基于CAN總線的船舶集中監測報警系統

張 偉

（武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

隨著工業和科學技術的飛速發展，船舶設備和系統的組成及結構日趨復雜，功能不斷完善，自動化程度不斷提高。船舶集中監測和報警系統作為船舶自動化的重要組成部分，是船舶安全航行的必要保障。目前船舶監測報警技術正朝著數字化、網絡化、智能化的方向發展，集中監測、分散控制是新一代船舶監測報警系統的發展趨勢。

1 功能與組成

船舶集中監測和報警系統主要實現對船舶機艙、輪機控制室以及船員住艙機電設備的參數和運行狀態的集中監測實時報警，由1臺集中監測報警裝置和若干臺就地監測裝置組成［1］。就地監測裝置的功能是對本地重點機電設備運行狀態進行就地監測和報警，在主控制室設置1臺集中監測報警裝置，用來對全船各部位的監測數據進行集中顯示和報警，為指揮員提供集中的參數報警狀態指示。

1.1 CAN總線通信

船舶集中監測和報警系統選用CAN總線作為系統通信總線。CAN總線是現場總線的一種，在工業控制、船舶制造等領域均有廣泛的應用。CAN總線為支持多主機通信方式，采用短幀數據結構，具有速率快、抗干擾能力強、可靠性好、靈活易用、容錯性好和鏈接方便等優點。

1.2 系統組成

基于CAN總線設計的船舶集中監測系統結構見圖1。

圖1 系統組成框圖

CAN已經成為國際標準ISO11898和ISO11519，同時還是國際船用標準。CAN總線技術規范包括A和B 2個部分。2.0A給出了CAN技術規范版本定義的CAN報文格式，而2.0B給出了標準幀和擴展幀2種報文格式，標準幀的ID占11位，擴展幀的ID占29位，這里采用的29位擴展幀和8個數據字節，通信波特率為250kbps，格式定義見表1。

表1 CAN報文格式定義

2 硬件設計

采用PHILIPS公司的LPC2294芯片作為集中監測報警裝置的主控CPU，這款基于32位ARM7內核的CPU最大特點是自帶了4路互連的CAN控制器，并且具有先進的全局驗收濾波器，全局驗收濾波器可以識別所有CAN總線的標準幀和擴展幀標示符［2］。

CAN通信收發模塊電路見圖2，使用TJA1040芯片作為CAN收發器，主要功能是將CAN控制器的邏輯電平（CANTXD、CANRXD）轉換為CAN總線的差分電平（CANH、CANL）。

圖2 CAN通信收發模塊電路

集中監測報警裝置硬件基本原理見圖3，以LPC2294作為核心部件的主節點控制器［3］，完成了船舶集中監測和報警系統數據傳輸與交換控制，實現了對船舶系統的集中監測和報警。

圖3 集中監測裝置硬件組成框圖

集中監測報警系統與船舶航行安全密切相關，監測值和報警顯示需要易于指揮員觀察，因此選用數碼管進行監測值的顯示，由于CPU的I／O資源有限，考慮到LPC2294自帶了I2C總線控制器，因此使用了I2C總線驅動芯片ZLG7290驅動5位8段數碼管掃描方式，驅動電路見圖4。

圖4 數碼管驅動電路

3 軟件設計

集中監測報警裝置的軟件采用模塊化設計，包括數據處理模塊、CAN控制模塊、顯示與報警模塊、數碼管驅動模塊等［4］。主程序流程見圖5。

圖5 主程序流程

集中監測報警裝置軟件的2個主要構成部分是CAN總線收發程序和I2C驅動顯示程序。基于LPC2294芯片CAN總線控制器的發送與接收程序流程分別見圖6和圖7。

圖6 CAN總線發送程序流程

圖7 CAN總線接收程序流程

由圖6可見，在啟動發送數據的命令后，CAN控制器必須要將緩沖區內的數據發送完畢，才會將該幀數據是否發送成功的狀態返回，這樣如果在發送程序里一直等待數據發送完畢，會使整個程序的執行效率大打折扣。所以為了避免這種情況的發生，該函數在啟動發送之后就立即返回。因此我們專門在軟件中加入了查詢TCS狀態位來驗證數據發送成功。

LPC2294芯片為ARM－CAN控制器提供了配套使用的功能函數以供用戶調用，常用的功能包括初始化函數InitCan，發送數據函數CanSendData，發送命令函數CanSendCmd，接收數據函數ReadCANRcvCyBuf，CAN中斷處理函數CANIntPrg等［5］，使整個ARM－CAN控制軟件的編寫難度降低，執行效率提高。

4 結語

船舶集中監測和報警系統作為船舶安全航行的重要保障，實時性、準確性和安全性是關鍵評價指標。有針對性地選擇CAN總線作為系統通信總線，并且采用功能強大的ARM7系列芯片LPC2294作為集中監測裝置的CPU，是船舶監測報警系統發展的需要。應用結果表明，船舶集中監測和報警系統滿足對重點機電設備運行狀態進行集中監測和報警的各項要求。

［1］張圣弢.現代船舶監測和報警系統的研究［D］.大連：大連海事大學，2010.

［2］崔芮華，耿麗愷.基于LPC2294的CAN總線技術在智能脫扣器控制方面的研究［J］.低壓電器，2011（1）：41－44.

［3］紀文支，陳國忠，唐加山.基于CAN總線智能節點的設計與實現［J］.微型機與應用，2012，31（2）：44－49.

［4］張 旭，郭 晨.船舶機艙監測報警系統［J］.計算機工程與應用，2005（22）：229－232.

［5］賈東永，孫印杰，陳 安，等.ARM嵌入式系統技術開發與應用實踐［M］.北京：電子工業出版社，2009.