CAN總線冗余的船舶監控系統設計方案

一、引言

船舶監控系統是保證船舶安全、高效運行的重要設備。傳統的船舶監控系統多采用主從分布式控制或集散式控制，但這些控制方式存在系統結構復雜、控制集中等缺點。為了提高系統的可靠性和穩定性，本文提出了一種基于CAN總線冗余的船舶監控系統設計方案。該方案采用冗余總線設計，將傳統分布式監控系統中的控制功能下放到現場監控單元中，并通過CAN總線實現與上位機的信息交互。

二、系統整體結構

本系統采用冗余總線設計，將船舶機艙的監控任務分散到各個現場監控單元中。每個監控單元負責數據采集、處理、控制運算和輸出等工作。這些監控單元通過兩條獨立的CAN總線與上位機進行通信，實現數據的實時傳輸和監控。

系統整體結構框圖如圖1所示：

（此處應插入系統整體結構框圖，但由于文本格式限制，無法直接插入）

在圖1中，模擬量輸入板卡和數字量輸入板卡通過接插件連接到主控制器板上。主控制器完成對數據的采集與轉換，并將數據打包發送到其他CAN節點。同時，主控制器還接收并解析其他節點發送來的數據，完成對現場模塊的控制。

三、主控芯片型號及作用

1. MC9S08DZ16

• 型號介紹：MC9S08DZ16是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位單片機。

• 基于內核：基于HCS08內核，最高運行時鐘頻率為40 MHz，最多支持32個優先級。

• 內部集成資源：內部集成有16 KB Flash存儲器、1 KB SRAM、512 B在線可編程EEPROM、1個12位的A/D轉換器、多種節電模式以及2種超停止模式。同時，內部集成CAN2.0 A/B控制器以及多種標準串行接口。

• 作用：作為主控制器，MC9S08DZ16負責數據的采集、轉換、打包和發送。其高性能和豐富的內部資源使其能夠滿足船舶監控系統的實時性和可靠性要求。

2. C8051F040

• 型號介紹：C8051F040是Cygnal公司出品的完全集成的混合信號系統級芯片（SOC）。

• 基于內核：具有與MCS-51完全兼容的指令內核，內部采用流水線結構，機器周期由標準的12個系統周期降為1個系統周期，峰值性能達到25MIPS。

• 內部集成資源：集成有CAN控制器、高速A/D轉換器等，可以簡化系統設計。

• 作用：C8051F040可以作為智能測控單元的核心芯片，負責數據的采集、處理和傳輸。其集成的CAN控制器和高速A/D轉換器使其能夠高效地處理船舶監控系統中的數據。

四、CAN總線冗余設計

在船舶機艙中，工況條件十分惡劣，各種電磁干擾對物理鏈路及數據鏈路的正常工作都有嚴重的影響。為了保證網絡系統的正常工作，本系統采用了CAN總線冗余設計。

1. 冗余方式

   冗余方式主要有兩種：后備方式和同時運行方式。

   本系統采用了一種介于兩種方法之間的物理冗余技術。物理鏈路的冗余使用2條總線電纜和2個總線驅動器，且在總線控制器與2個總線驅動器之間增加了一個判斷電路。

• 后備方式：一套總線運行，另一套備用。當運行總線發生故障時，啟用備用總線。

• 同時運行方式：兩套總線同時運行，如果其中一套發生故障，另一套仍能維持系統的正常運行。

2. 判斷電路

   判斷電路以時間優先為選擇原則，即哪一路報文搶先到來，哪一路報文就被選中。在判斷電路中，設置了兩個可重復觸發的單穩態觸發器，它們分別與兩條總線對應，檢測報文及其到來的情況。

   當報文到來時，總線驅動器首先出現一個低電平報文的幀起始位，其下降沿觸發單穩，使其輸出產生一個高電平寬脈沖。通過調整電容的充放電時間，該脈沖經報文中對應的多次下降沿觸發而一直持續到報文結束。

   在總線正常的情況下，當出現報文時，兩個單穩態觸發器均產生高電平寬脈沖，該高電平脈沖送入RS觸發器進行時間優先比較。對于優先者，觸發器給對應的或非門低電平，開通相應總線的信號通道；對于滯后者，觸發器用高電平關閉對應的或非門。當總線無報文時，兩個信號通道均暫時關閉。

   一旦某一總線發生故障，對應的驅動器上的接收端保持在某一電平狀態，相應的單穩態觸發器不被觸發，其輸出始終保持在低電平上。因此，RS觸發器用高電平封鎖住或非門，使這個信號通道被關閉。異或門用來向CPU提供總線故障中斷信號。

3. 故障處理

   當接到中斷后，通過I/O口分別查詢兩個單穩態觸發器的輸出即可對故障定位。隨后，可以發送一個故障警報信號，通過正常總線通知給系統監視設備，以便及時處理。

五、數據采集與處理

本系統采用CAN的K-85系列產品進行數據采集。數據采集模塊將所有參數點數據采集到計算機，為駕控人員提供參考，完成監視、報警、診斷和控制。

1. 模擬量輸入

   模擬量輸入模塊主要采集外部模擬信號，如010V的模擬電壓信號和420mA的電流信號。這些信號經過濾波、隔離和調理后，被轉換為適合采樣的模擬電壓。

   在本設計中，采用了Brown公司生產的精密電流環接收器芯片RCV420，將420mA電流信號轉換為05V電壓信號。RCV420包含1個高級運算放大器、1個片內精密電阻網絡和1個精密10V電壓基準，其總轉換精度為0.1%，共模抑制比CMR達86dB，共模輸入電壓范圍達±40V。

2. 數字量輸入

   數字量輸入模塊主要采集外部開關量信號，完成開關量的隔離、濾波，然后送到主控制器完成對數字量的采集。

3. 數據處理

   主控制器將采集到的數據進行打包，發送到其他CAN節點。同時，主控制器還接收并解析其他節點發送來的數據，完成對現場模塊的控制。在計算機中，以文字、列表、曲線等形式顯示現場的數據、變化趨勢、故障情況和報警狀態。

六、系統抗干擾措施

在船舶機艙中，電磁干擾對系統的正常工作有嚴重影響。為了提高系統的抗干擾能力，本系統采取了以下措施：

1. 電氣隔離

   在CAN控制器與收發器之間增加了6N137或6N173進行光電隔離，切斷干擾途徑，保護CAN控制器。

2. 總線保護

   在總線上增加了防雷管和TVS作為總線保護。當發生雷擊或其他強烈干擾時，防雷管能將能量泄放掉。TVS能夠將總線的壓差鉗制在6.8V以下，起到保護作用。同時，在CANH和CANL與地之間各自接一個30pF的小電容，濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射。

3. 冗余設計

   如前所述，本系統采用了CAN總線冗余設計，以提高系統的可靠性和穩定性。

七、系統實現與測試

1. 硬件實現

   根據設計方案，制作了硬件電路板，并進行了調試。硬件電路板包括主控制器板、模擬量輸入板卡、數字量輸入板卡等。

2. 軟件實現

   編寫了主控制器的軟件程序，包括數據采集、處理、打包和發送等模塊。同時，編寫了上位機的監控軟件，用于顯示現場數據、報警信息等。

3. 系統測試

   對系統進行了全面的測試，包括功能測試、性能測試和抗干擾測試。測試結果表明，系統能夠滿足設計要求，具有較高的可靠性和穩定性。

八、結論

本文提出了一種基于CAN總線冗余的船舶監控系統設計方案。該方案采用冗余總線設計，將傳統分布式監控系統中的控制功能下放到現場監控單元中，并通過CAN總線實現與上位機的信息交互。系統采用了高性能的單片機MC9S08DZ16和C8051F040作為主控芯片，提高了系統的實時性和可靠性。同時，系統還采取了多種抗干擾措施，提高了系統的抗干擾能力。測試結果表明，該方案具有較高的可靠性和穩定性，適用于船舶監控系統的實際應用。