基于現場總線的船舶動力信息管理技術分析*

余方偉

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室　武漢　430205)

基于現場總線的船舶動力信息管理技術分析*

余方偉

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室武漢430205)

摘要動力數據是船舶運行的的關鍵信息，論文對基于現場總線的分布式信息采集技術的研究進行了詳細的討論，對信息采集設備的系統架構和實現原理進行了詳細的分析，研究、比較了目前世界主流現場總線的特點，選用了CAN總線作為船舶動力信息采集通道，對CAN總線原理、協議和分布式采集方案進行詳細比較研究。論文還分別從硬件和軟件的角度介紹了一種分布式信息采集管理裝置的實現方法和路徑，設計了一種冗余CAN總線架構和適應的應用層通信協議。在文章最后介紹了設備研制情況，對設備性能和可靠性方面的設計技術進行了總結分析。

關鍵詞CAN總線; 分布式采集系統; 可靠性

Class NumberTK424.3

1引言

船舶動力信息系統采用數字化體系結構，能夠提高了全船機電部門的自動化水平，減少機電部門工人人數和設備體積重量，從而在有限的負載中裝載更多的乘員或貨物。若要提高自動化水平，需要向動力裝置的操縱人員提供更多的整個動力裝置運行的過程參數、數據和信息。依據自動控制系統發展趨勢，船舶動力裝置信息系統將向數字化監控系統方向發展，其主要特點是：采用雙層網，第一層為現場總線網，負責數據采集與傳送；第二層為高速信息網，負責數據信息和控制信息的傳送。雙層網中間分為現場控制層、過程監控層、運行管理層三個層次。大部分的測量參數被現場信息集成裝置在就地采集轉換為數字量傳輸到現場總線網；過程監控層將從現場總線網上的信息收集整理后傳輸到高速信息網上，用于顯示和存儲。新型船舶動力裝置綜合控制系統是一個面向復雜應用的多傳感器、多信號來源的控制系統。整個網上傳輸的信息特點為信息種類多、信息容量大、要求信息處理速度快、可靠性高，必須對其進行有效的自動處理，即對數據自動獲取、分析、綜合、過濾、融合，最終得出準確結論，供運行人員使用。

2系統架構

本文的船舶動力信息采集管理系統設計中采用功能方法樹的方法，按信息采集功能自頂向下進行分解。

1) 現場控制層；

2) 過程監控層；

3) 運行管理層。

各網絡層次的功能模型和關系如圖1所示。

圖1　系統網絡層次圖

各層次之間的信息量是不同的，運行管理層的信息量是最大的，而設備不是很多，需要高速網絡支持。現場控制層的信息量不大，但現場設備較多，需要實時性較好網絡支持。過程監控層是連接這兩種網絡的中間設備，同時具備兩種網絡的接口。

運行管理層由主干網和相應設備組成，現場控制層由現場總線和現場信息采集和控制設備組成，過程監控層的設備處于兩個網絡中間，是兩個網絡進行數據交換的設備。

主干網上需要傳輸整個船舶動力信息系統中所有的參數和設備工作狀態信息，信息傳輸的實時性、可靠性由上層網保證。

3現場總線原理

3.1幾種常見現場總線

現場總線技術起源于歐洲，目前以歐美地區最為發達。經過十余年的發展、競爭和完善，目前有生命力的總線有十多種，下面是幾種典型的現場總線。

1) 基金會現場總線

FF是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。FF是符合IEC現場總線國際標準。它以ISO/OSI開放系統互聯模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層增加了用戶層。FF開發的現場總線產品在品種與性能上都滿足過程控制的要求，而且使用方便，H1(低速現場總線技術，Hl=31.25Kbps)已經完成，H2(高速現場總線技術，H2=1Mbps和2.5Mbps)正在開發之中。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。

2) LonWorks

由美國Echelon公司和摩托羅拉，東芝公司創建。采用ISO/OSI“模型的七層通訊協議”，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，通信速率從300bps到1. SMbps不等。直接通信距離可達2700m;支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線，電力線等多種通信介質，并開發了相應的本質安全防爆產品，被譽為通用控制網絡。它適用各種不同的應用領域，廣泛應用于航空、航天、樓宇自動化、能源管理、工廠自動化、農業控制、家庭自動化等領域。

3) PROFIBUS

PROFIBUS是德國國家標準DIN19254及歐洲標準EN50170，由PROFIBUS-DP,PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-PA組成。DP用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動化領域的應用。FMS意為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化等。PA適用于過程自動化的總線類型。后來，PROFIBUS與以太網相結合，提出了ProfiNet解決方案，并逐漸取代了PROF工BUS-FMS位置。PROFIBUS采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層，FMS還采用了應用層，傳輸速率為9. 66ps-12Mbps，傳輸介質是雙絞線或光纜。最多可掛接127個節點。

4) CAN總線(Control Area. Network)

CAN總線是控制器局域網的簡稱。由德國Bosch公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信，它廣泛用于離散控制領域。CAN協議也是建立在ISO/OSI模型基礎上。模型結構只有兩層，即只取OSI底層的物理層和數據鏈路層。傳輸介質為雙絞線。通信速率可達1Mbps/40m。可掛接110個設備。CAN總線采用短幀結構，抗干擾能力強，支持多主通信和優先級通信，并采用非破壞性總線仲裁技術。

基于CAN總線和船舶環境的特性，在數字化的船舶動力信息采集管理系統中擬采用CAN總線技術的現場總線標準。

3.2CAN總線原理

CAN的通信介質訪問為帶有優先級的CSMA/CA。采用多主競爭方式結構：網絡上任意節點均可以在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息，而不分主從，即當發現總線空閑時，各個節點都有權使用網絡。在發生沖突時，采用非破壞性總線優先仲裁技術：當幾個節點同時向網絡發送消息時，運用逐位仲裁原則，借助幀中開始部分的表示符，優先級低的節點主動停止發送數據，而優先級高的節點可不受影響的繼續發送信息，從而有效地避免了總線沖突，使信息和時間均無損失。例如，規定0的優先級高，在節點發送信息時，CAN總線作與運算。每個節點都是邊發送信息邊檢測網絡狀態，當某一個節點發送1而檢測到0時，此節點知道有更高優先級的信息在發送，它就停止發送信息，直到再一次檢測到網絡空閑。

CAN的傳輸信號采用短幀結構(有效數據最多為8個字節)，和帶優先級的CSMA/CA通信介質訪問控制方式，對高優先級的通信請求來說，在1Mbps通信速率時，最長的等待時間為0.15ms，完全可以滿足現場控制的實時性要求。CAN突出的差錯檢驗機理，如5種錯誤檢測、出錯標定和故障界定；CAN傳輸信號為短幀結構，因而傳輸時間短，受干擾概率低。這些保證了出錯率極低，剩余錯誤概率為報文出錯率的4.7×10-11。另外，CAN節點在嚴重錯誤的情況下，具有自動關閉輸出的功能，以使總線上其它節點的操作不受其影響。因此，CAN具有高可靠性。

CAN采用位仲裁方式訪問網絡總線，當采用11位標識符時就有211種數據幀，也就有2048種優先權。但為了網絡上其它CAN器件兼容的緣故，不允許出現1111111xxxx(x為1或0)這樣的標識符ID，于是只剩211-24=2048種ID，也就是2032種數據幀。當采用29位標識符時，理論上就有229種數據幀。但為了保證信號的穩定、有效以及實時處理能力，CAN的實際結點數只能達到110個。但在控制網絡中使用的節點數遠遠小于這個數目。

CAN很明顯地每個報文都帶有優先權，11位的ID號將使報文有2032種優先權，由此可見兩者都有很好的實時處理能力，不會因為網絡沖突而導致緊急信息不能及時發送出去。

由上所述，CAN適用于實時性要求高的系統。

4信息采集方案研究

本節將介紹一種分布式多任務信息采集管理方案。

圖2　CAN總線分布式信息采集方案示意圖

分布式采集方案中的信息采集設備主機主要由三組總線數據采集模塊、數據處理模塊、電源模塊、管理模塊等組成。

總線采集板其主要工作原理是：接口機箱采集的重要參數按類型分為：模擬量采集模塊和開關量采集模塊。模擬量采集模塊和開關量采集模塊均為獨立的嵌入式數據采集模塊，按照信號類型將這些模塊組成。

獨立的總線采集子網，其他設備傳輸來的其他信號組成另外的子網，數據采集主機也分為多個總線采集模塊分別與這些子網通信，將采集的數據發送至主機中的接收模塊，接收模塊再通過高速容錯計算機內的高速通信接口傳輸給主機中的數據處理模塊，之后就將數據打包發送給其他需要顯示、報警、處理和存儲設備。

由圖2可看出，本分布式信息采集方案為冗余CAN總線設計架構，其優點如下：

1)通過信號采集板直接獲取船舶動力運行的現場數據，然后用CAN總線發送到數據采集主機的多機并行處理平臺進行處理、分析、輸出，能夠對船舶動力系統監控系統的參數進行安全可靠的采集、處理、傳送，將采集的參數發送到存儲裝置儲存、發送到顯示終端顯示，數據采集主機的集成也減小了船舶動力監控系統的體積。

2)采用多機并行處理和全冗余設計，當互為冗余的兩個模塊中的一個模塊出現故障時，自動快速切換到另一個模塊，仍然能正常工作，確保不丟失數據，能夠有效抵抗干擾和減少故障的發生，提高船舶動力信息采集的可靠性和可擴展性，長期、穩定、高效的進行數據采集處理的工作。

3)采用分布式CAN結構，將采集功能分散到各個功能模塊上，系統設置比較靈活，功能完善，提高了數據采集的通用性。

4.1CAN總線節點設計

由于信息采集各個從機分布在不同的船艙，從機節點數量多、信息數量有多有少，根據從機的信息數量和節點距離，并適當考慮冗余，將信息采集處理系統中的CAN總線設計為三個CAN總線子網，將CAN總線分為250kbps速率1條和125kbps速率2條。數據量大、距離近的節點連接到速率為250kbps總線上；將距離遠，信息量較小的節點連接到速率為125kbps總線上，每個子網節點數量約為30個節點，這樣能使CAN總線上保持適當負載，節點數量收到控制，能有效保證各個節點之間及時通信，避免總線上的擁堵和錯誤。

4.2采集協議研究

為了協調整個信息采集系統內部的信息傳輸，使得整個信息采集系統能高效、可靠的工作，需要制定信息采集系統內部應用層協議。整個協議包括數據格式協議、CAN總線數據幀協議。

嵌入式系統的數據格式不僅直接影響數據處理精度，而且間接影響數據處理和傳輸的速度，數據處理精度提高，就需要增加額外的資源開銷，例如：若采用浮點數表示將至少采用四個字節，而且浮點數據在不同編譯環境和運行環境中的浮點數據表示都不一致，在數據通信中就必需增加CPU開銷進行數據轉換。每個數據采用字節若采用4字節傳輸，也將增加通信上的開銷，而且，數據通信數量越大通信開銷越大。

為了減少資源開銷，便于程序處理和判讀，對數據進行編碼是很有必要的。在數據采集協議中，每路模擬量用2個字節表示，把采集到的4mA～20mA變為0～20000的整數(是16位的整數，而不是BCD碼，占用空間為2個字節)，可以認為是將4mA～20mA的電流放大1000倍后取整，這樣在系統中傳輸，將減少不必要的數據轉換時間和數據存儲空間，便于資源較為緊張的嵌入式系統使用和處理。

4.3分布式數據采集硬件冗余設計

本船舶動力信息采集系統在硬件設計中，充分考慮了系統可靠性問題。采集對象和采集主體均為分布式布置。采集主機包含冗余的CAN總線模塊，冗余的數據處理模塊，冗余的CAN通道，冗余的交換管理模塊以及冗余的電源等元件。多機并行處理和冗余設計有效的抵抗干擾和減少故障，提高可靠性和可擴展性，減小船舶動力信息采集管理系統的體積；采用分布式CAN結構，系統設置也比較靈活。經過試驗測試驗證，此項技術成功運行，提高了數據采集系統的技術指標。

4.4數據采集處理軟件技術

本船舶動力信息采集系統采用了分布式冗余設計的硬件，對軟件設計提出了要求。在研究過程中，成功解決了管理模塊軟件、數據處理模塊軟件、總線采集模塊軟件、電流采集模塊軟件、電阻采集模塊軟件等軟件技術問題。尤其是管理模塊軟件。本采集系統主機采用可靠性非常高的ATCA并行計算的架構，ATCA是基于模塊化結構的、兼容的、并可擴展的硬件構架。在此硬件平臺上采用的是高可靠的操作系統，操作系統上面是滿足高可靠性的中間件，系統管理總線也是冗余方式確保在一條總線故障情況下，管理信息仍正常傳遞。因此，數據采集裝置的高可靠性采集任務，通過分布式高可靠的冗余的軟件設計方式實現。

5性能分析

本船舶動力信息采集系統將數據采集頻率定為每0.25s采集一次。根據設備的組成，在0.25s內數據采集需完成的任務是：完成三個冗余CAN總線采集子網的采集工作并將數據利用內部高速傳輸通道到數據處理板；數據處理板完成所有參數的信號處理工作，用以太網將數據發送到各個設備，每個CAN總線采集子網獨立完成數據采集工作，因此，CAN總線上傳輸的數據越多延時將會越大。因此，總線上的數據傳輸間隔時間是數據采集的主要延時，這個延時必需小于0.25s。

由于1#子網的數據量最大，因此以1#子網的數據傳輸來進行分析。

1#子網需要采集的方式為：320路模擬量信號，分為20個節點，每個節點采集16路信號，每個節點需要傳輸8幀；480路開關量，分為10個節點，每個節點轉換48位開關量，需要傳輸3幀。傳輸速率為250kbps，每一幀采用標準幀需要13個字節，共有104位，因此，可以計算出模擬量傳輸需要時間為

T模擬量=(13×8×8×20)/(250×1000)≈0.067s

開關量傳輸時間約為

T開關量=(13×8×3×10)/(250×1000)≈0.012s

傳輸總延時約為0.08s，小于0.25s的傳輸要求。

6結論

本研究課題采用分布式采集方案，利用高可靠分布式信息采集系統，將采集功能分散到各個功能板上，系統構成靈活，功能完善，其關鍵技術已經取得突破。可大大提高各參數采集和信號轉換設備的通用性，減少備件數量，縮短安裝或調試周期。

參 考 文 獻

[1] 邵裕森.過程控制工程(第二版)[M].北京：機械出版社,2000.

[2] 雷霖.現場總線控制網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2004:266-267

[3] 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN 原理與應用技術(第一版)[M].北京航空航天大學出版社,2003(6).

[4] 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,1996.

[5] 尹曉方.CAN智能節點的設計[J].國外電子元件,2004,9(3)：12-17.

[6] 田帥帥.基于CAN總線的測量系統通信網絡的設計[D].太原：中北大學,2011.

[7] 方曉柯.現場總線網絡技術的研究[D].沈陽：東北大學,2005.

Ship Information Distributed Acquisition and Management Technology Based on Field Bus

YU Fangwei

(Navy Representative Office in 719th Research Institute, Wuhan430205)

AbstractThis paper specified the reseach method and process of kind of distributed acquisition system based on CAN bus. The reseach achievement was also specified in this paper. The distributed acquisition system was carried out in the shape of data acquisition device. In the paper we have given a list of design reports, manufacture reports and test reports of the data acquisition device, and analyzed its system architecture and implementation strategy in detail. We have also researched distributed multitask imformation management technology in the point of hardware and software, and researched the communication protocol and the format of the CAN data frame. The adaptability and reliability of the data acquisition device was also analyzed in this paper, with the experimental verification provided too.

Key WordsCAN Bus, distributed acquisition system, reliability

*收稿日期:2015年12月11日,修回日期:2016年1月17日

作者簡介:余方偉，男，工程師，研究方向：控制技術。

中圖分類號TK424.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.023