基于CAN总线的采集模块在机舱监测系统中的应用研究

摘要

随着信息技术的飞速发展，以现场总线为基础的网络型控制系统已成为船舶自动化领域的发展方向。而CAN总线因为其总线协议的高可靠性、实时性和灵活性及其独特的设计和合理的成本已经成为总线通信网络的首选。CAN总线已被广泛应用于各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN总线。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等领域，CAN总线都具有不可比拟的优越性。基于此，本课题应用CAN总线技术，并在分析了CAN总线2.0B协议的基础上，采用结构化的方法设计了带有CAN总线通信接口的底层数据采集模块，并将其应用于船舶机舱监测系统。 本课题首先介绍了CAN总线的特点及CAN总线技术规范，然后详细阐述了模块的硬件设计和软件开发过程。在硬件方面，首先介绍了机舱监测系统的总体结构和本课题所设计模块的总体结构，然后对核心器件P87C591的管脚功能和CAN功能进行了分析说明，最后以结构化的设计方法设计了模块的CAN总线通信接口电路，模拟量、脉冲量和开关量的调理电路，单片机外围电路，并着重论述了CAN总线接口的冗余设计。在软件方面，完成了CAN总线初始化、发送、接收程序，双CAN总线冗余程序，AD采集程序，数字滤波程序和脉冲量采集程序的设计。另外自行定义和编写了CAN总线应用层协议，使之更加符合本系统的要求和特点，并应用测试软件ZLGCANTest进行了通信测试，测试结果显示底层模块可以与上位机顺利进行通信。 目前，在船舶控制系统中多数是集散型控制系统，而随着船舶控制对象的不断增加和系统增大，它已较难胜任复杂的控制对象。将现场总线CAN应用于船舶控制系统中可以分散简化控制对象，提高系统可靠性。 本课题基于CAN总线的数据采集模块已经进行了厂内调试，运行稳定、采集速度快、通信良好，达到了我们预期的效果，已安装到现场，投入使用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景及意义

1.2机舱监测系统的发展过程与现状

1.3 FCS在机舱监测中的应用

1.3.1 FCS概述

1.3.2 FCS对机舱监测系统的改进

1.4课题主要工作

第2章CAN总线技术及其应用

2.1概述

2.1.1 CAN总线的特点

2.1.2 CAN的前景

2.2 CAN总线的分层结构

2.3.1 CAN总线协议的数据链路层

2.3.2 CAN总线协议的物理层

2.3 CAN技术在机舱自动监测系统中的应用

第3章采集模块硬件设计

3.1系统总体结构

3.2模块硬件总体结构

3.3 CAN总线控制器和驱动器选型

3.3.1带CAN控制器的单片机P87C591

3.3.2 CAN总线驱动器PCA82C250

3.4 CAN总线通信接口电路设计

3.5 CAN总线通信接口冗余设计

3.5.1 CAN总线完全冗余

3.5.2 CAN总线部分冗余

3.5.3 CAN总线冗余设计

3.6数据采集部分电路设计

3.6.1模拟量信号调理电路

3.6.2脉冲量信号调理电路

3.6.3开关量信号调理电路

3.7外围电路部分设计

3.7.1模块电源设计

3.7.2复位和时钟

第4章采集模块软件设计

4.1 CAN总线应用层协议设计

4.1.1 CAN协议2.0B简介

4.1.2本系统应用层协议定义

4.1.3标识符的总体分配

4.1.4主节点询问子节点

4.1.5启动子节点定时发送数据

4.1.6禁止子节点定时发送数据

4.1.7读子节点数据命令

4.2 CAN总线通信程序设计

4.2.1 CAN总线节点初始化程序

4.2.2 CAN总线节点发送程序

4.2.3 CAN总线节点接收程序

4.3 CAN总线冗余程序设计

4.4 AD采集程序设计

4.5数字滤波程序设计

4.6脉冲量采集程序设计

4.7系统主程序设计

第5章通信测试

5.1测试软件ZLGCANTest简介

5.2 CAN通信试验

第6章全文总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录:采集模块电路图