CAN总线冗余的船舶监控系统设计方案

2012-04-23 19:52:11来源: 互联网

针对我国造船业的发展现状和现有系统中存在的一些问题,提出一种基于冗余CAN总线设计的船舶监控系统。通过对CAN收发器的冗余,实现CAN总线物理层上的冗余,并在CAN总线上增加保护电路,最大可能地保证通信的可靠性。针对模拟通道的抗干扰设计方法,提出隔离式模拟量测量模块的设计方法。

关键词  模拟量隔离  CAN总线冗余设计  船舶监控系统  MC9S080Z16  TJA1050T

引言

  近年来,我国的造船业取得了飞跃性的发展。据船舶工业统计快报报道,2007年,中国造船完工量1893万载重吨,比上年增长30%;新承接船舶订单9845万载重吨,比上年增长132%。随着自动化水平的提高,大大小小的船舶都安装了监控系统。目前船舶自动监测系统主要有主从分布式控制、集散式控制等,但这些控制方式都存在系统结构复杂、控制集中等缺点。本监控系统采用了冗余CAN总线设计船舱自动监测系统,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,由分布于现场的各监控单元完成数据采集、处理、控制运算、输出等工作。与上位机的信息交互通过现场总线进行。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,为管理人员的操作提供可靠、准确的实时信息,从而实现实时监控。基于这种方式的监控系统是船舶自动监控系统的重要发展方向。

1  系统工作原理及功能

  系统整体结构框图如图1所示,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,由主控制器完成对数据的采集与转换。主控制器将数据打包,发送到其他CAN节点,同时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。模拟量输入板卡主要是对外部模拟信号进行滤波、隔离、调理,滤波后变成一个适合于单片机进行采样的模拟电压。其采集的模拟信号主要有两种类型: 0~10 V的模拟电压信号和4~20 mA的电流信号。这是工业现场中最常用的模拟信号。数字量输入板卡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。其中模拟量的隔离输入和冗余的CAN总线,是本设计比现有的一些基于现场总线的监控产品的先进之处。

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图1  系统结构框图

2  硬件电路设计

2.1  主控制器选择

  为了减少外部器件,提高系统的稳定性,主控制器选用带有片内A/D和CAN控制器的MC9S08DZ16。该单片机是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位单片机;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种超低功耗停止模式,同时内部集成CAN2.0 A/B控制器以及多种标准串行接口

2.2  CAN总线的电气保护

  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。这些对控制系统是极大的威胁,非常容易导致系统瘫痪。为了最大程度地保证网络系统正常工作,采取了以下两种措施:第一种措施是电气隔离。通信电缆是网络系统中受干扰最大的部分,而且各种干扰也极容易顺通信电缆进入系统,从而引起系统的工作不正常。为了切断这条干扰途径,保护CAN控制器,在CAN控制器与收发器之间增加了6N137,以进行光电隔离。

  第二种措施是在总线上增加保护器件。当发生雷击或其他强烈干扰时,巨大的能量如果来不及泄放,就会损坏收发器。为了防止干扰对收发器的损坏,增加了防雷管和TVS作总线保护。当受到雷击时,并接在总线上的防雷管能将能量泄放掉。但是一般情况下,防雷管的反应速度慢,钳位电压高(约为800 V),因此本设计中,在防雷管后增加了TVS和PTC电阻。TVS能够将总线的压差钳制在6.8 V以下,这样当受到干扰时,TVS能较快地起到保护作用;而PTC电阻能保护收发器免受过流的冲击。在CAN H和CAN L与地之间各自接一个30 pF的小电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射的作用。CAN收发器电气保护原理如图2所示。

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图2  CAN收发器电气保护原理

2.3  冗余CAN总线设计

  虽然在设计时对CAN收发器采取了一些保护措施,但是在船舶机舱的电缆受拉、压、砸、挤等而造成故障的情况却很多,这就不是电气保护所能解决的了。因此,为了降低此类风险以及各种原因引起的收发器的电气损坏,最有效的方法就是实现CAN通信网络的冗余。

  在总线冗余处理上,可使用两套总线,每一套都包含有完整的总线电缆、总线驱动器和总线控制器,或将总线控制器与CPU集成于一体的MCU。实现冗余有两种方法: 一种是后备方式,即一套运行,另一套“休眠”备用,当运行总线发生故障时,启用备用总线;另一种是同时运行方式,如果其中一套发生故障,另一套仍能维持系统的正常运行。这两种方法的优点是同时实现了物理介质、物理层及数据链路层甚至应用层的全面冗余,因此,可以称之为“全面冗余方法”。但全面冗余方法存在着某些不足之处,例如由于节点对系统的构成不敏感,因此,后备方式发现总线开路故障的能力和实时性较差,而同时运行方式下两路同时工作功耗大,且数据链路的冗余较为复杂。本设计使用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

关键字:CAN  总线冗余  船舶监控

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0423/article_15806.html
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