基于CAN總線的船舶自動氣象站的研究

牛 濤

（武漢船舶職業技術學院電氣與電子工程學院，湖北武漢 430050）

自動監測和報警氣象條件是影響船舶航行的重要因素。在走航過程中，船舶所面對的海洋環境復雜，需要建立氣象站對海面氣溫、海表溫度、風向、風速等進行監控。隨著航運業的迅猛發展，傳統船舶氣象儀存在諸多不足，如進行熱電耦電橋法溫度測量儀，測量過程復雜，數據實時性、傳輸距離和抗干擾能力難以滿足需要，亟需構建新型的船舶自動氣象站。

CAN現場總線是德國Bosch公司開發的串行數據通信協議，在汽車復雜控制及儀表數據交換方面得到充分應用，其實時性強、傳輸距離遠、抗電磁干擾能力強等優點尤為突出［1］，能較好適應船舶航行時的復雜環境，彌補傳統船舶氣象儀的不足，為構建新型船舶自動氣象站創造了有利條件。

1 系統總體結構

系統采用CAN現場總線進行數據通訊，傳輸媒體采用雙絞線，通訊速率根據船舶環境可選50kbps（270m）一125kbps（350m）［2］，如圖1系統總體結構。

2 CAN總線硬件設計

2.1 CAN總線適配卡

CAN適配卡采用了PLX公司的PCI 9052，作為監控主機與總線的接口設備，通過該芯片可以快速完成CAN總線到監控主機PCI總線的轉換。PCI 9052工作時，需要EEPROM存儲配置信息，設計采用Microchip公司93LC46存儲芯片。CAN適配卡與測控節點都采用SJ1000控制器芯片為CAN控制器接口。

圖1 氣象站總體框圖

2.2 主采集器

主采集器是整個數據采集的核心，主要實現常規氣象要素數據采集和實時采集分采集器數據的功能。主采集器采用江蘇省無線電科學研究所自主研發的ZQZ－BH型數據采集器，該主采集器支持CAN總線結構，傳感器可任意增減和組合，觀測的氣象要素數量不受限制。

2.3 分采集器

分采集器為智能量分采集器，采用江蘇省無線電科學研究所自主研發的ZQZ－BM型數據采集器。主要擴展連接智能型傳感器，如超聲風傳感器、能見度傳感器等。分采集器通過CAN總線與主采集器進行物理連接。

3 系統軟件設計

3.1 PID算法程序設計

PID控制是根據實際測量值與設定值進行比較運算讀出控制量。PID控制運算程序由監控主機部分和節點微控制器部分組成，程序框圖如圖2、圖3所示。

圖2 監控主機端程序 圖3 節點端程序

3.2 CAN適配卡及上位機軟件設計

包括監控主機的驅動軟件設計和負責通信的COM程序設計。考慮到系統的通用性，可采用支持Windows XP、Windows 2000的WDM驅動程序。開發工具可以采用Visual C＋＋6.0和Windows 2000DDK。

此外，主采集器和分采集器之間采用CANOPEN的通信協議進行數據傳輸，因此還須開發CAN總線結構驅動程序。

4 傳感器選型

船舶自動站中使用的傳感器分為兩種：模擬量傳感器（輸出模擬量信號的傳感器）和智能型傳感器（帶有嵌入式處理器的傳感器，具有基本的數據采集和處理功能，輸出串行信號），見表1。

表1 傳感器選型

5 結 語

基于CAN總線的船舶自動氣象站，不僅可以對海面氣溫、海表溫度、風向、風速等進行監控，還可以對各項數據進行實時分析、處理，提高了船舶氣象的信息化水平。而CAN總線以獨特的設計思想，良好的可擴展性和可靠性，必將進一步融入到船舶自動化系統中。采用這種技術的船舶自動氣象站，具有性能可靠、易于維護的特點，發展前景廣闊。

1 莊景齊，吳雁.基于CAN總線的溫濕采集系統的設計［J］.中國科技信息，2009（2）：139－140

2 于宏波，宋文杰.現場總線技術在船舶氣象儀系統中的應用［J］.山東科學，2005（5）：67－69

3 張鈦仁.海洋船舶氣象觀測信息有關情況調研報告［J］.氣象軟科學，2008（4）：83－87