基于CAN总线和以太网的船舶机舱监控系统研究与设计

摘要

随着造船业及市场需求的发展，船舶结构日趋复杂，功能不断增强，机舱是船舶的心脏，集中了船舶的主要动力设备。研究设计先进的机舱监控系统对于推进机舱自动化的发展具有重要意义。传统的机舱监控系统以中小型计算机集中监控为主，难以实现远程控制，已不能适应造船业的迅猛发展。我国已进入造船大国行列，但船舶操舵系统、监控系统等船舶配套电子系统，还多采用国外产品，研究新型的船舶机舱监控系统对于提高船舶自动化水平，推动我国船舶工业的迅速发展具有重要意义。 本文首先在大量调查研究的基础上，介绍了船舶机舱监控系统的发展现状，并结合CAN总线技术及以太网的发展，提出了基于CAN总线和以太网的船舶机舱监控系统的设计方案。 系统从整体上分为三层，从下到上依次为：监控层、网关层、网络层。按照三层结构展开，完成了机舱监控系统的设计开发。 监控层由智能测控节点、变送器及执行机构组成。其中智能测控节点又包括主控制器模块和功能子模块。主控制器模块由一片Atmega162单片机、CAN通讯接口、RS485接口及显控终端组成。功能子模块包括模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、开关量输入模块DI及开关量输出模块DO。AI模块实现对8路4-20mA电流信号或0-5V电压信号的采集，AO模块可输出4路4-20mA电流信号，DI及DO模块均采用光耦隔离设计实现对16路开关量的输入或输出。功能子模块与主控制器模块通过RS485总线进行通讯。 网关层连接下层监控层和上位机网络层，实现对CAN数据帧与以太网帧的转换，将智能测控节点上传的CAN数据帧转换为以太网帧发送到网络层的服务器数据库中，同时将上位机下达的各种命令转换为CAN数据帧，下达给智能测控节点。其中网关通过RS485接口连有一块延伸报警板，可对发生报警的测控节点进行声光报警。 上位机网络层主要包括一台服务器及各个监控终端，应用图形化组态软件Labview设计了上位机监控软件。该软件运行于网络层的服务器中，可实现对相关设备参数实时显示、报警、远程控制功能。同时支持数据库查询及实时打印功能。通过配置该软的Web服务器功能，各监控客户端可实时登陆该软件并对相关设备进行查看、控制等操作。 最后对本文所做的工作进行了总结，同时指出了不足之处和需要进一步研究的内容。 基于CAN总线和以太网的船舶机舱监控系统，采用双层网络搭建系统的网络架构，实现了上位机各监控终端对现场设备的远程监控功能，具有极大的发展和应用前景。该项目同时为山东省信息发展专项课题“船舶自动操舵与监控系统”的一部分，目前该项目已通过专家组验收，正在大力推广试用阶段。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2课题来源及研究意义

1.3船舶机舱监控系统的发展及现状

1.4论文的总体规划

1.4.1本文结构树

1.4.2本文章节规划

第二章船舶机舱监控系统方案分析与设计

2.1系统总体方案设计

2.1.1系统总体结构

2.1.2系统层次关系

2.2系统功能要求

2.3系统主要特点

2.4本章小结

第三章智能测控节点的研究设计

3.1CAN总线概述

3.2智能测控节点设计

3.2.1主控制器模块设计

3.2.2各功能子模块设计

3.3系统隔离电源设计

3.3.1+5V隔离电源设计

3.3.2±15V隔离电源设计

3.4智能测控节点的主要特点

3.5测控节点的软件实现

3.5.1系统工作流程

3.5.2CAN接口数据通讯

3.5.3各功能子模块程序设计

3.5.4GAL16V8芯片译码

3.5.5显控终端功能实现

3.6本章小结

第四章基于W3100A的CAN／Ethernet网关设计

4.1TCP／IP协议栈介绍

4.2以太网接口方案选择

4.3网关硬件设计与实现

4.3.1TCP／IP硬件协议栈芯片W3100A介绍

4.3.2CAN／以太网接口电路设计

4.3.3电源电路设计

4.3.4延伸报警板功能介绍

4.4网关功能软件实现

4.4.1以太网帧解析流程

4.4.2SOCKET编程

4.4.3CAN／以太网数据通讯程序设计

4.4.4以太网接口通讯实验

4.5在调试中需要注意的问题

4.6本章小结

第五章上位机监控软件设计

5.1系统总体设计

5.1.1Labview介绍

5.1.2系统方案设计

5.2监控软件设计与实现

5.2.1监控软件设计

5.2.2监控界面介绍

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1论文总结

6.2课题展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文及参与项目