CAN总线技术在船舶气象仪中的应用

CAN总线技术在船舶气象仪中的应用刘伯峰1李磊2王建晓3王平3李春立3（1.中国人民海军驻青岛造船厂军事代表室，山东青岛，266001；2.中国海洋大学，山东青岛266001；3.山东省科学院海洋仪器仪表研究所山东青岛266001）摘要：随着我国国力的增强，海洋经济及沿海地区的经济和人口都有了更大的发展，海洋气象灾害的监测技术随之取得了巨大的提升。船舶气象仪作为重要的海洋气象监测手段，其相关技术、设备也都有了新的发展，但是其可维护性不高等的问题越来越突出，这些问题亟待解决。CAN总线技术在船舶气象仪中的广泛应用，将有效解决这些问题，并将为海洋气象监测技术注入新的活力，为我国经济及社会发展作出贡献。关键词：CAN总线船舶气象仪应用ApplicationofCANBusTechnologyinTheShipMeteorologicalInstrumentLiuBofeng1，LiLei2，WangJianxiao3，WangPing3，LiChunli3（1.NavyRepresentativeRoominQingdaoShipyard;2.OceanUniversityofChina;3.InstituteofOceanographicInstrumentation,ShandongAcademyofSciences，Qingdao，266001，)Abstract:FollowtheenhanceofChina'snationalpower,themarineeconomyandlittoraleconomyhavebeenfurtherdeveloped,Atthesametime,themonitoringtechnologyinmeteorologicaldamagetotheoceanhasbeenalsorapidenhancedverymuch.ThemeteorologicaldeviceofShippinghasbecomeanimportantmeansofmonitoring,itscorrelativetechnologyandequipmenthasalsobeenfurtherdeveloped,butthesometechnicalquestionsbecomealsomoreandmoreevident,suchasthemaintainabilityisnothigh,etc,Sothesetechnicalquestionsmustbesolvedatonce.CANbustechnologieswillsolvethesequestionseffectivelybasedonthecomprehensiveapplicationinthemeteorologicaldeviceofShipping.Simultaneously,itwillinjectthefreshenergyinthedevelopmentinmonitoringmeansofmarinemeteorology,andwillalsomadeimportantcontributionstodevelopmentineconomicandsociallife.Keywords:CANBus,TheShipMeteorologicalInstrument,Application1.引言随着我国国力的增强，海洋经济及沿海地区的经济和人口都有了更大的发展，海洋气象灾害的监测技术随之取得了巨大的提升。船舶气象仪作为重要的海洋气象监测手段，其相关技术、设备也都有了新的发展，但是其可维护性不高等的问题越来越突出，这些问题亟待解决。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的飞速发展，以全数字式现场总线技术为代表的现场控制仪表、设备大量应用，使得传统的现场控制技术及现场控制设备发生了巨大的变化。繁琐的现场连线被单一、简洁的现场总线网络所替代，系统设计灵活、设备维护简单，信号传输质量也大幅提高。将CAN总线技术引入到船舶气象仪中，将彻底改变现有船舶气象仪的可维护性不高的面貌，分布式控制系统完全取代了集中式控制系统，在众多具有CAN功能的控制器、传感器和执行器的支持下，繁琐的现场连线被单一、简洁的现场总线网络所替代，系统设计更加灵活、信号传输质量也大幅提高。2.CAN总线技术简介2.1CAN的物理特性[3]（1）．拓扑结构。CAN在物理结构上属于总线式通信网络。（2）．机械参数及传输介质。模块通过一个9针的D型插头连接到CAN总线上。总线采用屏蔽的或非屏蔽的双绞线，用光纤更佳。（3）．电气参数及信号表示。总线上的数据采用不归零编码方式（NRZ），可具有两种互补的逻辑值之一：显性及隐性。CAN总线中各节点使用相同的位速率。它的每位时间由同步段、传播段、相位缓冲段1以及相位缓冲段2组成。发送器在同步段前改变输出的位数值，接受器在两个相位缓冲段间采样输入位值，而两个相位缓冲段长度可自由调节，以保证采样的可靠性。另外，CAN总线采用时钟同步技术来保证通讯的同步。2．2CAN协议CAN总线以报文为单位进行信息交换，报文中含有标示符（ID），它既描述了数据的含义又表明了报文的优先权。CAN总线上的各个协点都可主动发送数据。当同时有两个或两个以上的节点发送报文时，CAN控制器采用ID进行仲裁。ID控制节点对总线的访问。发送具有最高优先权报文的节点获得总线的使用权，其他节点自动停止发送，总线空闲后，这些节点将自动重发报文。2.2.1CAN协议分层结构CAN总线规范规定了任意两个节点之间的兼容性。包括电气特件利数据解释协议。CAN协议可分为：目标层、传送层、物理层。其中目标层和传送层包括了ISO/OSI定义的数据链路的所有功能。目标层的功能包括：确认要发送的信息；位应用层提供接口。传送层功能包括：数据帧组织：总线仲裁：检错、错误报告、错误处理。2.2．2CAN通信协议【1】CAN支持四类信息帧类型。（1）数据帧CAN协议有两种数据帧类型标准2.0A和标准2.0B。两者本质的不同在于ID的长度不同。在2.0A类型中，ID的长度为ll位；在2.0B类型中ID为29位。（2）远程帧接受数据的节点可通过发远程帧请求源节点发送数据。它由6个域组成：帧起始、仲裁域、控制域、校验域、应答域、帧结束。（3）错误指示帧由错误标志和错误分界两个域组成。接收节点发现总线上的报文有误时，将自动发出“活动错误标志”其他节点检测到活动错误标志后发送“错误认可标志”。（4）超载帧由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧结束后开始。当接收方接收下一帧之前，需要过多的时间处理当前的数据，或在帧问空隙域检测到显性电平时，则导致发送超载帧。2.2.3错误检验为了提高抗干扰能力和数据的可靠性，采取了多种错误检测手段：发送监视、填充监视、CRC错、格式错、应答错误等。2.2.4总线访问控制要做到数据的实时处理，数据的高速传输是关键。对于工程机械中的具体节点而言，不仅需要高达1Mbit/s的通信速率，更需要在几个节点要竞争访问总线时正确定位哪个节点获得使用权。总线上的各种数据的延迟要求是不一样的，快速变化的物理量（如发送机的转速、路面的随机波动信号等）比慢时变的物理量（如温度、压力等信号）要求访问总线的频率大的多。当多个节点同时需要访问总线时，CAN控制器通过各种报文被赋予的优先权标示符及ID数的大小来仲裁谁先发送。2.3CAN总线技术的应用特点2.3.1CAN总线技术的应用特点（1）CAN网络上任何一节点均可作为主结点主动地与其他节点交换数据，大大提高系统的性能。（2）CAN网络节点的信息帧可分出优先级，且单帧字节长度短，有很好的实时性。（3）CAN的物理层及数据链路层采用独特的设计技术，使其在抗干扰，错误监测能力等方面的性能均超过其他总线。（4）CAN的通信速率相当高。当网络线的长度不超过40米时，其通信速率可达1Mbit/s。（5）CAN总线每帧数据都含有CRC校验及其他校验措施，数据出错率低。（6）CAN总线节点在严重错误的情况下，可自动切断与总线的通信联系，以使总线上的其他操作不受影响。（7）CAN总线受到众多的半导体厂商的支持。目前生产支持CAN协议器件的公司有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百余家国际著名公司。3.基于传统信息集成系统的船舶气象仪目前使用中的船舶气象仪一般采用一种传统的信息集成系统，其系统图如图1所示。其主要缺点有：信息集成能力不强；系统不开放、可集成性差、专业性不强；可靠性不易保证；可维护性不高。数据处理系统用户系统航速航向信息源气压传感器温湿度传感器测风传感器导航系统显示器图1传统船舶气象仪4.CAN在船舶气象仪中的应用[2]采用CAN总线技术后的船舶气象仪，其系统图如图2所示。其主要优点有：增加了现场级信息集成能力；系统可靠性高、可维护性好；降低了成本。现场总线现场总线现场总线现场总线显示器导航系统测风传感器温湿度传感器气压传感器航速航向信息源用户系统数据处理系统图2应用CAN总线技术的船舶气象仪5、结束语CAN总线技术在船舶气象仪中的广泛应用，必将为海洋气象监测技术注入新的活力，为我国经济及社会发展作出贡献。参考文献[1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1996．[2]于宏波，宋文杰等.现场总线技术在船舶气象仪系统中的应用[J].山东科学,2005，5.[3]饶运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2003．作者简介刘伯峰：男，中国人民海军驻青岛造船厂军代表，工程师。