄，李海平，李崇

(中國艦船重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

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艦船安全監(jiān)控系統(tǒng)通用型CAN總線通訊模塊設計

洪曄，李海平，李崇

(中國艦船重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

針對艦船安全監(jiān)控中探測器種類多、布點分散、工作環(huán)境惡劣、作業(yè)溫度跨度大、傳輸距離遠、電磁干擾強的問題，設計CAN總線通信模塊的硬件、軟件及通信協(xié)議，實現(xiàn)各探測器及外部設備與上位機的通信功能，通信節(jié)點抗干擾能力強、可靠性高。

安全監(jiān)控系統(tǒng)；CAN總線通信模塊；CAN總線通信協(xié)議

隨著現(xiàn)代海軍裝備技術的不斷發(fā)展及作戰(zhàn)模式的復雜化，大型艦船用途不斷擴充、配套裝備技術持續(xù)發(fā)展，需要攜帶大量的噴氣燃料等易燃易爆的危險物品。噴氣燃料容易揮發(fā)，其油氣與空氣混合便會形成可燃性氣體，當氣體達到一定體積分數(shù)時，遇明火就會引起燃燒和爆炸。

為了保證生命和財產(chǎn)的安全，需對這種易燃易爆氣體進行連續(xù)監(jiān)測并實時控制，適時發(fā)出聲光報警提示。根據(jù)可燃氣體爆炸因素所設計的安全監(jiān)控設備，應同時監(jiān)測可燃氣體、氧氣、二氧化碳等體積分數(shù)監(jiān)測及溫度、濕度等信息監(jiān)測，并能夠控制通風系統(tǒng)等外部設備。大型艦船艙室數(shù)量眾多，安全監(jiān)控節(jié)點需求量較大，安全監(jiān)控系統(tǒng)對通信節(jié)點可靠性要求較高，且探測器種類多、布點分散、工作環(huán)境惡劣、作業(yè)溫度跨度大、傳輸距離遠、電磁干擾強。針對以上問題，介紹通信節(jié)點選用CAN總線通訊方式。

CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，與一般的通信總線相比，性能突出，具有可靠性、實時性和靈活性。CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術，可節(jié)省總線沖突仲裁時間；CAN通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門調(diào)度；其直接通信距離最遠可達10 km；采用短幀格式，傳輸時間短、受干擾率低；CAN通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活[1-2]。

1 硬件設計

1.1 通用型CAN總線通信模塊設計

某大型艦船安全監(jiān)控系統(tǒng)中探測器種類較多，將探測器按照功能模塊進行劃分，見圖1。各種類探測器包括探頭和探身2部分，探頭輸出傳感器信號，探身按功能模塊分為信號調(diào)理模塊和CAN總線通信模塊。信號調(diào)理模塊，將不同功能傳感器的信號調(diào)理歸一化處理；CAN總線通信模塊，進行AD轉(zhuǎn)換、現(xiàn)場顯示和信息上傳[3]。系統(tǒng)各探測器采用通用的CAN總線通信模塊，簡化了設計、方便調(diào)試維修。

CAN總線通信模塊中的微處理器擔負數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)場顯示、數(shù)據(jù)通信等功能，其作為探測器的核心部件，直接影響到數(shù)據(jù)的精度、現(xiàn)場顯示，以及數(shù)據(jù)的傳輸，微處理器選用silicon labs公司具有CAN控制器的C8051F040芯片。

由于通信需求，CAN總線通信模塊設計了CAN通信接口電路；電路板空間有限，為了減少IO驅(qū)動，縮小占用空間，現(xiàn)場顯示采用SPI總線形式送顯。如圖2所示，CAN總線通信模塊包括微處理器、電源轉(zhuǎn)換電路、看門狗復位電路、電壓基準電路、SPI送顯電路、外部振蕩器驅(qū)動電路、CAN通信接口電路、撥碼盤電路，以及A/D轉(zhuǎn)換輸入接口保護電路。

1.2 部分電路設計

SPI送顯電路原理圖2所示，指令經(jīng)SPI總線將由CPU傳輸至共陰極顯示驅(qū)動器MAX6950，進而驅(qū)動3個共陰極數(shù)碼管，完成探測器現(xiàn)場顯示。

CAN通信接口電路采用ADuM1201隔離芯片實現(xiàn)了CAN總線通訊節(jié)點與外部接線的光耦隔離[4-5]，如圖3所示。

2 CAN總線通訊信議

該CAN通信節(jié)點在各種類探測器之間具有通用性，CAN總線通信協(xié)議要同時滿足可燃氣體、氧氣、二氧化碳、溫度、濕度以及外部設備的所有通用要求。

CAN總線通信協(xié)議設置命令包括設置廣播周期、設置模塊類型、設置CAN節(jié)點地址、設置CAN節(jié)點波特率、設置平滑系數(shù)、設置防抖系數(shù)、讀/寫模塊輸入/輸出、設置通道狀態(tài)、設置傳感器類型等。

該CAN總線通信協(xié)議主要針對幀格式包括標識符和數(shù)據(jù)區(qū)及具體的命令功能進行定義。

2.1 11位標識符的定義

CAN總線通信協(xié)議中對11位標識符的定義見表1，每個區(qū)域帶載為20～30個探測器，因此，從站地址需占用5位；主站地址占用1位；在本應用為一主對多從的架構，但只涉及到主站和從站之間的通信，從站之間無需信息交流，因此通信方向占用1位；讀寫標志位占用1位；安全監(jiān)控系統(tǒng)中探測器5種，另有外設控制模塊1種，預留2個可擴展種類，共需8個，因此探測器種類占用3位。

表1 11位標識符的定義

2.2 8字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)的定義

CAN總線通信協(xié)議中8字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)包括數(shù)據(jù)區(qū)、命令功能碼、功能類型和通道號標識幾部分，見表2。

表2 數(shù)據(jù)1～8字節(jié)的定義

數(shù)據(jù)區(qū)存儲各探測器得到的體積分數(shù)值；命令功能碼表示相應控制命令；在系統(tǒng)通訊中涉及到AI,AO,DI,DO功能操作，因此功能類型對探測器操作進行設置；通道號表示該次操作所對應的通道。

3 CAN總線通信節(jié)點軟件設計

CAN總線通信模塊微處理器的軟件包括數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)場顯示、數(shù)據(jù)通信等幾個功能。其工作流程見圖4。

本程序CAN總線通訊采用應答模式。CAN總線通訊模塊數(shù)據(jù)通訊流程如圖5所示。

設置單片機CAN接收通道為1通道，發(fā)送通道為2通道，波特率為50 kb/s。通過對報文篩選器預定義，決定某節(jié)點接收哪些報文。報文接收篩選器由接收碼寄存器和接收屏蔽寄存器組成，接收碼寄存器規(guī)定了擬接收報文中參與篩選比較的各位(即標識符)必須匹配的值，而接收屏蔽寄存器則將接收碼寄存器中的某些位屏蔽為無關位，對應無關位的標識符位不參加篩選[6]。

當上位機發(fā)送一幀CAN幀的特定內(nèi)容至探測器，每個探測器的微處理器中的CAN控制器監(jiān)聽接收總線上的所有報文，探測器對此數(shù)據(jù)幀的ID和內(nèi)容進行仲裁，此時通過CAN控制器中報文篩選器對其進行篩選，若2項內(nèi)容均匹配，該報文才能進入CAN的報文接收緩沖區(qū)，起CAN中斷[7-8]。引進入中斷程序后，接受數(shù)據(jù)標志位清零，為下次接受數(shù)據(jù)幀做好準備。之后向上位機發(fā)送一幀代表濃度值或控制反饋信息的數(shù)據(jù)。

4 結論

通用型CAN總線通信模塊及其配套的CAN總線通信協(xié)議能夠滿足大型艦船安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測組分多、布點分散、傳輸距離遠、抗干擾能力強、可靠性高的任務需求。該CAN通訊節(jié)點具有通用性強，通訊實時性好，遠距離、大數(shù)據(jù)量傳輸可靠性高，抗干擾能力強等優(yōu)點，符合現(xiàn)代大型艦船安全監(jiān)控的技術發(fā)展趨勢。

[1] 史久根,張培仁,陳真勇．CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)[M]．北京:國防工業(yè)出版社,2004．

[2] 杜尚豐,曹曉鐘,徐津．CAN總線測控技術及其應用[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2007．

[3] 洪曄,黃巖平,張玉廣,等.艦用防爆型氧氣探測器的溫度補償方法[J].艦船科學技術,2010(11):118-121,150.

[4] 薛大為.基于SJA1000的CAN總線通訊模塊的實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表,2008(2):54-56,81.

[5] 曾友洲,胡瑩,曾偉一.基于CAN總線通訊模塊的設計與實現(xiàn)[J].成都航空職業(yè)技術學院學報,2006(4):39-42.

[6] Robert Bosch Gmbh．CAN Specification[EB/OL]．[1995-04-05]．http://www.elecfans.com/soft/162/2008/200809128554.html．

[7] PLUMMER C, ROOS P, STAGNARO L．CAN bus as a spacecraft onboard bus[M]．Euro- pean Space Agency, 2003．

[8] 鄔寬明．現(xiàn)場總線技術應用選編：上冊[M]．北京:北京航空航天大學出版社,1996．

Design of General CAN Bus Communication Module on Ship Safety Monitoring and Control System

HONG Ye, LI Hai-ping, LI Chong

(No.718 Research Institute of CSIC, Handan Hebei 056027, China)

The CAN bus communication module, including hardware, software and the communication protocol was designed in order to solve the problems of multi-type of detectors, stationing scattered, bad work environment, big work environment, long transmission distance, strong electromagnetic interference problems. The communication function between the detectors and the upper machines was completed. The communication module has strong anti-jamming and high reliability.

safety monitoring system; CAN bus communication module; CAN bus communication protocol

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.022

2017-01-08

國家部委基金資助項目

洪曄(1986—)，女，碩士，工程師

研究方向：分析儀器

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0098-04

修回日期：2017-03-20