基于CAN的主机遥控系统的研究与设计

武汉理工大学 硕士学位论文 基于CAN的主机遥控系统的研究与设计 姓名：洪毅根 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：李志宏 20090501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 主机遥控系统是当今船舶自动化技术的研究核心之一，随着计算机技术和现 场总线技术的快速发展，越来越多的新技术应用在船舶自动化领域，以现场总 线为基础的网络型控制系统已成为船舶自动化领域的发展方向。同时我国造船 业快速发展，对船舶自动化、数字化的要求不断提升，为适应我国船舶数字化 的发展趋势，提高主机遥控系统的自动化技术，对于国内船舶制造业的更新换 代具有一定的意义。 本文以基于C A N 总线的主机遥控系统为研究对象，确立了系统的总体设计 方案，完成智能节点的硬件设计，通信模块的软件实现。该方案以A R M L P C 2 2 9 2 微控制器为节点控制核心，利用C A N 总线组建主机遥控系统分布式控 制网络，采用多主方式实现驾驶台、集控室及机舱之间的互联通讯，实现了对 船舶柴油机的本地控制和远程监控。该控制网络之间利用冗余C A N 进行通信， 保证了数据通信的可靠性和实时性。 本文对C A N 总线技术进行了深入的分析，阐述了采用C A N 总线为主机遥 控系统的通讯总线的原因。并对C A N 冗余技术进行了探讨，采用了物理介质冗 余设计，使用两套总线电缆、两个总线驱动器、两个总线控制器，实现了总线 物理层和数据链路层的冗余配置，满足了主机遥控系统对数据传输的可靠性要 求。针对船舶主机遥控系统的功能要求及控制信号和报警信号的采集特点，设 计由驾驶台、集控室及机舱控制器组成的C A N 网络，包括主机监测管理微机共 4 个节点，构成主机遥控系统的基本网络功能结构。在确定了整个网络的基础上， 对主机遥控系统智能节点的软硬件进行设计，硬件方面主要由A R M 7 芯片外围 电路的设计组成，包括开关量采集电路、模拟量采集电路、C A N 冗佘接口电路 等。软件设计包括智能节点的软件通信设计和上位机的实现，制定了主机遥控 系统的C A N 通信协议，对C A N 通信的初始化程序，发送程序、接收程序进行 了设计，给出了主机遥控系统C A N 应用层的逻辑控制程序设计。为了提高主机 遥控系统的运行的稳定性和安全性而进行的C A N 节点的抗干扰及抗腐蚀设计。 最后本文使用V B 编写主机报警监控界面，以检验C A N 接口与上位机的串 口通讯，实现了C A N 总线与上位机的人机对话。 关键词：主机遥控，C A N ，冗余，A R M ，船舶自动化 武汉理工大学硕士学位论文 A BS T R A C T T h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mo fm a r i n ee n g i n ei st h ek e m e lo fs h i p - a u t o m a t i o n s y s t e m A sc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n df i e l d b u st e c h n o l o g yh a sb e e ni n c r e a s i n gr a p i d l y , m a n yn e wt e c h n o l o g i e sa r eu s e di nt h ef i e l do fs h i pa u t o m a t i o n A tt h es a m et i m e ，o u r c o u n t r y Ss h i p b u i l d i n gi n d u s t r y i si n c r e a s i n gf a s t 。S h i pa u t o m a t i o nm a d eg r e a t p r o g r e s s T h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u sb e c a m et r e n di nt h ef i e l do fs h i p a u t o m a t i o n I nt h i sa r t i c l e ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fm a r i n ee n g i n eb a s e do nt h eC A Nb u si st h e o b j e c to fr e s e a r c h I te s t a b l i s h e dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，f i n i s h e dt h e h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fi n t e l l i g e n tn o d e s T h eA R ML P C 2 2 9 2i s M C Ui nt h ei n t e l l i g e n tn o d e T h i sc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sd e v i c el e v e l ，c e n t r a l c o n t r o lr o o ma n db r i d g el e v e l T h et h r e en o d e sr e a l i z el o c a lc o n t r o la n dr e m o t e c o n t r 0 1 T h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nd u a lC A N B U Se n s u r e st h er e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m e o ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o n s A c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nd e m a n d so fm a r i n ee n g i n ea n dp r i n c i p l eo fs i g n a l c o l l e c t i o n ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e dt h eC A Nn e t w o r kt h a tC a na c h i e v eC o n t r o ls y s t e m f u n c t i o no fm a r i n ee n g i n e T h i sa r t i c l ea n a l y s e st h et e c h n o l o g yo fC A N B U S ，a n d m a k eu s eo fC A Nb u sf o rt h ec o n t r o ls y s t e mo fm a z i n ee n g i n e ，a n dt h e nd i s c u s st h e d u a lC A N B U S T h ep h y s i c a lp a r to fC A N B U Si sr e d u n d a n c y T h ep a r ti sc o n s i s t e do f t w os e to fn e t w o r km e d i a , d r i v e ra n dc o n t r o l l e r I ti su s e dt op r o v i d ea l t e r n a t i v e f u n c t i o n a lc h a n n e l si nc a s eo ff a i l u r e T h i sd e s i g nm e e t sr e l i a b l er e q u i r e m e n t so fd a t a t r a n s m i s s i o n T h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tn o d ei n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g n T h e h a r d w a r ei sc o n s i s t e do fp e r i p h e r a lc i r c u i t so fL P C 2 2 9 2 I n c l u d i n g C A N B U Si n t e r f a c ec i r c u i t S o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o n a m o n gt h en o d e sa n dt h ed e s i g no fa p p l i c a t i o no fm a r i n ee n g i n e T h i sc h a p t e rm a k e s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fC A N ，a n df i n i s ht h ep r o g r a mo ft h ei n i t i a l i z a t i o na n d d e s i g nt h ep r o g r a mo fd a t ac o m m u n i c a t i o n I I lo r d e rt oi m p r o v es t a b i l i t ya n ds e c u r i t y o f i n t e l l i g e n t n o d e ，t h i sa r t i c l et a k e ss o m em e a s u r e sf o ra n t i - ja m m i n ga n d I l 武汉理工大学硕士学位论文 a n t i c o r r o s i o n A tl a s tt h i sa r t i c l em a k eu s eo fV B6 0t oa c h i e v ep r o g r a mt h a tc a ns h o ws t a t e s o fm a r i n ee n g i n e A f t e re x p e r i m e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o na m o n gP Ca n di n t e l l i g e n t n o d e si sa c h i e v e d K e yW o r d s ：r e m o t ec o n t r o ls y s t e m ，C A N ，r e d u n d a n c yt e c h n o l o g y , A R M ，M a r i n e A u t o m a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝塑望日期：丝鳆丝兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：洪彰净艮导师( 签名) ：历法旁日期力够夕 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 世界经济的复苏和贸易增长带来了海运需求和船舶需求的持续增长，近年 来中国造船产量出现了惊人的增长，成为具有重要影响力的世界造船大国。在 “十一五期间中国造船业对韩、日的领先地位形成有力地的挑战，但设计能 力落后、配套产业发展滞后、大量电子设备和核心装备依赖进口，是制约行业 发展的主要瓶颈。我国造船业现行的“只造船壳子，进口其它设备“ 的经营模 式，造成产业附加值过低，对行业发展不利。因此，船舶设备己经成为制约我 国船舶产业快速发展的瓶颈。作为船舶配套工业的机舱自动化，也随着世界航 运事业、造船和造机工业、电子和控制技术的不断提高得到了巨大的发展，从 单项主机遥控发展到以机舱整体为对象的系统自动化。 主机遥控系统作为机舱自动化的主要组成部分，经过近半个世纪的发展， 其主要遥控方式有五种：气动遥控、电动遥控、液力式遥控、气电混合遥控、 微机遥控【l 】。主机遥控技术在我国起步较晚，和国外的技术水平具有一定的差距， 目前国内主机遥控形式主要有：气动遥控、电动遥控、气电混合遥控三种。 国内大多数普通船舶还采用分体式仪表，采用手动操作的方式进行作业， 而船体各设备的监控、安全保护、信息集成等方面都处于空白状态；大型、高科 技船舶，其机电设备大多从国外引进，特别是仪控系统基本依靠进口。这距离 国家要达到“主流船型本土化配套设备装船率达到6 0 ”的要求还有较大的差 距。而自动化技术是确保国产船舶装备可靠稳定运行的关键设备之一，若自动 化技术和系统未能实现国产化，则船舶配套设备国产化率达到6 0 的目标难以 实现。 机舱自动化的综合技术、主机自动控制、运行参数监视、电站和辅助系统 自动化等方面发展迅速，技术日趋成熟、功能日趋完善，使整个机舱自动化向 着智能化发展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 主机遥控系统在国内外的发展现状及趋势 随着船舶自动化水平的不断提高，现代船舶向巨型化、高速化和专业化方 向发展，柴油主机遥控技术发展也很快，到今天，大致经过了四代的发展过程。 用气动元件组装而成的第一代柴油主机遥控系统；用电子分立元件或继电器气动 元件组装而成的第二代柴油主机遥控系统；用中小规模电子集成电路及气动元件 组装而成的第三代柴油主机遥控系统；用微型计算机( 包括可编程序控制器) 以及 气动执行元件组装而成的第四代柴油主机遥控系统拉j 。 1 2 1 主机遥控系统的国内现状 随着我国造船业的发展，柴油机技术的更新及引进，为主机遥控系统的发展 提供了广阔的市场，国内主机遥控系统得到了长足的发展，从最初的机旁人工 操纵到现在气动遥控、电动遥控、气电混合遥控这三种远程遥控方式，正说明 我国船舶事业的巨大发展，但是和国际上其他先进的主机遥控系统相比，还存 在着不足。 气动遥控具有结构简单、直观、可靠、输出力矩大、耐震、耐高温、便于 维修等优点，但它主要用于中小功率柴油机，在大型舰船或控制距离比较远的 船舶上具有局限性。 电动遥控如：国产新、老3 0 0 、1 6 0 、1 2 V Z s o 型等船用柴油机，其安装的电 动遥控产品多数采用闭环角度跟踪系统，而这种系统存在着跟踪精度和稳定性 之间矛盾。在要求控制精度高的场合下，这个矛盾比较突出，甚至会影响产品 可靠性。随着自控技术的发展，已有新的模拟量和数字式闭环控制方式代替自 整角随动跟踪系统，上述问题也得一定的解决。 气电混合系统，以驾驶室操作指令为电信号；程序控制单元、安全保护为电 气控制；执行机构为气动元件。这种控制方式取气动和电动两者之长。遥控指令 和程控采用电信号具有传输距离远，迅速准确的优点，容易编排各种控制程序、 实现复杂功能，并且和监视报警、安全保护结合为一体，形成主机自动控制一 个完整系统。而这种控制方式在国内大多用于中小型柴油机如：用于3 0 U 、2 3 0 、 1 6 0 型等主机遥控f 3 9 1 。船舶机舱自动化的核心内容是高度的电气自动化和微型计 算机的应用，以低能耗、少污染为特色的气电混合控制系统已成为我国船舶机 2 武汉理工大学硕士学位论文 舱自动化的一个重要趋势。 1 2 2 国外新型主机遥控系统 船舶自动化是船舶科学技术的重要组成部分，国外的船舶自动化系统及设备 发展极其迅速，更新换代的速度惊人，特别是随着计算机与通信技术日益成熟， 国外机舱自动化在驾驶、机舱管理和装货等方面实现了全盘计算机控制，船舶 自动化技术正朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展。 ( 1 ) 德国D D CM T U 公司研制的新型主机遥控系统 该主机遥控系统共有3 个组成部分如图1 1 所示：P C S 5 ( P r o p e l l e r C o n t r o l S y s t e m ) 、R C S - 5 ( R e m o t eC o n t r o lS y s t e m ) 和M C S 一5 ( M e a s u r eC o n t r o l S y s t e m ) ，这3 部分是相对独立的，又是密切相关的，分别负责主机的推进控制、 遥控、监测与控制。P C S 5 船用主机推进控制系统( P r o p e l l e rC o n t r o lS y s t e m ) 作为 M T U 自动控制系统的一个组成部分，具有模块式子系统结构、高处理速度、一体 化的用户信息系统、易于升级等技术特征；带有自测试系统I T S 、冗余的域总线 系统以及智能分布、故障分析等功能。 推进装置遥控系统( R C S 5 ) 用于推进装置，包括柴油机、齿轮箱和定距桨的 全套自动控制。其主要特点有：可选择控制部位、控制发动机转速、控制齿轮 箱、具有单手柄操纵( S C L ) 模式、具有自监测和冗余元件的自动接驳功能、具有 故障报警及操作失误提示等功能，R C S 5F P P B 在推进装置内最多可以用到8 个 控制部位( 包括固定式和可移动式) 以及最多5 套推进装置。 M C S 5 监测与控制系统，是整个遥控系统最高指挥中心，由它来协调由各 个传感器发来信号并向外发出指令控制执行器进行各种操作。 在各系统P C S 5 、R C S 5 、M C S 5 之间，均是以C A N 总线连接的，C A N 总 线是用于自动化方面的一个标准的域总线。使用它可在各种不同的系统、装置、 传感器及执行器等之间进行互相连接。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 双轴推进主机遥控系统的构成 该主机遥控系统适用于D D C M T U 2 0 0 0 ( 4 0 0 0 ) 型柴油发动机，其性能稳定、 工作可靠，具有很好的自我保护意识其最大的特点，系统可以根据所得到的各 种信息自动对某些参数进行修正，以保证系统始终处于最优化的状态【3 】。 ( 2 ) M - 8 0 0I I 型主机遥控系统 M 8 0 0 I I 型主机遥控系统是日本N A B C O 公司研制的新型遥控系统，其控制 程序简单、实用，控制功能合理完善，在一定程度上反映了主机微机遥控系统 的最新发展动向。该系统是一个复杂的综合性控制系统，其系统组成如图1 2 所 示。微机遥控系统接受车令信号、控制室信号和柴油机转速及位置信号。 酗l| 藿鞴釜Il 鐾瓣 xl 鬻机遥投系统及接! 耋叛 甲吧 图1 2M S 0 0I I 主机遥控系统组成框图 系统的主要特点如下： 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 外围回路采用现场可编程门阵列。故可大幅削减逻辑集成电路块数；同时 选用耗电少的元器件，并对各部件进行老化和底版刻蚀，可降低故障率。 ( 2 ) 重要电路板采用冗余设计：如C P U 板、存储器板用双重化设计，可相互 热备用。 ( 3 ) 控制系统与安全装置独立设置。故障时，转换操作便可有效地控制主机运 转。 ( 4 ) 借助监视定时器和双重设置的R A M 进行数据检查。故可随时对系统各重 要部件进行自检，异常时自动报警。 ( 5 ) 驾驶台的显示与开关板、控制室的控制板和安全装置均按各自功能分组布 置。借助发光二极管显示主机的运转、控制状态和安全装置的故障原因，可提 高视觉识别性和操作性。 ( 6 ) 采用串行回路状通讯方式。在驾驶台的显示与开关板、控制室的控制板和 安全装置板三个部位间的通讯，采用串行同步方式并配置成回路状，可提高通讯 系统的可靠性。 ( 7 ) 控制用电源采用开关电源，故无电解电容器的老化问题，可延长使用寿。 该主机遥控系统控制程序简单、实用，控制功能合理完善，在一定程度上反 映了主机微机遥控系统的最新发展动向【4 】【。 1 3 课题的意义 主机遥控系统是船舶自动化系统的重要组成部分，随着计算机及网络技术的 发展，越来越多的先进技术被应用到船舶自动化领域中来，目前世界各大船级 社将现场总线技术应用到船舶自动化领域，并取得了长足的进步f 6 】，同时我国造 船业快速发展，对船舶自动化、数字化的要求不断提升，但我国造船技术起步 比较晚，船舶主机控制系统大部分以模拟量组合单元仪表为主，这类控制系统 所需要的仪表控制器件数量多，大部分采用手动操作，数据显示精度低且控制 困难，还有很多控制系统采用气动控制方式，因此无法实现控制系统的故障监 测诊断。为适应我国船舶数字化的发展趋势，提高主机遥控系统的自动化技术， 对于国内船舶制造业的更新换代具有重要的意义。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文主要内容和结构 论文以基于C A N 总线的主机遥控系统为研究对象，确立了系统的总体设计 方案，完成智能节点的硬件设计，通信模块的软件实现。以往智能节点的设计 多采用5 1 系列单片机为处理器，以S J A l 0 0 0 为C A N 控制器，这种设计方案选 用的芯片多，功耗大，外围接口扩展有限。本文的工作点在于：采用内嵌C A N 控制器的3 2 位A R M 7 芯片和C 州1 0 5 0 T 总线驱动器构成主机遥控系统的C A N 通信模块；系统网络结构上采用双C A N 冗余的网络设计，提高系统的可靠性和 安全性。实现了基于A R M 7 芯片的C A N 网络智能监控节点的初始化、帧发送、 帧接收，使用V B 编写仿真调试程序来检验C A N 接口与上位机串口的通讯，实 现了上位机与C A N 网络的人机对话。 第一章为绪论，回顾了机舱自动化的发展历史，对比了主机遥控系统国内 外的发展和应用现状。最后提出了论文的主要研究方向和主要内容。 第二章对C A N 总线的特点进行了详细介绍，说明了采用C A N 总线为主机 遥控系统的通讯总线的原因。对C A N 总线通信协议进行了具体的分析。 第三章是主机遥控系统的总体设计部分，针对船舶主机遥控系统的功能要求 及控制信号和报警信号的采集原理，设计由主机的控制模块和监控模块组成的 总体框架，并对主机遥控系统网络的安全性设计进行探讨。 第四章是主机遥控系统智能节点的硬件设计，主要由A R M 7 芯片外围电路 的设计组成，包括C A N 冗余接口电路、开关量、模拟量采集电路等。以及为了 提高主机遥控系统的运行的稳定性和安全性而进行的C A N 节点的抗干扰及抗腐 蚀设计。 第五章是主机遥控系统的软件设计，包括智能节点的软件设计和上位机的实 现，制定了主机遥控系统的C A N 通信协议，对C A N 通信的初始化程序，发送 程序、接收程序进行了设计，以及主机遥控系统C A N 应用层的逻辑控制程序设 计。 第六章结论，给出实验结果，总结所做的工作，并给出了进一步改进和研究 的方向。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章C A N 总线技术及其规范 C A N 全称为C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k ，即控制器局域网，于1 9 8 6 年由R o b e r t B o s c h 公司提出，到1 9 9 3 年I S O 正式颁布了C A N 的国际标准，它是一种有效支 持分布式控制和实时控制的串行通信网络。由于其高性能、高可靠性及独特的 设计，C A N 越来越受到人们的重视，已成为国际上应用最广泛的现场总线之一。 在19 8 7 年中期，I n t e l 开发了首个C A N 控制器8 2 5 2 6 。不久，P h i l i p s 半导 体也推出了8 2 C 2 0 0 。P h i l i p s 半导体的方式叫B a s i c C A N ；I n t e l 的方式叫 F u C A N ，这两种C A N 控制器在报文过滤和控制上有许多的不同，从而形成了 F u l I C A N 和B a s i c C A N 两大阵营。 2 1C A N 性能特点 国际标准I S 0 1 1 8 9 8 定义的C A N 总线是个全数字式现场控制设备互连总线， 能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，与其它总线相比，C A N 总 线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其主要特点如下【7 】| 8 】： 1 、C A N 采用多主工作方式，网络上任一点均可在任意时刻主动地向网络上 其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。 利用这一特点可方便的构成多机备份系统。 2 、C A N 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高 优先级的数据最多可在1 3 4 p s 内得到传输。 3 、C A N 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续 传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况 下也不会出现网络瘫痪情况。 4 、C A N 的直接通信距离最远可达1 0 k r a ( 速率5 k b p s 以下) ：通信速率最高可 达1 M b p s ( 此时通信距离最长4 0 m ) 。 5 、C A N 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标识 符可达2 0 3 2 种( C A N 2 0 A ) ，而扩展标准( C A N 2 0 B ) 的报文标识符几乎不受限制。 7 武汉理工大学硕士学位论文 6 、C A N 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低；每帧信息都有C R C 校验及其他检错措施，数据出错率极低。 7 、通信的硬件接口简单，通信线少，通信介质可为双绞线、同轴电缆或光 缆，也可以通过滑环进行信息传输。 8 、节点在严重错误的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上的其它 节点的操作不受影响。 9 、拥有I n t e l 、M o t o r o l a 、P h i l i p s 、S i e m e n s 、N S C 、N E C 等众多C A N 芯片 供应商，为用户能够开发出具有较高性价比和增值能力的产品提供了极大的方 便。 1 0 、C I A 、H o n e y w e l l 、A l l e nB r a d l e y 、K v a s e r 等组织和公司均制定了适用于 一定领域的开放的C A N 高层协议，开发者可以灵活选择，以构建在一定程度上 开放的系统。 2 2 主机遥控系统总线的选择 主机遥控系统是机舱自动化的重要组成部分，驾驶室、集控室、机舱分散 在全船的不同位置，由于船舶工作环境的特殊性，通信总线的采用对整个机舱 自动化具有重要的影响。一般船舶设备工作环境具有以下特点： 1 、船舶的空间相对狭小。 2 、控制对象规模较小，对控制网络的容量和互可操作性的要求不是很高。 3 、机舱空间狭小，设备布局紧凑，各种信号干扰源较多。 由此可见船用主机遥控系统应该采用实时性好、抗干扰能力强、成本较低、 开发和使用难度较小的通信总线。目前国内投入应用的船舶监控系统较为先进 的是基于R S - 4 8 5 总线的主从结构的监测系统。基于R S 4 8 5 的监控系统相比过 去的集中式监测系统，将系统功能分散到各个智能采集模块中，系统的整体性 能和可靠性得以提高，其系统扩展能力也大大加强。但基于R S - 4 8 5 的总线网络 也存在以下几点不足1 9 1 ： 1 ) R S 4 8 5 通讯不支持竞争机制，采用“一主多从“ 结构系统，通信方式也 只能以主站轮询的方式进行，通讯高峰期易堵塞，系统的实时性、可靠性较差。 2 ) R S - 4 8 5 总线构成的网络维护较为困难，往往一个节点出故障需要对每个 节点进行排查。 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) R S 4 8 5 只是一个电气协议，没有通讯协议，这不仅增加了开发周期，同时 通讯协议的制定上没有统一的标准，必然影响软件之间的兼容。 而现场总线技术经过长时间的发展，形成了多种现场总线包括：F F 、C A N 、 D e v i c eN e t 、L o n W 0 r k s 、P R O F I B U S 、H A R T 、I N T E R B U S 、C C L i n k 、C o n t r o lN e t 、 w o r l dF I D 、P - N e t 、S w i f tN e t 等现场总线【m 】【1 1 】【1 2 】。现场总线应用于船舶这个具体 对象的具有以下特点：可以减少线缆连接、节约成本，更重要的是系统连线少， 便于设计和维护；有利于系统的模块化设计，便于日后的开发与扩展；具有较 高的抗干扰性和可靠性。而C A N 总线相对于各种现场总线具有突出的可靠性、 实时性、灵活性和高性价比，并且技术资源丰富、应用开发简便f 1 3 】f 1 4 】【1 5 】。如文 献 3 中德国D D CM T U 公司研制该型主机遥控系统就是采用C A N 为各个控制模 块的系统总线，以实现其系统的易扩展性，稳定性，保障了整个系统的安全性 运行。因此本文采用C A N 总线进行主机遥控系统数据传输及控制网络的开发。 2 3 C A N 技术规范 随着C A N 应用领域的不断扩大，在一些应用中，对其通信格式的标准化提 出了要求。原先的地址范围由1 1 个识别位定义，如果将地址范围扩大，则这些 应用就可以更好的由C A N 来实现。为此1 9 9 1 年P h i l i p 半导体公司制定并发布 了C A N 技术规范，该技术规范包括A 和B 两个部分，其中2 0 A 给出了C A N 报文的标准格式；2 0 B 给出了标准和扩展两个格式。 2 3 1C A N 的分层结构 C A N 遵从I S O O S I 标准模型，按照这个标准模型，C A N 结构划分为两层： 数据链路层( 包括逻辑链路控制子层L L C 和媒体访问控制子层M A C ) 和物理层。 在C A N 技术规定2 0 A 版本中，数据链路层的L L C 和M A C 子层服务及功能被 描述为“对象层”和“传输层”。C A N 的分层结构如图2 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1C A N 的分层结构 L L C 子层的功能：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由L L C 子层 接收的报文实际己被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处 理时，存在许多灵活性。 M A C 子层的功能：主要传送规则，即控制帧的结构、执行仲裁、错误检测、 出错标定和故障界定。M A C 子层也要确定当开始每一次新的传输时，总线是否 开放或者是否，马上开始接收。位定时特性也是M A C 子层的一部分。 C A N 2 0 技术规范没有定义物理层，可以根据实际中的应用，对发送媒体和 信号电平进行优化【5 。 2 3 2 C A N 报文传送和帧结构 在进行数据发送时，发送报文的单元称为该报文的发送器，该单元在总线空 闲或丢失仲裁前为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空 闲状态，则该单元为接收器。 对于报文发送器和接收器，报文实际有效时刻是不同的。对于发送器而言， l O 武汉理工大学硕士学位论文 如果直到帧结束末尾一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，则 允许按照优先权顺序自动重发送。为了能同其他报文进行总线访问竞争，总线 一旦空闲，重发送将立即开始，对于发送器而言，如果直到帧结束的最后一位 一直未出错，则对于接收器报文有效。 构成一帧的帧开始、仲裁场、控制场、数据场和C R C 序列均借助位填充规 则进行编码。当发送器在发送位流中监测到5 位连续的相同数值时，将自动地 在实际发送的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格 式，不进行填充。出错帧和超载帧同样也是固定格式，也不进行位填充。 报文中的位流按照非归零( N I L E ) 码方法编码，这意味着一个完整的位电平 要么是显性，要么是隐性。 报文传送由以下4 个不同的帧类型所表示分别是数据帧、远程帧、错误帧和 超载帧。 ( 1 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、 C R C 场、应答场、帧结束。其中数据场长度可以为O 数据帧的组成如图2 2 所示。 数据帧 - 帧问空间帧问空间 lI 或超载帧 t 仲裁场控制场数据场 C R C 场 下 帧结束 帧起始 图2 - 2 数据帧的组成 应答场 C A N 2 0 B 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度。具 有1 1 位标识符的帧称为标准帧，而2 9 位标识符的帧称为扩展帧。标准格式 和扩展格式数据帧的结构如图2 3 、2 - 4 所示 仲裁场 - 快- u I l 4 7 -一一 磐啦亿 标准格式 一姒例 S 1 1 位标识符 料。卜 o F 图2 3 数据帧标准格式 武汉理工大学硕士学位论文 扩展格式 仲裁场 控制场呻L 一数据场 引，位标识符I 奏l 圭I ，8 位标识符l 量IR ，l R 。 图2 - 4数据帧扩展格式 帧起始( S O F ) ：标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显位组成。只有在总 线空闲时才允许节点开始发送报文，所有的节点必须同步于首先开始发送报文 节点的帧起始前沿。 仲裁场：仲裁场包括标识符和远程发送请求位( R 1 R ) ，对于C A N 2 0 A 标准， 标识符的长度为1 1 位，这些位的长度为1 1 位，这些位以从高位到低位的顺序发 送，最低位为I D O ，其中最高7 位( I D 1 0 I D 4 ) 不能全为隐性位。R T R 位在数 据帧种必须为显性位，而在远程帧中为隐性位。 对于C A N 2 0 B ，标准格式和扩展格式仲裁场不同。标准格式中，仲裁场由 1 1 位标识符和远程发送请求位( R T R ) 组成，标识符为I D 2 8 D 1 8 ：而在扩展格 式中，仲裁场由2 9 位标识符和替代远程请求位( S R R ) 、标示位( I D E ) 和远程 发送请求位( R 1 R ) 组成，标识符位为D 2 8 I D O 为区别标准格式和扩展格式，将C A N 2 0 A 标准中的订改记为I D E 位。在 扩展格式中先发送基本m ，其后是I D E 位和S R R 位。扩展D 在S R R 位后发送。 S R R 位为隐位，在扩展格式中，它在标准格式的R T R 位上被发送，并替代标准 格式中的R T R 位。这样，标准格式和扩展格式的冲突由于扩展格式的基本I D 与 标准格式的D 相同而解决。 D E 位对于扩展格式属于仲裁场，对于标准格式属 于控制场。R T R 位是远程发送请求位，R T R 位在数据帧中必须是显位，而在远 程帧中必须为隐位。 控制场：由6 个位组成，包括数据长度代码和两个保留位。保留位为显位。 接收器认可显位和隐位的全部组合。 数据场：由数据帧中被发送数据组成，可以包括0 8 个字节，每个字节包含 8 个位，首先发送最高有效位( M S B ) 。 C R C 场：包括C R C 序歹U ( C R C S E Q U E N C E ) 和C R C 界定符。C R C 序列是由 循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数小于1 2 7 位的帧。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 应答场：应答场长度为2 位，包含应答间隙( A C KS l o t ) 和应答界定符( A C K D e l i m i t e r ) 。在应答场中，发送器发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到 有效报文后，接收器就会在应答间隙内向发送器发送一“显性”位以示应答。 所有接收到匹配C R C 序列的战会在应答间隙期间用一“显性“ 位写入发送器的 “隐性”位来做出回答。A C K 界定符是A C K 场的第二位，并且必须位“隐性 位。因此应答间隙被两个“隐性”位所包围，也就是C A C 界定符和A C K 界定 符。 帧结束：每一个数据帧和远程帧均由一标示序列界定，这个标志序列由7 个“隐性”位组成。 ( 2 ) 远程帧 远程帧是由网络中任意单元发送，以请求其它单元提供具有相同标识符的 数据帧。发送远程帧可以激活能够提供相应数据帧的接收器单元，并初始化发 送器和接收器单元，实现数据传输和接收。远程帧由帧起始、仲裁场、控制场、 C R C 场、应答场和帧结束6 个位场组成。其中仲裁场由来自L L C 子层的标识符 和R T R 位( 远程帧中R T R 位数值为“1 ”) ，同数据帧相反，远程帧中的R T R 位 是隐位，而且不存在数据场，其控制场的数据值是独立的，它可以是0 - 一8 中的 任何数值，这一数值为对应所请求发送数据的数据帧的D L C 。帧起始、C R C 场 和帧结束等位场与数据帧的相应位场相同。 ( 3 )出错帧 出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第 二场是出错界定符。为了能正确地终止出错帧，一种“错误认可”单元可以使 总线于空闲状态至少三个位时间长度，因而总线载荷不允许被加载至1 0 0 。错 误标识有两种形式，一种是激活错误标志( a c t i v e ) ，一种是认可错误标志( p a s s i v i t y 激活错误标志由6 个连续的显位组成，而认可错误标志由6 个连续的隐位组成， 除非被来自其它单元的显位冲掉重写。 一个检测到出错条件的“错误激活”单元通过发送一个激活错误标识进行 标注这一出错标注形式，由帧起始至C R C 界定符所有场的填充规则，或者破坏 了应答或帧结束场的固定形式。这样一来，其它单元将检测到出错条件并发送 出错标志因此，在总线上被监视到的这个显性位序列是由个各单元单独发送的 出错标志叠在一起的结果。该序列的总长度在最小值6 和最大值1 2 之间变化。 检测到错误条件的“错误认可“ 的站试图通过发送“认可错误“ 标志来指示 武汉理工大学硕士学位论文 误，“错误认可的站从“认可错误”标志的开头起，等待6 个连续的相同极性 位，当这6 个相同的位被检测到时，“认可错误标志就完成了。 错误界定符包括8 个隐性位，传送错误标志以后，每一单元就发送一个隐 性位并一直监视总线直到检测出一个隐性位为止，然后就开始发送其它7 个隐 性。 ( 4 ) 超载帧 超载帧包括两个位场：超载标志( 由6 个显性位组成) 和超载界定符( 由8 个隐性位组成) 。存在三种超载情况，这三种情况都是导致发送超载标志的超载 条件：一种是接收器的内部条件，它需要延迟下一个数据帧或远程帧；第二种 是在间歇场第一位和第二位检测到一个显性位；第三种是如果C A N 节点在错误 界定符或超载界定符的最后一位( 第8 位) 采样到一个显性位，节点位发送一 个超载帧( 不是错误帧) 。由前一种超载条件引起的超载帧起点，仅允许在期望 间歇场的第一个位事件开始，而由后二种超载条件引起的超载帧在检测到显位 的后一个位开始。通常情况下，为延迟下一个数据帧或远程帧，这两种超载帧 均可产生。 ( 5 ) 帧间空间 数据帧( 或远程帧) 与它前面的帧相同，不管是何种帧( 数据帧、远程帧、 出错帧或超载帧) 均与称之为帧间空间的位场分开。相反，在超载帧和出错帧 前面没有帧间空间，并且多个超载帧前面也不被帧间空间分隔。 帧间空间包括间歇场和总线空闲场，对于前面已经发送报文的“错误认可” 单元还有暂停发送场。对于非“错误认可”或已经完成前面报文的接收器，其 帧间空间如图2 5 所示。对于已经完成前面报文发送的“错误认可“ 单元，其帧 间空间如图2 - 6 所示。 I I 占 一 一一f I I 占闰六泪。 一 t I t ， i t -1 IH JJ - l H J 71 间歇总线空闲 图2 5非“错误认可“ 或已收到先前帧单元的帧间空间 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 I t 一 1 1 占 一- - I 呋阔 帧。恍r I 、1 “ 9 , 1 I 叫工l 叫 r 间歇暂停发送总线空闲 图2 - 6先前帧已发送“错误认可”单元的帧间空闲 间歇场由3 个隐位组成。间歇期间，不允许启动发送数据帧或远程帧，它起标 注超载条件的作用。 总线空闲周期可为任意长度。此时，总线是开放的，因此任何需要发送的 站均可访问总线。在其它报文发送期间，暂时被挂起的待发送报文紧随间歇场 从第一位开始发送，此时总线上的显位被理解为帧起始。 暂停发送是指“错误认可”单元发送完一个报文后，在开始下一次报文发 送或认可总线空闲之前，它紧随间歇场后送8 个隐位。如果期间开始一次发送 ( 由其它单元引起) ，本单元将变为报文接收器。 2 3 3 错误类型和故障界定 C A N 总线中存在以下5 种不同的错误类型，这5 种错误不会互相排斥。 ( 1 ) 位错误 某个单元在向总线发送数据的同时也在监视总线，当监视到总线位数值与 送出的位数值不同时，则在该位时刻检测到一个位错误。但是在仲裁场的填充 位流期间或应答间隙送出隐位而检测到显位时是例外的，此时监视到一显性位 时，不会被视为位错误。当送出“认可错误“标注的发送器在检测到显位时， 也不被视为位错误。 ( 2 ) 填充错误 在应使用位填充方法进行编码的报文中，当出现了第6 个连续相同的位电平 时，将检出一个位填充错误。 ( 3 ) C R C 错误 C R C 序列包括了发送器计算的C R C 结果。接收器与发送器以相同的方法计 算C R C 。如果计算的结果与接收到的C R C 序列不相同，则检出一个C R C 错误。 ( 4 ) 形式错误 如果一个固定形式的位场中出现一个或多个非法位时，则检出一个形式错 武汉理工大学硕士学位论文 误( 对于接收器，帧末尾最后一位期间的显性位不