基于CAN总线的煤矿监测监控系统研究
鲍云飞 王艳 陈进
[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。
（5）图像及数据传输总线。需要在机舱和船上设置2对CAN总线、1路百兆以太网线，连接驾驶控制室与机舱。
（6）上位机。上位机由一台高性能的计算机构成，以太网数据经交换机直接连接至计算机的网口。CAN总线不能与计算机直接相连，通过总线接口卡转换CAN总线数据经USB接口连接至PC机。机算机使用总线接口数据库实现数据收发及总线冗余，同时采用数据库保存接收到的监控数据。为了对接收数据进一步分析处理，程序还向应用层软件提供函数库接口供系统的二次开发。
3.基于CAN总线监控传感器节点的硬件设计
传感器数据测控节点的主要任务有：通过其采集船舶现场的各项数据，CAN总线传送到上位机，进行显示、报警和故障诊断等；接收上位机发送到节点的参数及控制命令；各个监控节点之间进行通讯。测控节点由核心控制器、AI、AO、DI、DO信号调理模块以及 CAN接口电路等组成，其中采用C8051F04单片机作为节点的主控制器。
由于船舶航行环境艰苦（高湿、高盐），内环境比较恶劣，空间狭小，設备较多，需要测量的运行参数繁多，因此在进行测控节点设计时，应该要充分考量这些特点。本文在设计测控节点时采用了模块化的设计思想，结合C8051F040内核强大的数据运算能力以及丰富的IO端口，把各参数类型分为模拟量和开关信号量的两种类型，并分别对其信号调理模块进行设计。这样就使得整个监控系统的设计有如下特点：单模块只进行一种数据类型的采集，减少信号之间的串扰；系统组合比较简便，可随时进行添加或减少模块，使得规模可大可小，对后续增加监测点及维护起到帮助作用；由于信号由传感器采集后，经过信号调理模块直接传入微处理器中，因此测控节点响应速度比较快；这样的设计间接减少了测控节点的数目，降低了整个系统的成本，提高了性价比。
3.1 C8051F040单片机
C8051F040型号的单片机是有Cygnal公司开发的51系列的8位单片机。C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。
C8051F040单片机芯片上有1个12位多通道的ADC，2个12位的DAC，2个电压比较器，1个电压基准器，1个32KB的FLASH存储器，与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核，峰值速度可达到25MIPS，并且还有硬件实现的串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN总线控制器。
3.2 传感器测量模拟量调理电路设计
船舶内部的温度、压力等探测数据均为模拟量，都可通过D/A转换模块成标准的4-20mA的电流信号或0-5V电压的数字信号。但这些信号与单片机内部集成的模数转换模块所能接受的输入信号电压范围0-2.5V不相符合，而且通常这些信号中均含有谐波成分，导致接受信号不稳定，因此要对传感器采集到的信号设计相应的调理电路，以此来满足模数转换器（D/A）的要求。
本文所设计的模拟量调理电路采用带有差动输入的四运算放大器的LM324芯片，该芯片与单电源应用场合的标准运算放大器相比较，它们有明显的优点。该四放大器可以在低至3.0伏特或者高至32伏特的电源下正常工作，具体电路如图2、3。
3.3 开关量电路设计
船舶内部具有较多的开关量信号，如电磁阀开关、行程开关、继电器状态、手动按钮状态、电器设备开关等。开关量电路应本着强弱电分离的思路进行设计，输出和输入信号应以低电压的直流信号为主，以便微控制器对其进行操作，所以本文采用2对光耦设备TLP521-4对强弱电压进行隔离、判断，分别向单片机进行信号输入，对电磁阀设备、行程开关、继电器状态、手动按钮状态、电器设备开关等进行控制。
4.CAN总线监控系统的展望
在计算机、通信、控制技术高速发展的今天，微处理器性能不断的优化使现场总线技术越来越多地应用在船舶工业领域。基于CAN总线开发的监控系统具有功能较全面，人机界面友好，信号传输方便等特点。整个系统通信实时性强、可靠性高、维护与升级简单，灵活性和可扩展性都较高，并且整个系统网络构建简便、廉价，性价比高。推广CAN总线监控系统的使用可以及时掌握船舱内外的各设备的温度、湿度、各开关量的情况，对设备故障情况，快速诊断故障类别，为迅速做出修护决策和排除故障提供了宝贵时间，增加了船舶实际使用时的安全性操控可靠性，有着非常大现实意义。
作者简介
姓名：鲍云飞（1986.03--）；性别：男，籍贯：山东昌邑，学历：本科，毕业于黑龙江大学；现有职称：中级工程师；研究方向：船舶通信。
