CAN总线冗余的船舶监控系统设计方案

一、引言

船舶监控系统是保证船舶安全、高效运行的重要设备。传统的船舶监控系统多采用主从分布式控制或集散式控制，但这些控制方式存在系统结构复杂、控制集中等缺点。为了提高系统的可靠性和稳定性，本文提出了一种基于CAN总线冗余的船舶监控系统设计方案。该方案采用冗余总线设计，将传统分布式监控系统中的控制功能下放到现场监控单元中，并通过CAN总线实现与上位机的信息交互。

二、系统整体结构

本系统采用冗余总线设计，将船舶机舱的监控任务分散到各个现场监控单元中。每个监控单元负责数据采集、处理、控制运算和输出等工作。这些监控单元通过两条独立的CAN总线与上位机进行通信，实现数据的实时传输和监控。

系统整体结构框图如图1所示：

（此处应插入系统整体结构框图，但由于文本格式限制，无法直接插入）

在图1中，模拟量输入板卡和数字量输入板卡通过接插件连接到主控制器板上。主控制器完成对数据的采集与转换，并将数据打包发送到其他CAN节点。同时，主控制器还接收并解析其他节点发送来的数据，完成对现场模块的控制。

三、主控芯片型号及作用

1. MC9S08DZ16

• 型号介绍：MC9S08DZ16是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位单片机。

• 基于内核：基于HCS08内核，最高运行时钟频率为40 MHz，最多支持32个优先级。

• 内部集成资源：内部集成有16 KB Flash存储器、1 KB SRAM、512 B在线可编程EEPROM、1个12位的A/D转换器、多种节电模式以及2种超停止模式。同时，内部集成CAN2.0 A/B控制器以及多种标准串行接口。

• 作用：作为主控制器，MC9S08DZ16负责数据的采集、转换、打包和发送。其高性能和丰富的内部资源使其能够满足船舶监控系统的实时性和可靠性要求。

2. C8051F040

• 型号介绍：C8051F040是Cygnal公司出品的完全集成的混合信号系统级芯片（SOC）。

• 基于内核：具有与MCS-51完全兼容的指令内核，内部采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统周期降为1个系统周期，峰值性能达到25MIPS。

• 内部集成资源：集成有CAN控制器、高速A/D转换器等，可以简化系统设计。

• 作用：C8051F040可以作为智能测控单元的核心芯片，负责数据的采集、处理和传输。其集成的CAN控制器和高速A/D转换器使其能够高效地处理船舶监控系统中的数据。

四、CAN总线冗余设计

在船舶机舱中，工况条件十分恶劣，各种电磁干扰对物理链路及数据链路的正常工作都有严重的影响。为了保证网络系统的正常工作，本系统采用了CAN总线冗余设计。

1. 冗余方式

   冗余方式主要有两种：后备方式和同时运行方式。

   本系统采用了一种介于两种方法之间的物理冗余技术。物理链路的冗余使用2条总线电缆和2个总线驱动器，且在总线控制器与2个总线驱动器之间增加了一个判断电路。

• 后备方式：一套总线运行，另一套备用。当运行总线发生故障时，启用备用总线。

• 同时运行方式：两套总线同时运行，如果其中一套发生故障，另一套仍能维持系统的正常运行。

2. 判断电路

   判断电路以时间优先为选择原则，即哪一路报文抢先到来，哪一路报文就被选中。在判断电路中，设置了两个可重复触发的单稳态触发器，它们分别与两条总线对应，检测报文及其到来的情况。

   当报文到来时，总线驱动器首先出现一个低电平报文的帧起始位，其下降沿触发单稳，使其输出产生一个高电平宽脉冲。通过调整电容的充放电时间，该脉冲经报文中对应的多次下降沿触发而一直持续到报文结束。

   在总线正常的情况下，当出现报文时，两个单稳态触发器均产生高电平宽脉冲，该高电平脉冲送入RS触发器进行时间优先比较。对于优先者，触发器给对应的或非门低电平，开通相应总线的信号通道；对于滞后者，触发器用高电平关闭对应的或非门。当总线无报文时，两个信号通道均暂时关闭。

   一旦某一总线发生故障，对应的驱动器上的接收端保持在某一电平状态，相应的单稳态触发器不被触发，其输出始终保持在低电平上。因此，RS触发器用高电平封锁住或非门，使这个信号通道被关闭。异或门用来向CPU提供总线故障中断信号。

3. 故障处理

   当接到中断后，通过I/O口分别查询两个单稳态触发器的输出即可对故障定位。随后，可以发送一个故障警报信号，通过正常总线通知给系统监视设备，以便及时处理。

五、数据采集与处理

本系统采用CAN的K-85系列产品进行数据采集。数据采集模块将所有参数点数据采集到计算机，为驾控人员提供参考，完成监视、报警、诊断和控制。

1. 模拟量输入

   模拟量输入模块主要采集外部模拟信号，如010V的模拟电压信号和420mA的电流信号。这些信号经过滤波、隔离和调理后，被转换为适合采样的模拟电压。

   在本设计中，采用了Brown公司生产的精密电流环接收器芯片RCV420，将420mA电流信号转换为05V电压信号。RCV420包含1个高级运算放大器、1个片内精密电阻网络和1个精密10V电压基准，其总转换精度为0.1%，共模抑制比CMR达86dB，共模输入电压范围达±40V。

2. 数字量输入

   数字量输入模块主要采集外部开关量信号，完成开关量的隔离、滤波，然后送到主控制器完成对数字量的采集。

3. 数据处理

   主控制器将采集到的数据进行打包，发送到其他CAN节点。同时，主控制器还接收并解析其他节点发送来的数据，完成对现场模块的控制。在计算机中，以文字、列表、曲线等形式显示现场的数据、变化趋势、故障情况和报警状态。

六、系统抗干扰措施

在船舶机舱中，电磁干扰对系统的正常工作有严重影响。为了提高系统的抗干扰能力，本系统采取了以下措施：

1. 电气隔离

   在CAN控制器与收发器之间增加了6N137或6N173进行光电隔离，切断干扰途径，保护CAN控制器。

2. 总线保护

   在总线上增加了防雷管和TVS作为总线保护。当发生雷击或其他强烈干扰时，防雷管能将能量泄放掉。TVS能够将总线的压差钳制在6.8V以下，起到保护作用。同时，在CANH和CANL与地之间各自接一个30pF的小电容，滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射。

3. 冗余设计

   如前所述，本系统采用了CAN总线冗余设计，以提高系统的可靠性和稳定性。

七、系统实现与测试

1. 硬件实现

   根据设计方案，制作了硬件电路板，并进行了调试。硬件电路板包括主控制器板、模拟量输入板卡、数字量输入板卡等。

2. 软件实现

   编写了主控制器的软件程序，包括数据采集、处理、打包和发送等模块。同时，编写了上位机的监控软件，用于显示现场数据、报警信息等。

3. 系统测试

   对系统进行了全面的测试，包括功能测试、性能测试和抗干扰测试。测试结果表明，系统能够满足设计要求，具有较高的可靠性和稳定性。

八、结论

本文提出了一种基于CAN总线冗余的船舶监控系统设计方案。该方案采用冗余总线设计，将传统分布式监控系统中的控制功能下放到现场监控单元中，并通过CAN总线实现与上位机的信息交互。系统采用了高性能的单片机MC9S08DZ16和C8051F040作为主控芯片，提高了系统的实时性和可靠性。同时，系统还采取了多种抗干扰措施，提高了系统的抗干扰能力。测试结果表明，该方案具有较高的可靠性和稳定性，适用于船舶监控系统的实际应用。