基于CAN总线下船舶通信系统的设计分析

王超轮 王昭 潘利兵 中国船舶重工集团有限公司第七二二研究所

随着现场总线技术的发展，传统船舶自动化的分布式控制系统结构正在向基于CAB总线的控制系统结构转变。通过网络对船舶仪器进行数据采集、信息传递及控制，使各系统共享信息资源，消除部门间信息传递障碍，对实现船舶信息一体化具有重要作用。CAN总线数据新具有实时性和可靠性，是自动化领域的重点研究项目，它能够为数据通信提供有力的技术支持。

1 船舶通信系统概述

1.1 船舶通信系统的功能

船舶通信系统必须具备以下功能:（1）发送和接收船到岸遇险报警，必须使用两个及两个以上的独立设备，每个设备需要具备不同的无线电通信功能。（2）发送和接收船到船遇险报警。（3）发送和接收搜救协调通信信息。（4）发送和接收现场通信信息。（5）发送个接收寻位信号。（6）发送和接收海上安全信息。（7）在船和岸上无线电通信系统和网络间发送和接收通信信息。（8）发送和接收驾驶台之间的通信信息。船舶通信系统的报警方法能够使船舶在遇险时发射求救信号，国际海上人命安全公约签约国需要给遇险船舶和人员提供救援。

1.2 船舶通信系统的协议通讯模式

为了满足船舶通信系统数据传输对实时性的要求，协议多样的通信模式，包括主从方式通信模式和事件触发通信模式。主从方式通信模式指的是由主站发出命令给从站，从站接收命令后给主站发送应答的通信方式，主要负责设备运行状态和热工参数的数据采集。事件触发通信模式主要用于从站向主站发送数据报文，在设备发生故障或运行状态发生异常时发出警报，支持定时发送、循环发送和改变发送信息。

2 通信系统的整体设计

2.1 数据采集模块的设计

罗经数据采集模块的关键部分是Microchip公司生产的dcpic30f系列单片机，这个系列的单片机同时具备了单片机和DSP芯片的优点，罗经数据采集模块需要使用一系列算法，通过地磁场强度推算出其方向，通过软硬磁抵消算法消除其他磁场干扰和自差。所以，此次设计需要选用高性能微处理器进行各项复杂的算法，从而编写数据处理程序。此次设计选用一轴磁阻传感器和两轴磁阻传感器，组成三维磁场强度检测电路，将模拟信号转化为数字信号，通过CAN总线传输到单片机。罗经传感器为了避免磁场干扰，需要让传感器旋转一周，通过算法消除各方向磁场的干扰，再通过自差消除算法减小偏差。

2.2 CAN总线接入模块的设计

此次设计中集成通信装置的CAN通信接口选用Plxtech公司生产的CAN通信适配卡，CAN的无线数据接口选用了周立功公司的无线网卡和RS232串口。无线网络数据通过无线数据模块传到工控机，工控机通过数据协议转换将数据传送到CAN总线，通过CAN总线适配卡将工控机与CAN总线网络连接起来。当无线数据接收无效时，系统不能通过蓝牙接收有效数据，这时系统将自动采用RS232串口接收数据，将CAN总线上的数据传输到本地工作站，防止数据丢失。

2.3 总线接口卡模块的设计

智能PCI总线和CAN适配卡之间的数据传输通过双口RAM实现。此次设计中由AT89S52单片机控制CAN总线控制器的工作方式、工作状态及数据传输。CAN总线接口卡的驱动程序在VB开发环境中访问PCI设备有两种方式:（1）直接访问。在相关软件的支持下，使用VB直接编写访问PCI设备接口函数。（2）间接访问。在VB环境下使用汇编程序编写驱动程序。由于间接访问的方式具有普遍性高、灵活性好的优点，所以，此次设计采用间接访问的方式。

2.4 方位仪舷角测量模块的设计

此次设计采用步进式方位仪，这种方位仪由两个电机和一个高倍镜组成，两个电机由一个单片机芯片带动，通过望远镜搜寻目标。单片机芯片可记录方位仪的角度和方向，精度高且能够通过屏幕实时显示。此次设计采用了SH2024B5步进电机驱动器，这种驱动器由PWM驱动，具有电压范围大、工作效率高、细分数可调的优点。此次设计相电流设定为5档分别为2、5、10、20、40，能够同时满足步距驱动、方位仪转动及对精度的要求。这种方位仪在罗经矫正过程中能够观察陆地目标并确定天体目标位置，还能测量舷角，配合罗经数据模块确定船舶航向和方向，正确判断船舶行进路线。

3 总结

综上所述，基于CAN总线的船舶通信系统的设计已经取得很大进步，但还没有实现模块化和通用化。此次设计基于CAN总线技术，对数据采集模块的设计、CAN总线接入模块的设计、总线接口卡模块的设计、方位仪舷角测量模块的设计进行具体分析。通过以上设计能够在很大程度上解决设备连接问题和数据可靠性问题，这种设计在船舶通信系统中将得到广泛应用。

[1]雷雨.嵌入式船舶通信多功能网关的设计与实现[D].大连海事大学,2016.