基于CAN总线的船舶监控系统的研究
时间：2020-12-15 08:00:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要]近年来，伴随着计算机、通信、网络、控制等技术的迅猛发展，总线技术越来越多地应用于船舶自动化控制系统中，船舶监控系统正经历着一场从集散式分布系统到总线控制系统转变的技术革新。本文研究的出发点正是基于探索国内外船舶监控系统的最新发展趋势，研究了基于CAN总线的船舶监控系统。
[关键词]总线技术 船舶监控
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0143-02
现场总线形式是应用于控制系统中的底层的一种网络，它和现场设备节点相连，构成串行接口的通信网络。传统控制系统中，不同设备间及控制系统本身很难与外界进行信息交换，因此，要满足自动控制技术的现代化发展，同时为了实现整个系统的信息化集成，形成综合自动化，就必须研制出一种能在工业现场嘈杂环境中运行，且性能可靠、性价比高的通信系统，形成底层网络，来完成来自现场自动化设备之间的多点数字通信，从而实现这些设备之间以及整个生产现场与外界之间的信息交换。伴随科技造船理念的发展，需求促使了现场总线技术在船舶行业的广泛应用。
1.CAN总线简介
CAN总线是控制器局域网（Controller Area Network，CAN）的简称，它是由德国博世公司研发形成，并最終成为国际标准（ISO 11898）的串口通信协议，是目前世界上应用最为广泛的现场总线之一，主要应用于工业自动化、汽车、船舶医疗设备等领域。
与其他现场相比，CAN总线独特的设计至其优势主要体现在于数据通信突出了实时性、抗干扰性及灵活性等方面的特点。
（1）CAN是目前为止唯一有国际标准的现场总线，这使得各生产厂家生产的智能 CAN设备有一的标准可以遵循，也因此，CAN总线较之于其他总线，其市场占有率较高。
（2）CAN可以工作在多主方式下，而其他总线一般只能工作在一主多从工作方式。这样使得整个通信网络上的节点可以自由进行交互，更加具有智能化。
（3）CAN总线通信速率较高，且距离较远，完全能满足大型船舶的需求。CAN的通信速率最高可达1Mbps（此时的通信距离最长为40m），它的直线通信距离最远可以达到10km（速率在5kbps以下）。
（4）CAN采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送数据出现冲突时，拥有最高优先级的节点可不受冲突影响继续传输数据，拥有较低优先级的节点会主动地退出数据发送，这样很大程度上节省了总线冲突仲裁时间。
（5）CAN总线网络中最多可以存在110个节点。CAN报文采用短帧结构，这样每帧传输时间极短，受干扰率也很低，因此帧数据不易出错。CAN具有出色的检错效果，所有帧信息中都有CRC校验以及其他校验措施。
（6）CAN结构简单，保证通信所必须的元器件非常容易购买，双绞线、光纤或者是同轴电缆都可以作为CAN的通信介质。每个节点的所需的费用较低，开发技术也比较容易掌握，因此其开发周期短，性价比很高。
2.CAN总线监控系统的总体结构
基于CAN总线的船舶监控系统采用分布式、多总线结构，主要有下列几个部分组成：
（1）传感器监测点，分布于船舶内部各个监控点。
（2）采用总线的监控点。
（3）高分辨率的CCD摄像头，处于各个舱室的上方。
（4）数据及视频服务单元，处理多路视频信号，传输各路视频到以太网上
（5）图像及数据传输总线，2对CAN总线、1路以太网总线。
（6）上位机，用于操作、数据处理。
监控系统总体结构如图1所示。
（1）传感器监测点。系统中有各种的传感器监测点，大体可分成两类：一类是针对各参数的监测，主要用于各参数数据的分析；另外一类是针对环境的参数监测，主要用于火灾预警的分析。传感器均可直接输出模拟量、开关量信号或通过RS485总线传输经过编码后的数据。每个传感器监测单个或多个设备的参数，经从站监控节点接收和处理，以数据帧的形式通过现场总线传输到监控主站。
（2）总线监控点。监控节点对各个传感器的数据进行汇总、分析，然后根据主站需求上传监测的数据。监控节点以带CAN总线、以太网控制器的微控制器为控制核心，包括相应的输入和输出信号的调理电路、D/A转换电路等。为了提高系统的可靠性，节点采用总线冗余设计，总共有2条CAN总线和1条以太网进行通信。总线使用独立的总线驱动和控制，实现物理层、数据链路层的全面冗余配置，当任何一处发生故障时，通信自动切换至备份总线。远程监控节点采集来自现场传感器的模拟量、开关信号量。由于传输数据量较小，设计时应使用集成双路的CAN控制器外设微控制器。以太网集成媒体访问控制器（MAC）的单片机。监控系统对可靠性要求极高，采用工业级的嵌入式处理器芯片。
（3）高分辨率CCD的摄影头。由于船舱内部空间狭小，为了更好地监视各设备机组工作情况，及时预判火灾，在各个设备机组的上方设置CCD摄像头（带云台功能），实时监测各处工作场景，并通过模拟视频传输信号，传输视频流到数字视频服务器。为了克服船舱的昏暗情况，提高图像数据的质量，需采用高分辨率CCD摄像头加补光来满足实时图像分析要求。
（4）数字视频服务器单元。它可以处理多路模拟视频信号，然后转换成数字视频信号；应用视频压缩技术，以便在传输视频时，使总的视频码流传输量减小，以适应恶劣的使用环境。数字视频服务器的多路视频输出接在百兆以太网上。CCD摄像头采集的视频图像经视频服务器压缩后通过以太网传输，此外视频服务器还会通过串口连接至总线冗余的监控节点。当以太网发生故障时，视频服务器截取的静态图像可以通过串口发送给监控节点，然后监控节点将图像打包成数据帧通过 CAN总线上传。
