基于CAN总线的封闭舱室大气环境集中监测系统的研究

摘要

潜艇舱室是人员、武备、设备高度集中的密闭空间，随着新型动力的采用，大气的污染已成为影响潜艇水下续航能力的重要因素之一。美国自1962年已将居住性从动力、武备、观通等诸多因素排序最后一位提高到了第二位，居住性的主要内容是大气质量。改善潜艇的居住性，必须采取措施对舱室空气进行净化和治理，对主要气体污染成分进行准确测量是采取净化措施必须首先解决的问题。同时由于潜艇舱室具有空间有限、密闭等特点，特别是在作战状态下，在长时间水下航行，不能浮到水面进行气体和污染物的排放。 当前我国潜艇存在以下缺点和弊端：大气环境分析仪、滤器、智能温和湿度传感器的布置分散，不利于操作人员的管理和操控；报警系统不集中，仪器在发生故障或是气体浓度超标后不能及时反映到操作人员那里，为事故的发生埋下了隐患；不能够对仪器的数据进行管理和存储，不利于操作和管理人员分析仪器的工作规律和大气浓度的对时间的规律，不方便对仪器的调试和数据分析。为了保证潜艇和艇员战斗力、潜艇人员的安全和潜艇潜航能力，在潜艇内部实现基于CAN总线的对大气环境的集中监测管理，在原来的基础上增加数据集中复示功能、故障集中报警功能、数据集中管理、存储和上传功能，是目前我国潜艇自动化发展的当务之急。 本文首先详细阐述潜艇大气监测系统的主要任务、功能模块、总体设计方案以及其对软硬件的要求。大气环境集中监测系统基于现场总线CAN来构建，基于CAN总线来实现各个大气分析仪与主机之间的通讯，通过选择合适的支持CAN总线的相关器件来构建复示仪的硬件系统，然后开发专用的系统软件来实现数据采集、数据保存、数据处理、数据和仪器运行状态显示、故障检测以及实时报警等功能。通过可行性分析得到大气环境集中监测系统的开发在技术上和硬件上均是可行的。 硬件是监测系统的基础和核心部分，课题在实现所有功能的前提下本着低成本的原则对一些重要硬件进行了设计。考虑系统构建成本，开发周期，以及Q系统的实际工作环境状况，系统采用加固计算机来实现集中显示装置。为实现滤器的集中显示和管理，考虑设备的延续性和设备更新的成本和开发周期，设计专门的滤器信息采集单元来完成滤器的信息采集。为方便信号的采集，体现以舱室为单元进行信息采集的设计思想，同时考虑系统布线的方便和美观，开发总线集线器来优化系统的总线拓扑结构。大气监测系统基于CAN总线来构建，底层协议采用CAN2.0B，由于监测系统属于不太复杂CAN总线的控制网络，故采用iCAN协议作为系统的高层协议，在iCAN协议下实现CAN报文的分配，数据的采集和对传感器的控制。 软件系统的开发体现监测系统的优越性，监控显示软件采用LABVIEW图形化编程语言进行开发设计，以ACCESS数据库实现软件的数据库系统。采用模块化设计思路实现监测系统的所有功能。最后经过测试，改进和优化监测系统以满足军方要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题产生的背景和课题意义

1.2国内外技术发展现状

1.3本文主要内容及采用的方法

第2章 大气环境集中监测系统功能及方案设计

2.1设计原则

2.2系统基本组成及功能

2.2.1大气环境集中监测系统的主要任务

2.2.2大气环境集中监测系统的组成

2.2.3主要功能

2.3信息采集方案

2.3.1大气成分信息采集

2.3.2大气环境温、湿度信息的采集

2.3.3滤器信息的采集

2.4采集信息的内容

2.4.1采集大气分析仪的信息内容

2.4.2采集滤器的信息内容

2.4.3采集温湿度仪的信息内容

2.5系统对设备的要求

2.5.1对大气环境集中监测系统的要求

2.5.2对大气分析仪器的要求

2.5.3对温、湿度监测仪的要求

2.5.4对滤器及滤器信息采集单元的要求

2.5.5对总线集线器的要求

2.5.6对集中显示装置的要求

2.5.7系统对电缆的要求

2.5.8对信息采集设备优先等级的要求

2.6可行性分析

第3章 潜艇大气环境集中监测系统硬件设计

3.1集中显示装置

3.1.1概述

3.1.2基本组成及功能

3.1.3集中显示装置加固技术

3.1.4系统对集中显示装置的设计要求

3.2滤器信息采集单元

3.2.1概述

3.2.2基本组成及功能

3.2.3信息采集单元拟达到的基本设计参数

3.2.4系统对滤器信息采集单元的设计要求

3.2.5关键技术

3.2.6主要元器件清单

3.3总线集线器

3.3.1概述

3.3.2基本组成及功能

3.3.3总线集线器的特征

3.3.4系统对总线集线器的设计要求

第4章CAN协议下的接口和帧格式设计

4.1 CAN协议规范简介

4.1.1 CAN-bus的主要特性

4.1.2基于CAN-bus的高层协议

4.1.3 iCAN协议简介

4.2仪器通信接口协议

4.2.1通讯约定

4.2.2通讯内容

4.2.3应用层报文协议

4.2.4 CAN总线通讯物理连接约定

第5章软件系统

5.1概述

5.2软件系统模块

5.2.1登录模块

5.2.2系统总界面

5.2.3报警模块

5.2.4统计显示模块

5.2.5数据采集和控制模块

5.2.6数据库系统

5.2.7生成报表模块

第6章总结

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文