舰船安全监控系统通用型CAN总线通讯模块设计

洪晔，李海平，李崇

(中国舰船重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)



舰船安全监控系统通用型CAN总线通讯模块设计

洪晔，李海平，李崇

(中国舰船重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)

针对舰船安全监控中探测器种类多、布点分散、工作环境恶劣、作业温度跨度大、传输距离远、电磁干扰强的问题，设计CAN总线通信模块的硬件、软件及通信协议，实现各探测器及外部设备与上位机的通信功能，通信节点抗干扰能力强、可靠性高。

安全监控系统；CAN总线通信模块；CAN总线通信协议

随着现代海军装备技术的不断发展及作战模式的复杂化，大型舰船用途不断扩充、配套装备技术持续发展，需要携带大量的喷气燃料等易燃易爆的危险物品。喷气燃料容易挥发，其油气与空气混合便会形成可燃性气体，当气体达到一定体积分数时，遇明火就会引起燃烧和爆炸。

为了保证生命和财产的安全，需对这种易燃易爆气体进行连续监测并实时控制，适时发出声光报警提示。根据可燃气体爆炸因素所设计的安全监控设备，应同时监测可燃气体、氧气、二氧化碳等体积分数监测及温度、湿度等信息监测，并能够控制通风系统等外部设备。大型舰船舱室数量众多，安全监控节点需求量较大，安全监控系统对通信节点可靠性要求较高，且探测器种类多、布点分散、工作环境恶劣、作业温度跨度大、传输距离远、电磁干扰强。针对以上问题，介绍通信节点选用CAN总线通讯方式。

CAN总线属于总线式串行通信网络，与一般的通信总线相比，性能突出，具有可靠性、实时性和灵活性。CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术，可节省总线冲突仲裁时间；CAN通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送接收数据，无需专门调度；其直接通信距离最远可达10 km；采用短帧格式，传输时间短、受干扰率低；CAN通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活[1-2]。

1 硬件设计

1.1 通用型CAN总线通信模块设计

某大型舰船安全监控系统中探测器种类较多，将探测器按照功能模块进行划分，见图1。各种类探测器包括探头和探身2部分，探头输出传感器信号，探身按功能模块分为信号调理模块和CAN总线通信模块。信号调理模块，将不同功能传感器的信号调理归一化处理；CAN总线通信模块，进行AD转换、现场显示和信息上传[3]。系统各探测器采用通用的CAN总线通信模块，简化了设计、方便调试维修。

CAN总线通信模块中的微处理器担负数据处理、现场显示、数据通信等功能，其作为探测器的核心部件，直接影响到数据的精度、现场显示，以及数据的传输，微处理器选用silicon labs公司具有CAN控制器的C8051F040芯片。

由于通信需求，CAN总线通信模块设计了CAN通信接口电路；电路板空间有限，为了减少IO驱动，缩小占用空间，现场显示采用SPI总线形式送显。如图2所示，CAN总线通信模块包括微处理器、电源转换电路、看门狗复位电路、电压基准电路、SPI送显电路、外部振荡器驱动电路、CAN通信接口电路、拨码盘电路，以及A/D转换输入接口保护电路。

1.2 部分电路设计

SPI送显电路原理图2所示，指令经SPI总线将由CPU传输至共阴极显示驱动器MAX6950，进而驱动3个共阴极数码管，完成探测器现场显示。

CAN通信接口电路采用ADuM1201隔离芯片实现了CAN总线通讯节点与外部接线的光耦隔离[4-5]，如图3所示。

2 CAN总线通讯信议

该CAN通信节点在各种类探测器之间具有通用性，CAN总线通信协议要同时满足可燃气体、氧气、二氧化碳、温度、湿度以及外部设备的所有通用要求。

CAN总线通信协议设置命令包括设置广播周期、设置模块类型、设置CAN节点地址、设置CAN节点波特率、设置平滑系数、设置防抖系数、读/写模块输入/输出、设置通道状态、设置传感器类型等。

该CAN总线通信协议主要针对帧格式包括标识符和数据区及具体的命令功能进行定义。

2.1 11位标识符的定义

CAN总线通信协议中对11位标识符的定义见表1，每个区域带载为20～30个探测器，因此，从站地址需占用5位；主站地址占用1位；在本应用为一主对多从的架构，但只涉及到主站和从站之间的通信，从站之间无需信息交流，因此通信方向占用1位；读写标志位占用1位；安全监控系统中探测器5种，另有外设控制模块1种，预留2个可扩展种类，共需8个，因此探测器种类占用3位。

表1 11位标识符的定义

2.2 8字节数据区的定义

CAN总线通信协议中8字节数据区包括数据区、命令功能码、功能类型和通道号标识几部分，见表2。

表2 数据1～8字节的定义

数据区存储各探测器得到的体积分数值；命令功能码表示相应控制命令；在系统通讯中涉及到AI,AO,DI,DO功能操作，因此功能类型对探测器操作进行设置；通道号表示该次操作所对应的通道。

3 CAN总线通信节点软件设计

CAN总线通信模块微处理器的软件包括数据处理、现场显示、数据通信等几个功能。其工作流程见图4。

本程序CAN总线通讯采用应答模式。CAN总线通讯模块数据通讯流程如图5所示。

设置单片机CAN接收通道为1通道，发送通道为2通道，波特率为50 kb/s。通过对报文筛选器预定义，决定某节点接收哪些报文。报文接收筛选器由接收码寄存器和接收屏蔽寄存器组成，接收码寄存器规定了拟接收报文中参与筛选比较的各位(即标识符)必须匹配的值，而接收屏蔽寄存器则将接收码寄存器中的某些位屏蔽为无关位，对应无关位的标识符位不参加筛选[6]。

当上位机发送一帧CAN帧的特定内容至探测器，每个探测器的微处理器中的CAN控制器监听接收总线上的所有报文，探测器对此数据帧的ID和内容进行仲裁，此时通过CAN控制器中报文筛选器对其进行筛选，若2项内容均匹配，该报文才能进入CAN的报文接收缓冲区，起CAN中断[7-8]。引进入中断程序后，接受数据标志位清零，为下次接受数据帧做好准备。之后向上位机发送一帧代表浓度值或控制反馈信息的数据。

4 结论

通用型CAN总线通信模块及其配套的CAN总线通信协议能够满足大型舰船安全监控系统监测组分多、布点分散、传输距离远、抗干扰能力强、可靠性高的任务需求。该CAN通讯节点具有通用性强，通讯实时性好，远距离、大数据量传输可靠性高，抗干扰能力强等优点，符合现代大型舰船安全监控的技术发展趋势。

[1] 史久根,张培仁,陈真勇．CAN现场总线系统[M]．北京:国防工业出版社,2004．

[2] 杜尚丰,曹晓钟,徐津．CAN总线测控技术及其应用[M]．北京:电子工业出版社,2007．

[3] 洪晔,黄岩平,张玉广,等.舰用防爆型氧气探测器的温度补偿方法[J].舰船科学技术,2010(11):118-121,150.

[4] 薛大为.基于SJA1000的CAN总线通讯模块的实现[J].自动化与仪器仪表,2008(2):54-56,81.

[5] 曾友洲,胡莹,曾伟一.基于CAN总线通讯模块的设计与实现[J].成都航空职业技术学院学报,2006(4):39-42.

[6] Robert Bosch Gmbh．CAN Specification[EB/OL]．[1995-04-05]．http://www.elecfans.com/soft/162/2008/200809128554.html．

[7] PLUMMER C, ROOS P, STAGNARO L．CAN bus as a spacecraft onboard bus[M]．Euro- pean Space Agency, 2003．

[8] 邬宽明．现场总线技术应用选编：上册[M]．北京:北京航空航天大学出版社,1996．

Design of General CAN Bus Communication Module on Ship Safety Monitoring and Control System

HONG Ye, LI Hai-ping, LI Chong

(No.718 Research Institute of CSIC, Handan Hebei 056027, China)

The CAN bus communication module, including hardware, software and the communication protocol was designed in order to solve the problems of multi-type of detectors, stationing scattered, bad work environment, big work environment, long transmission distance, strong electromagnetic interference problems. The communication function between the detectors and the upper machines was completed. The communication module has strong anti-jamming and high reliability.

safety monitoring system; CAN bus communication module; CAN bus communication protocol

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.022

2017-01-08

国家部委基金资助项目

洪晔(1986—)，女，硕士，工程师

研究方向：分析仪器

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0098-04

修回日期：2017-03-20