基于CAN總線下船舶通信系統的設計分析

王超輪 王昭 潘利兵 中國船舶重工集團有限公司第七二二研究所

隨著現場總線技術的發展，傳統船舶自動化的分布式控制系統結構正在向基于CAB總線的控制系統結構轉變。通過網絡對船舶儀器進行數據采集、信息傳遞及控制，使各系統共享信息資源，消除部門間信息傳遞障礙，對實現船舶信息一體化具有重要作用。CAN總線數據新具有實時性和可靠性，是自動化領域的重點研究項目，它能夠為數據通信提供有力的技術支持。

1 船舶通信系統概述

1.1 船舶通信系統的功能

船舶通信系統必須具備以下功能:（1）發送和接收船到岸遇險報警，必須使用兩個及兩個以上的獨立設備，每個設備需要具備不同的無線電通信功能。（2）發送和接收船到船遇險報警。（3）發送和接收搜救協調通信信息。（4）發送和接收現場通信信息。（5）發送個接收尋位信號。（6）發送和接收海上安全信息。（7）在船和岸上無線電通信系統和網絡間發送和接收通信信息。（8）發送和接收駕駛臺之間的通信信息。船舶通信系統的報警方法能夠使船舶在遇險時發射求救信號，國際海上人命安全公約簽約國需要給遇險船舶和人員提供救援。

1.2 船舶通信系統的協議通訊模式

為了滿足船舶通信系統數據傳輸對實時性的要求，協議多樣的通信模式，包括主從方式通信模式和事件觸發通信模式。主從方式通信模式指的是由主站發出命令給從站，從站接收命令后給主站發送應答的通信方式，主要負責設備運行狀態和熱工參數的數據采集。事件觸發通信模式主要用于從站向主站發送數據報文，在設備發生故障或運行狀態發生異常時發出警報，支持定時發送、循環發送和改變發送信息。

2 通信系統的整體設計

2.1 數據采集模塊的設計

羅經數據采集模塊的關鍵部分是Microchip公司生產的dcpic30f系列單片機，這個系列的單片機同時具備了單片機和DSP芯片的優點，羅經數據采集模塊需要使用一系列算法，通過地磁場強度推算出其方向，通過軟硬磁抵消算法消除其他磁場干擾和自差。所以，此次設計需要選用高性能微處理器進行各項復雜的算法，從而編寫數據處理程序。此次設計選用一軸磁阻傳感器和兩軸磁阻傳感器，組成三維磁場強度檢測電路，將模擬信號轉化為數字信號，通過CAN總線傳輸到單片機。羅經傳感器為了避免磁場干擾，需要讓傳感器旋轉一周，通過算法消除各方向磁場的干擾，再通過自差消除算法減小偏差。

2.2 CAN總線接入模塊的設計

此次設計中集成通信裝置的CAN通信接口選用Plxtech公司生產的CAN通信適配卡，CAN的無線數據接口選用了周立功公司的無線網卡和RS232串口。無線網絡數據通過無線數據模塊傳到工控機，工控機通過數據協議轉換將數據傳送到CAN總線，通過CAN總線適配卡將工控機與CAN總線網絡連接起來。當無線數據接收無效時，系統不能通過藍牙接收有效數據，這時系統將自動采用RS232串口接收數據，將CAN總線上的數據傳輸到本地工作站，防止數據丟失。

2.3 總線接口卡模塊的設計

智能PCI總線和CAN適配卡之間的數據傳輸通過雙口RAM實現。此次設計中由AT89S52單片機控制CAN總線控制器的工作方式、工作狀態及數據傳輸。CAN總線接口卡的驅動程序在VB開發環境中訪問PCI設備有兩種方式:（1）直接訪問。在相關軟件的支持下，使用VB直接編寫訪問PCI設備接口函數。（2）間接訪問。在VB環境下使用匯編程序編寫驅動程序。由于間接訪問的方式具有普遍性高、靈活性好的優點，所以，此次設計采用間接訪問的方式。

2.4 方位儀舷角測量模塊的設計

此次設計采用步進式方位儀，這種方位儀由兩個電機和一個高倍鏡組成，兩個電機由一個單片機芯片帶動，通過望遠鏡搜尋目標。單片機芯片可記錄方位儀的角度和方向，精度高且能夠通過屏幕實時顯示。此次設計采用了SH2024B5步進電機驅動器，這種驅動器由PWM驅動，具有電壓范圍大、工作效率高、細分數可調的優點。此次設計相電流設定為5檔分別為2、5、10、20、40，能夠同時滿足步距驅動、方位儀轉動及對精度的要求。這種方位儀在羅經矯正過程中能夠觀察陸地目標并確定天體目標位置，還能測量舷角，配合羅經數據模塊確定船舶航向和方向，正確判斷船舶行進路線。

3 總結

綜上所述，基于CAN總線的船舶通信系統的設計已經取得很大進步，但還沒有實現模塊化和通用化。此次設計基于CAN總線技術，對數據采集模塊的設計、CAN總線接入模塊的設計、總線接口卡模塊的設計、方位儀舷角測量模塊的設計進行具體分析。通過以上設計能夠在很大程度上解決設備連接問題和數據可靠性問題，這種設計在船舶通信系統中將得到廣泛應用。

[1]雷雨.嵌入式船舶通信多功能網關的設計與實現[D].大連海事大學,2016.