基于嵌入式的船舶机舱监测报警系统研究与设计

摘要

电子技术和网络技术在船舶中的发展，推进了船舶自动化的进程。嵌入式技术以应用为中心、基于计算机技术、软硬件可裁剪、满足系统在功能、可靠性、成本和体积上的严格要求，在船舶机舱监测报警系统中具有广泛的应用前景。
　　本文在综述和分析船舶机舱监测报警系统发展现状的基础上，设计并初步实现了基于CAN总线+以太网的双级网络嵌入式船舶机舱监测报警系统，满足底层数据传输实时性和上层大容量数据传输的要求。本文设计的UPS电源模块能够实现在主电网失电情况下通过24V应急电源对系统进行平稳切换的功能。本系统主要设计了现场分布式处理单元、延伸报警装置和CAN-Ethernet网关三个部分。
　　现场分布式处理单元分布在机舱各个监测点，主要实现现场数字量采集、模拟量采集和控制现场执行机构等功能。本单元模块都选用基于ARM CortexTM-M3内核的STM32F107VCT6作为微处理器，各模块之间全部实现了CAN通信的双冗余连接。在KeilμVision5软件开发平台上，根据控制流程图，用C语言编写逻辑控制程序。在软件系统中移植μC/OSⅡ操作系统，提高了系统实时性和多任务性能表现。
　　延伸报警装置位于轮机员舱室、驾驶室和公共场所，是按照无人机舱的基本原则设计的。本文的延伸报警装置以STM32F103微处理器为核心，参照Kongsberg公司延伸报警装置的操控界面制作带有按键和显示窗口的贴膜。本装置和集控台、驾控台通过上层以太网组网。
　　CAN-Ethernet网关层作用是连接现场分布式处理单元和延伸报警装置以实现CAN-Ethernet帧格式的转换。网关硬件采用W7100A+SJA1000的结构，W7100A包含8051内核和全硬件的TCP/IP协议，具有性能稳定、成本低等优点。
　　经过各组成部分的调试和总体性能测试，分布式处理单元和延伸报警装置都能实现基本的控制功能，为系统的后期完善打下了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 机舱监测报警系统的发展及趋势

1．2．1 单元装置系统

1．2．2 集中监测系统

1．2．3 集散型监测系统

1．2．4 现场总线分布式系统

1．3 本文的研究内容

第2章 船舶机舱监测报警系统的概述

2．1 系统的结构及功能

2．1．1 机舱监测报警系统的结构

2．1．2 机舱监测报警系统的功能

2．2 监测报警系统的组成

2．2．1 分布式处理单元(DPU)

2．2．2 远程操作站(ROS)

2．2．3 值班呼叫系统(WCS)

2．2．4 其他辅助设备

第3章 机舱监测报警系统总体设计

3．1 系统的总体设计

3．1．1 系统设计方案与工作原理

3．1．2 系统设计的主要特点

3．2 系统通信网络的设计

3．2．1 CAN总线通信原理

3．2．2 以太网通信原理

3．2．3 网关模块接口方案设计

第4章 分布式处理单元的设计

4．1 分布式处理单元总体设计

4．2 微处理器的选择及其外围电路设计

4．2．1 处理器芯片介绍

4．2．2 处理器外围电路设计

4．2．3 UPS电源模块的设计

4．3 信号处理电路的设计

4．3．1 模拟量输入输出电路

4．3．2 数字量输入输出电路

4．4 通信电路的设计

4．4．1 CAN通信电路的设计

4．4．2 RS-485通信电路的设计

4．5 PCB电路板设计

4．6 DPU的软件设计

4．6．1 系统软件的结构

4．6．2 实时操作系统μC／OSII简介

4．6．3 监测报警系统控制程序

第5章 延伸报警装置设计

5．1 延伸报警装置简介

5．2 延伸报警装置的硬件设计

5．2．1 微处理器及其外围电路设计

5．2．2 功能外设电路设计

5．2．3 PCB和实物展示

5．3 延伸报警装置的软件设计

5．3．1 软件开发环境

5．3．2 程序控制流程图

第6章 系统调试及性能试验

6．1 DPU调试

6．1．1 CAN通信测试

6．1．2 数字量、模拟量采集实验

6．2 延伸报警装置调试

6．3 系统整体性能试验

第7章 结论与展望

7．1 研究总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

作者简介