CAN总线冗余的船舶监控系统设计方案

针对我国造船业的发展现状和现有系统中存在的一些问题，提出一种基于冗余CAN总线设计的船舶监控系统。通过对CAN收发器的冗余，实现CAN总线物理层上的冗余，并在CAN总线上增加保护电路，最大可能地保证通信的可靠性。针对模拟通道的抗干扰设计方法，提出隔离式模拟量测量模块的设计方法。

关键词 模拟量隔离 CAN总线冗余设计 船舶监控系统 MC9S080Z16 TJA1050T

引言

　　近年来，我国的造船业取得了飞跃性的发展。据船舶工业统计快报报道，2007年，中国造船完工量1893万载重吨，比上年增长30%；新承接船舶订单9845万载重吨，比上年增长132%。随着自动化水平的提高，大大小小的船舶都安装了监控系统。目前船舶自动监测系统主要有主从分布式控制、集散式控制等，但这些控制方式都存在系统结构复杂、控制集中等缺点。本监控系统采用了冗余CAN总线设计船舱自动监测系统，将传统分布式监控系统中的控制功能下放到现场监控单元中，由分布于现场的各监控单元完成数据采集、处理、控制运算、输出等工作。与上位机的信息交互通过现场总线进行。在计算机中以文字、列表、曲线等形式显示现场的数据、变化趋势、故障情况和报警状态，为管理人员的操作提供可靠、准确的实时信息，从而实现实时监控。基于这种方式的监控系统是船舶自动监控系统的重要发展方向。

1 系统工作原理及功能

　　系统整体结构框图如图1所示，模拟量输入板卡和数字量输入板卡通过接插件连接到主控制器板上，由主控制器完成对数据的采集与转换。主控制器将数据打包，发送到其他CAN节点，同时接收并解析其他节点发送来的数据，完成对现场模块的控制。模拟量输入板卡主要是对外部模拟信号进行滤波、隔离、调理，滤波后变成一个适合于单片机进行采样的模拟电压。其采集的模拟信号主要有两种类型： 0~10 V的模拟电压信号和4~20 mA的电流信号。这是工业现场中最常用的模拟信号。数字量输入板卡主要采集外部开关量信号，完成开关量的隔离、滤波，然后送到主控制器完成对数字量的采集。其中模拟量的隔离输入和冗余的CAN总线，是本设计比现有的一些基于现场总线的监控产品的先进之处。

图1 系统结构框图

2 硬件电路设计

2.1 主控制器选择

　　为了减少外部器件，提高系统的稳定性，主控制器选用带有片内A/D和CAN控制器的MC9S08DZ16。该单片机是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位单片机；基于HCS08内核，最高运行时钟频率为40 MHz，最多支持32个优先级；内部集成有16 KB Flash存储器，1 KB SRAM、512 B在线可编程EEPROM、1个12位的A/D转换器，多种节电模式以及2种超低功耗停止模式，同时内部集成CAN2.0 A/B控制器以及多种标准串行接口。

2.2 CAN总线的电气保护

　　船舶机舱中工况条件十分恶劣，各种电磁干扰对物理链路及数据链路的正常工作都有严重的影响。这些对控制系统是极大的威胁，非常容易导致系统瘫痪。为了最大程度地保证网络系统正常工作，采取了以下两种措施：第一种措施是电气隔离。通信电缆是网络系统中受干扰最大的部分，而且各种干扰也极容易顺通信电缆进入系统，从而引起系统的工作不正常。为了切断这条干扰途径，保护CAN控制器，在CAN控制器与收发器之间增加了6N137，以进行光电隔离。

　　第二种措施是在总线上增加保护器件。当发生雷击或其他强烈干扰时，巨大的能量如果来不及泄放，就会损坏收发器。为了防止干扰对收发器的损坏，增加了防雷管和TVS作总线保护。当受到雷击时，并接在总线上的防雷管能将能量泄放掉。但是一般情况下，防雷管的反应速度慢，钳位电压高（约为800 V），因此本设计中，在防雷管后增加了TVS和PTC电阻。TVS能够将总线的压差钳制在6.8 V以下，这样当受到干扰时，TVS能较快地起到保护作用；而PTC电阻能保护收发器免受过流的冲击。在CAN H和CAN L与地之间各自接一个30 pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射的作用。CAN收发器电气保护原理如图2所示。

图2 CAN收发器电气保护原理

2.3 冗余CAN总线设计

　　虽然在设计时对CAN收发器采取了一些保护措施，但是在船舶机舱的电缆受拉、压、砸、挤等而造成故障的情况却很多，这就不是电气保护所能解决的了。因此，为了降低此类风险以及各种原因引起的收发器的电气损坏，最有效的方法就是实现CAN通信网络的冗余。

　　在总线冗余处理上，可使用两套总线，每一套都包含有完整的总线电缆、总线驱动器和总线控制器，或将总线控制器与CPU集成于一体的MCU。实现冗余有两种方法： 一种是后备方式，即一套运行，另一套“休眠”备用，当运行总线发生故障时，启用备用总线；另一种是同时运行方式，如果其中一套发生故障，另一套仍能维持系统的正常运行。这两种方法的优点是同时实现了物理介质、物理层及数据链路层甚至应用层的全面冗余，因此，可以称之为“全面冗余方法”。但全面冗余方法存在着某些不足之处，例如由于节点对系统的构成不敏感，因此，后备方式发现总线开路故障的能力和实时性较差，而同时运行方式下两路同时工作功耗大，且数据链路的冗余较为复杂。本设计使用一种介于两种方法之间的物理冗余技术。物理链路的冗余使用2条总线电缆和2个总线驱动器，且在总线控制器与2个总线驱动器之间增加了一个判断电路