CAN總線冗余的船舶監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

?針對我國造船業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的一些問題，提出一種基于冗余CAN總線設計的船舶監(jiān)控系統(tǒng)。通過對CAN收發(fā)器的冗余，實現(xiàn)CAN總線物理層上的冗余，并在CAN總線上增加保護電路，最大可能地保證通信的可靠性。針對模擬通道的抗干擾設計方法，提出隔離式模擬量測量模塊的設計方法。

關鍵詞? 模擬量隔離? CAN總線冗余設計? 船舶監(jiān)控系統(tǒng)? MC9S080Z16? TJA1050T

引言

　　近年來，我國的造船業(yè)取得了飛躍性的發(fā)展。據(jù)船舶工業(yè)統(tǒng)計快報報道，2007年，中國造船完工量1893萬載重噸，比上年增長30%；新承接船舶訂單9845萬載重噸，比上年增長132%。隨著自動化水平的提高，大大小小的船舶都安裝了監(jiān)控系統(tǒng)。目前船舶自動監(jiān)測系統(tǒng)主要有主從分布式控制、集散式控制等，但這些控制方式都存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、控制集中等缺點。本監(jiān)控系統(tǒng)采用了冗余CAN總線設計船艙自動監(jiān)測系統(tǒng)，將傳統(tǒng)分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的控制功能下放到現(xiàn)場監(jiān)控單元中，由分布于現(xiàn)場的各監(jiān)控單元完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制運算、輸出等工作。與上位機的信息交互通過現(xiàn)場總線進行。在計算機中以文字、列表、曲線等形式顯示現(xiàn)場的數(shù)據(jù)、變化趨勢、故障情況和報警狀態(tài)，為管理人員的操作提供可靠、準確的實時信息，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控。基于這種方式的監(jiān)控系統(tǒng)是船舶自動監(jiān)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

1? 系統(tǒng)工作原理及功能

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，模擬量輸入板卡和數(shù)字量輸入板卡通過接插件連接到主控制器板上，由主控制器完成對數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換。主控制器將數(shù)據(jù)打包，發(fā)送到其他CAN節(jié)點，同時接收并解析其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，完成對現(xiàn)場模塊的控制。模擬量輸入板卡主要是對外部模擬信號進行濾波、隔離、調(diào)理，濾波后變成一個適合于單片機進行采樣的模擬電壓。其采集的模擬信號主要有兩種類型： 0~10 V的模擬電壓信號和4~20 mA的電流信號。這是工業(yè)現(xiàn)場中最常用的模擬信號。數(shù)字量輸入板卡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(shù)字量的采集。其中模擬量的隔離輸入和冗余的CAN總線，是本設計比現(xiàn)有的一些基于現(xiàn)場總線的監(jiān)控產(chǎn)品的先進之處。

圖1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2? 硬件電路設計

2.1? 主控制器選擇

　　為了減少外部器件，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主控制器選用帶有片內(nèi)A/D和CAN控制器的MC9S08DZ16。該單片機是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位單片機；基于HCS08內(nèi)核，最高運行時鐘頻率為40 MHz，最多支持32個優(yōu)先級；內(nèi)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(zhuǎn)換器，多種節(jié)電模式以及2種超低功耗停止模式，同時內(nèi)部集成CAN2.0 A/B控制器以及多種標準串行接口。

2.2? CAN總線的電氣保護

　　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(shù)據(jù)鏈路的正常工作都有嚴重的影響。這些對控制系統(tǒng)是極大的威脅，非常容易導致系統(tǒng)癱瘓。為了最大程度地保證網(wǎng)絡系統(tǒng)正常工作，采取了以下兩種措施：第一種措施是電氣隔離。通信電纜是網(wǎng)絡系統(tǒng)中受干擾最大的部分，而且各種干擾也極容易順通信電纜進入系統(tǒng)，從而引起系統(tǒng)的工作不正常。為了切斷這條干擾途徑，保護CAN控制器，在CAN控制器與收發(fā)器之間增加了6N137，以進行光電隔離。

　　第二種措施是在總線上增加保護器件。當發(fā)生雷擊或其他強烈干擾時，巨大的能量如果來不及泄放，就會損壞收發(fā)器。為了防止干擾對收發(fā)器的損壞，增加了防雷管和TVS作總線保護。當受到雷擊時，并接在總線上的防雷管能將能量泄放掉。但是一般情況下，防雷管的反應速度慢，鉗位電壓高（約為800 V），因此本設計中，在防雷管后增加了TVS和PTC電阻。TVS能夠?qū)⒖偩€的壓差鉗制在6.8 V以下，這樣當受到干擾時，TVS能較快地起到保護作用；而PTC電阻能保護收發(fā)器免受過流的沖擊。在CAN H和CAN L與地之間各自接一個30 pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。CAN收發(fā)器電氣保護原理如圖2所示。

圖2? CAN收發(fā)器電氣保護原理

2.3? 冗余CAN總線設計

　　雖然在設計時對CAN收發(fā)器采取了一些保護措施，但是在船舶機艙的電纜受拉、壓、砸、擠等而造成故障的情況卻很多，這就不是電氣保護所能解決的了。因此，為了降低此類風險以及各種原因引起的收發(fā)器的電氣損壞，最有效的方法就是實現(xiàn)CAN通信網(wǎng)絡的冗余。

　　在總線冗余處理上，可使用兩套總線，每一套都包含有完整的總線電纜、總線驅(qū)動器和總線控制器，或?qū)⒖偩€控制器與CPU集成于一體的MCU。實現(xiàn)冗余有兩種方法： 一種是后備方式，即一套運行，另一套“休眠”備用，當運行總線發(fā)生故障時，啟用備用總線；另一種是同時運行方式，如果其中一套發(fā)生故障，另一套仍能維持系統(tǒng)的正常運行。這兩種方法的優(yōu)點是同時實現(xiàn)了物理介質(zhì)、物理層及數(shù)據(jù)鏈路層甚至應用層的全面冗余，因此，可以稱之為“全面冗余方法”。但全面冗余方法存在著某些不足之處，例如由于節(jié)點對系統(tǒng)的構(gòu)成不敏感，因此，后備方式發(fā)現(xiàn)總線開路故障的能力和實時性較差，而同時運行方式下兩路同時工作功耗大，且數(shù)據(jù)鏈路的冗余較為復雜。本設計使用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(qū)動器，且在總線控制器與2個總線驅(qū)動器之間增加了一個判斷電路，如圖3所示。

圖3? CAN總線物理冗余方案

　　將兩個總線驅(qū)動器的發(fā)送端連在一起，當節(jié)點發(fā)送時，CAN總線控制器向兩條通信線路同時發(fā)送相同的報文；而接收時，判斷電路自動選擇兩條總線中的一個并將其報文送入總線控制器。判斷電路以時間優(yōu)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。如果某一總線發(fā)生故障，則關閉它與總線控制器的信號通道，同時向CPU發(fā)出總線故障中斷，而正?？偩€的信號通道不受影響。

　　在判斷電路中，設置了兩個可重復觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(qū)動器首先出現(xiàn)一個低電平報文的幀起始位，其下降沿觸發(fā)單穩(wěn)，使其輸出產(chǎn)生一個高電平寬脈沖。通過調(diào)整電容的充放電時間，該脈沖經(jīng)報文中對應的多次下降沿觸發(fā)而一直持續(xù)到報文結(jié)束。

　　在總線正常的情況下，當出現(xiàn)報文時，兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器均產(chǎn)生高電平寬脈沖，該高電平脈沖送入RS觸發(fā)器進行時間優(yōu)先比較。對于優(yōu)先者，觸發(fā)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(fā)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(fā)生故障，對應的驅(qū)動器上的接收端保持在某一電平狀態(tài)，相應的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不被觸發(fā)，其輸出始終保持在低電平上。因此，RS觸發(fā)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。接到中斷后，通過I/O口分別查詢兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出即可對故障定位。隨后，可以發(fā)送一個故障警報信號，通過正常總線通知給系統(tǒng)監(jiān)視設備，以便及時處理。在異或門上設延時環(huán)節(jié)的目的是： 避免兩個報文不嚴格同步或兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路輸出脈寬不嚴格一致而引起誤中斷。需要注意的是，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的單次觸發(fā)所產(chǎn)生的脈寬應不小于報文中連續(xù)12個位的持續(xù)時間（主動錯誤標志的最大可能時間。正常情況下，報文中連續(xù)出現(xiàn)相同邏輯位數(shù)不超過5位）。

2.4? 4~20 mA電流模擬量的采集

　　作為模擬儀表的信號標準，4~20 mA的電流信號在常用傳感器中占有非常重要的地位。

圖4? RCV420基本框圖和電路連接

　　由于單片機無法直接對電流信號進行采樣，所以需要先將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。在本設計中，充分考慮了對這種標準信號的采集轉(zhuǎn)換。選用美國Burr?Brown公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片RCV420，將4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號，如圖4所示。

　　RCV420包含1個高級運算放大器、1個片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡和1個精密10 V電壓基準，其總轉(zhuǎn)換精度為0.1%，共模抑制比CMR達86 dB，共模輸入電壓范圍達±40 V。RCV420在滿量程時，電壓僅下降1.5 V，在環(huán)路中串有其他儀表負載，這對變送器電壓有嚴格限制的應用場合非常有用。10 V電壓基準提供了一個典型溫漂為5×10-6/℃的精密10 V輸出。

　　為保證RCV420的輸出在單片機的0 V～VCC之間，需要適當減小運放增益。方法是在檢測電阻Rs上并聯(lián)匹配電阻Rx，如圖5所示。

圖5? 增益可調(diào)的I/V電路

　　調(diào)整后的增益值為：

　　通過調(diào)整并聯(lián)電阻Rx的大小，可以調(diào)整RCV420的輸出范圍。為了保證高共模抑制，并聯(lián)電阻Rx的匹配很重要。Rx的溫度參數(shù)的任何不一致，都將引起增益誤差和CMR的漂移。

　　經(jīng)過計算分析，輸入為4～20 mA信號時，令Rx為1.8 kΩ可使輸出為0～4.8 V，保證在單片機的ADC輸入范圍之內(nèi)。

　　在使用RCV420時，有一點需要特別注意：圖5中的2個1 μF的電容C1、C2必須是鉭電容。最初實驗時，C1、C2用的是1 μF的鋁電解電容，結(jié)果RCV420工作不正常，輸出沒有規(guī)律。檢查電路板發(fā)現(xiàn)電源電壓正常，輸入的電流信號穩(wěn)定，其他器件和連線也沒有問題。查閱文獻后發(fā)現(xiàn)此處必須使用鉭電容。更換鉭電容后，RCV420工作正常，輸出準確、穩(wěn)定。當有多路4～20 mA電流信號輸入時，先使用MAX308進行通路選擇，再進行I/V轉(zhuǎn)換。

2.5? 模擬量的隔離

　　為了防止船舶機艙現(xiàn)場的干擾通過模擬量輸入通道進入單片機系統(tǒng)，有必要對模擬電壓信號進行隔離。實現(xiàn)直接線性隔離最簡單的方法就是采用隔離放大器，而隔離放大器必須滿足A／D變換精度和線性要求，如對12位A／D進行隔離，其隔離放大器要達到13位，甚至14位的精度。如此高精度的隔離放大器，價格十分昂貴。本設計中用線性光電耦合器實現(xiàn)了模擬量的隔離，經(jīng)測試隔離效果良好。電氣原理圖如圖6所示，其中HCNR200光電耦合器由3個光電元件組成。其1、2引腳間是一個A1GaAs發(fā)光二極管，3、4引腳，5、6引腳間是兩個相鄰匹配的光敏二極管。光敏二極管的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流與光照強度成正比，這種封裝結(jié)構(gòu)決定了每一個光敏二極管都能從LED得到近似相等的光強，從而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來的誤差。

圖6? 模擬量的光電隔離

　　在左側(cè)運算放大器達到平衡狀態(tài)后，有Ipd1=VIn/R1（Ipd1為光耦器件3腳到4腳的）輸出電流，下式中Ipd2為6腳到5腳的輸出電流，其大小與光耦器件內(nèi)部的發(fā)光強度成正比）。Ipd1僅僅決定于輸入電壓以及R1的值，與LED的輸出光強特性無關，因此在輸入電壓與光電二極管的電流之間就建立起很好的線性關系。另外，雖然LED的輸出光強隨著溫度的變化而略受影響，但運放將通過調(diào)整發(fā)光管電流來進行補償。由于HCNR200特殊的封裝結(jié)構(gòu)，2只光電二極管將得到近似的光強，有 K=Ipd2/Ipd1。根據(jù)運算放大器的“虛斷”和“虛短”特性，有

可見，被測電壓和輸出電壓之間存在正比的關系，只要適當選取電阻R1、R3、R4、R5的阻值，就可以得到一定比例的隔離輸出電壓。按照圖6中的參數(shù)，通過調(diào)整R5的值，可使實際增益K=UAOUT/UAIN≈1。UAIN從0逐漸增大到5 V，測量輸出端的電壓UAOUT如表1所列。

表1? 試驗結(jié)果

　　從上表數(shù)據(jù)中可以看到，經(jīng)過模擬電壓隔離的電壓差在5 mV下，效果較好。

3? 軟件設計

　　主控制器流程和數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。主控制器首先完成初始化工作，然后就進行數(shù)據(jù)采集。同時，當接收到數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)進行解析，然后根據(jù)數(shù)據(jù)實現(xiàn)相應的控制功能。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，需要進行多次A/D采樣，然后根據(jù)平均值濾波算法，完成數(shù)據(jù)的采集。CAN本身具有CRC校驗功能，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，在發(fā)送的數(shù)據(jù)中增加了一個校驗字節(jié)，即將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行異或運算，得到的值自動存于最后一個字節(jié)進行發(fā)送。

圖7? 主控制器流程與數(shù)據(jù)處理流程

結(jié)語

　　CAN總線冗余設計的船舶監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)場總線技術發(fā)展的一個縮影，代表未來船舶控制技術的發(fā)展方向。本設計中，利用線性光偶實現(xiàn)了模擬量的光電隔離，大大提高了產(chǎn)品的可靠性。另外，利用判斷電路成功地解決了CAN總線冗余的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，具有廣闊的市場前景。