基于CAN總線和以太網的液貨船液位遙測系統設計

嵇萍，周濤，姚蘇華

（江蘇海事職業技術學院，南京211170）

基于CAN總線和以太網的液貨船液位遙測系統設計

嵇萍，周濤，姚蘇華

（江蘇海事職業技術學院，南京211170）

為滿足液貨船對各個液艙液位、壓力、溫度等參數的遠程監測需求，提出了基于CAN總線與以太網的液位遙測系統的設計方案，對系統中的信號采集模塊、通信模塊進行了軟硬件設計，并利用Intouch組態軟件開發了系統監控軟件。實際應用結果表明，該系統測量結果準確、操作方便。

液貨船 CAN 以太網 液位遙測 Intouch

0 引言

近年來，根據國際規范的要求,液貨船都要實行密閉裝卸，因此液位遙測系統得到了迅猛發展。液位遙測系統是液貨船的核心系統，它的測量精度、穩定性和可靠性直接關系到船舶在海上的安全航行。目前，用戶對液位遙測系統的功能要求已不僅僅是對液艙液位的測量，還要求其能夠測量艙內的溫度、壓力、液體密度和壓力等參數，以確保船舶裝卸、航行的安全和液貨質量。液位遙測系統的概念已拓展為液艙參數測量系統。

本文針對12700 DWT液貨船，選用導波雷達液位計測量液位、擴散硅壓力傳感器測量壓力、PT100溫度傳感器測量溫度，利用單片機進行信號的采集與處理，采用CAN總線和以太網技術，設計開發了一套液位遙測系統。

1 液位遙測系統總體設計

該液位遙測系統主要由信號采集模塊、CAN/以太網通信模塊和監測計算機組成，系統結構如圖1 所示。 各組成部分的功能如下：

1) 信號采集模塊主要負責現場液位、壓力、溫度等數據的采集、處理，以及通過 CAN總線與通信模塊進行數據交換。

2) CAN/以太網通信模塊主要負責 CAN總線數據的接收，經過通信協議轉換后，將測量數據發送到主機上。

3) 監測計算機主要負責監測并實時顯示現場測量數據。

2 系統硬件設計

2.1 信號采集模塊硬件設計

信號采集模塊是液位遙測系統的核心，該模塊選用AT89C51單片機為主控制器，主要由信號轉換電路、通道選擇電路、信號放大電路、A/D轉換電路、CAN通信接口電路等幾部分組成。其硬件結構如圖2所示。

信號采集模塊的工作原理是利用傳感器測量現場液位、壓力、溫度等信號，這些信號經采樣、放大、A/D轉換后，以數字形式進入CPU，CPU對這些輸入數據進行處理后，將數據通過CAN通信接口電路發送到CAN總線上。

信號采集模塊中使用的傳感器必須滿足防護等級：IP68，防爆等級：EEx ia IIC T6，并具有抗腐蝕的特性。傳感器必須帶船檢證書和防爆證書。

液位傳感器選用德國E+H公司的導波雷達液位計，它是依據時域反射原理來計算得出液位高度的。該雷達液位計具有底部回波功能，能保證在低介電常數的情況下不失波，極大地保證了貨艙液位測量的可靠性。

壓力傳感器選用擴散硅壓力傳感器，它的工作原理是利用半導體硅材料的壓阻效應，實現壓力與電信號的轉換。使用時壓力傳感器安裝在各個液貨艙的頂部，主要測量艙內的密閉氣壓。

溫度傳感器選用PT100溫度傳感器，它是基于PT100金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。使用時安裝在甲板上不銹鋼溫度保護罩內，傳感器內裝有兩個溫度探頭測量艙內上部和下部的介質溫度。

2.2 通信模塊硬件設計

為實現CAN總線網絡與以太網的連接，本文設計了CAN/以太網通信模塊。該模塊采用DS80C400 網絡微控制器為主芯片。它是目前集成度最高的8051 器件，片內集成的完整的TCP/IP協議棧，是專用的網絡嵌入式微控制器。它的片內還集成了CAN總線控制器和以太網控制器, 配合合適的以太網收發器和CAN 收發器，就可以較容易地搭建出系統開發的硬件平臺。通信模塊硬件結構框圖如圖3。

外部電路主要由以太網收發器、CAN總線收發器和一些外圍電路組成。以太網收發器采用Intel LXT972A收發器, 它是遵循IEEE標準的快速以太網物理層器件，支持100BASE-TX和10BASE-T以太網，工作電壓3.3 V。CAN總線收發器采用PHILIP PCA82C250收發器，它是CAN 協議控制器與物理總線的接口。

3 軟件設計

3.1 信號采集模塊軟件設計

信號采集模塊的軟件流程如圖 4 所示，它主要包括初始化子程序、CAN數據的接收和發送子程序。CAN數據的接收和發送對實時性要求比較高，故采用中斷方式進行處理。AT89C51單片機在程序開始首先要對CAN控制器模塊進行初始化。一旦接收到主機命令立刻要進行相應的處理，如沒有接收到主機命令就對現場各個通道的傳感器數據進行采集。若當前采樣通道傳感器數據不變，則對下一個通道進行數據采集，直至所有通道被采集結束后再進入下一次循環；若當前采樣通道傳感器數據發生改變，將新數據通過CAN總線上傳。

3.2 通信模塊軟件設計

通信模塊主要接收來自CAN與以太網接口的數據，經協議轉換后發送到對方接口。利用DS80C400的ROM提供的多任務功能可以設計兩個獨立的任務，以實現CAN總線數據傳送到以太網(CAN-Ethernet)及以太網數據傳送到CAN總線網絡(Ethernet-CAN)的雙向數據傳輸。上述兩個任務是基于事件驅動的。

主進程主要用來實現CAN接口及以太網接口的初始化、與主機建立Socket連接、設置任務的優先級等，然后等待事件的發生。主進程根據事件的不同調用相應的任務。

CAN-Ethernet任務主要完成接收CAN總線上的數據幀，并發送到以太網上，然后由主機進行數據的處理，從而完成對現場數據的采集任務。這個任務是采用事件觸發的。該任務的流程如圖5所示。

當通信發起方將命令發給通信模塊時，通信模塊的以太網接收緩沖區中有數據需要接收，主進程檢測到相應的事件，轉向執行Ethernet-CAN任務。該任務的流程如圖6所示。

3.3 系統監控軟件設計

Intouch 組態軟件用于可視化和控制工業生產過程，是一個開放的、可擴展的人機界面，為定制應用程序設計提供了靈活性，同時為工業中的各種自動化設備提供了連接能力。根據液位遙測系統的功能要求，本文利用Intouch組態軟件設計開發了液位遙測系統的監控環境，其中參數測試界面如圖7所示。

4 結束語

該系統實施完成并投入應用后，經實際使用檢驗，其液位檢測結果準確、操作直觀方便，提高了工作效率，產生了良好的經濟效益。另外，該系統具有一定的擴展和適應能力，同時提高了底層的數據傳輸的可靠性、實時性和安全性。

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Design of a Liquid Level Telemetry System of Tankers Based on CAN and Ethernet

Ji Ping，Zhou Tao，Yao Suhua
(Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)

In order to meet the needs of the tankers to remote monitor the parameters such as liquid level, pressure, temperature, etc in each liquid tank, the design of the liquid level telemetry system of tankers based on CAN and Ethernet is developed in this paper. The hardware and software of signal acquisition module and communication module of the system is designed and the system monitoring software is developed by Intouch configuration software. The results of practical application indicate that the measurement results of this system are accurate and this system is easy to use.

tanker; CAN; Ethernet; liquid level telemetry; Intouch

TP273

A

1003-4862（2014）03-0015-04

2013-09-08

江蘇海事職業技術學院院級課題《模塊化單片機實驗裝置的開發研究》（2013QNZX-06）

嵇萍(1981-), 女，碩士, 講師 。研究方向：測控技術。