基于CAN总线的船舶主推进冗余控制系统

摘要

随着经济全球化的发展，船舶和海运需求稳步增长。十二五规划对我国船舶制造业提出了做大做强的要求，而目前国内造船业形成的“只造壳体，设备进口”的现状与之背道而驰。主推进控制系统作为船舶自动化系统的核心部分，是具有高附加值的船舶配套设备。目前国内的船舶主推进控制系统基本被国外厂家垄断，对船舶主推进控制系统进行研究势在必行。
　　本文旨在研制一套具有自主知识产权的船舶主推进控制系统。首先，本文对比分析了国内外主推进控制系统的研究现状，提出了系统平台热冗余结构和总线完全冗余并行结构，确定了系统硬软件设计方案。其次，搭建了系统硬件平台，建立了系统基于CAN总线的通信网络。最后，对建立的软硬件系统进行实验验证。本文研究的主要内容如下:
　　(1) CAN总线技术。首先对比分析了几种常用的现场总线，得出CAN总线的优势;其次介绍了CAN总线技术的相关规范。
　　(2)系统方案设计。首先对主推进控制系统中PCU、ECS、ACS和BCS操作站的功能进行设计，其次对主推进控制系统的硬件平台架构和平台冗余性进行设计，最后对主推进控制系统的软件结构和总线冗余性进行设计。本文设计的主推进控制系统硬件平台采用热备用的方式，通过232串行总线实现主备控制平台的切换;CAN总线采用完全冗余并行方案，两条总线同时处于工作状态。
　　(3)搭建系统硬件平台。硬件平台主控制器采用STM32F407，系统采用隔离电源供电，冗余CAN总线端口采用隔离收发器和终端电阻分断设计，底层设备I/O处理模块包括模拟量采集电路、模拟量输出电路、开关量输入电路和开关量输出电路。模拟量采集电路采用ADS8332，模拟量输出电路采用AD420，开关量输入电路采用模拟量采集方式，开关量输出电路采用继电器输出方式，所有I/O端子的分路处理电路采用模拟开关ADG619。
　　(4)建立系统软件平台。分别对软件结构中的应用层、中间层和物理层进行程序设计。应用层设计包括控制逻辑、CAN总线应用层、冗余控制节点切换机制和人机界面;中间层设计包括模数转换程序和数模转换程序;物理层设计包括CAN总线基本通信程序。
　　(5)实验验证。对搭建的系统硬软件平台进行实验验证，主要包括:上电自检、实时通信、CAN总线完全冗余并行方案和冗余控制节点热备用方案模块。实验结果表明:本文设计的主推进冗余控制系统方案成立。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外主推进控制系统研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题的研究意义与来源

1．4 主要研究内容及结构

第二章 CAN总线技术

2．1 常用的现场总线

2．2 CAN总线优势

2．3 CAN总线技术规范

2．3．1 分层结构

2．3．2 网络拓扑

2．3．3 报文传输

2．3．4 报文仲裁、滤波与编码

2．3．5 错误处理与故障界定

2．4 本章小结

第三章 主推进冗余控制系统方案设计

3．1 主推进控制系统结构

3．1．1 主推进控制系统的组成

3．1．2 主推进控制系统的功能设计

3．1．3 主推进控制系统中底层I／O信号

3．2 系统硬件方案设计

3．2．1 系统架构设计

3．2．2 系统硬件平台冗余性设计

3．2．3 系统通用硬件平台设计

3．3 系统软件方案设计

3．3．1 系统软件模块化结构设计

3．3．2 CAN总线冗余性设计

3．4 本章小结

第四章 主推进冗余控制系统硬件设计

4．1 控制节点主控制器的选择

4．2 系统供电电路设计

4．3 隔离型CAN接口电路设计

4．3．1 CAN总线终端电阻分断设计

4．3．2 CAN总线隔离电路设计

4．4 主推进控制系统底层设备I／O处理电路设计

4．4．1 模拟量采集电路设计

4．4．2 模拟量输出电路设计

4．4．3 开关量输入电路设计

4．4．4 开关量输出电路设计

4．5 本章小结

第五章 主推进冗余控制系统软件设计及工程验证

5．1 主推进控制系统软件应用层设计

5．1．1 控制逻辑软件模块设计

5．1．2 人机界面模块设计

5．1．3 CAN总线应用层设计

5．1．4 冗余控制节点切换程序设计

5．2 主推进控制系统软件中间层设计

5．2．1 模数转换程序设计

5．2．2 数模转换程序设计

5．3 主推进控制系统软件物理层设计

5．3．1 节点CAN控制器初始化

5．3．2 CAN总线发送程序设计

5．3．3 CAN总线接收程序设计

5．4 系统工程验证

5．4．1 CAN总线上电自检和实时通信验证

5．4．2 冗余CAN总线切换机制验证

5．4．3 系统节点切换机制验证

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献