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引言 近年來(lái)，我國的造船業(yè)取得了飛躍性的發(fā)展。據船舶工業(yè)統計快報報道，2007年，中國造船完工量1893萬(wàn)載重噸，比上年增長(cháng)30％；新承接船舶訂單9845萬(wàn)載重噸，比上年增長(cháng)132％。隨著(zhù)自動(dòng)化水平的提高，大大小小的船舶都安裝了監控系統。目前船舶自動(dòng)監測系統主要有主從分布式控制、集散式控制等，但這些控制方式都存在系統結構復雜、控制集中等缺點(diǎn)。本監控系統采用了冗余CAN總線(xiàn)設計船艙自動(dòng)監測系統，將傳統分布式監控系統中的控制功能下放到現場(chǎng)監控單元中，由分布于現場(chǎng)的各監控單元完成數據采集、處理、控制運算、輸出等工作。與上位機的信息交互通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行。在計算機中以文字、列表、曲線(xiàn)等形式顯示現場(chǎng)的數據、變化趨勢、故障情況和報警狀態(tài)，為管理人員的操作提供可靠、準確的實(shí)時(shí)信息，從而實(shí)現實(shí)時(shí)監控�；谶@種方式的監控系統是船舶自動(dòng)監控系統的重要發(fā)展方向。 1 系統工作原理及功能 系統整體結構框圖如圖1所示，模擬量輸入板卡和數字量輸入板卡通過(guò)接插件連接到主控制器板上，由主控制器完成對數據的采集與轉換。主控制器將數據打包，發(fā)送到其他CAN節點(diǎn)，同時(shí)接收并解析其他節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數據，完成對現場(chǎng)模塊的控制。模擬量輸入板卡主要是對外部模擬信號進(jìn)行濾波、隔離、調理，濾波后變成一個(gè)適合于單片機進(jìn)行采樣的模擬電壓。其采集的模擬信號主要有兩種類(lèi)型：O～10 V的模擬電壓信號和4～20 mA的電流信號。這是工業(yè)現場(chǎng)中最常用的模擬信號。數字量輸入板卡主要采集外部開(kāi)關(guān)量信號，完成開(kāi)關(guān)量的隔離、濾波，然后送到主控制器完成對數字量的采集。其中模擬量的隔離輸入和冗余的CAN總線(xiàn)，是本設計比現有的一些基于現場(chǎng)總線(xiàn)的監控產(chǎn)品的先進(jìn)之處。 
2 硬件電路設計 2．1 主控制器選擇 為了減少外部器件，提高系統的穩定性，主控制器選用帶有片內A／D和CAN控制器的MC9S08DZl6。該單片機是Freescale公司 2007年推出的一款高性能8位單片機；基于HCS08內核，最高運行時(shí)鐘頻率為40 MHz，最多支持32個(gè)優(yōu)先級；內部集成有16 KB Flash存儲器，1 KB SRAM、512 B在線(xiàn)可編程EEPROM、1個(gè)12位的A／D轉換器，多種節電模式以及2種超低功耗停止模式，同時(shí)內部集成CAN2．O A／B控制器以及多種標準串行接口。 2．2 CAN總線(xiàn)的電氣保護 船舶機艙中工況條件十分惡劣，各種電磁干擾對物理鏈路及數據鏈路的正常工作都有嚴重的影響。這些對控制系統是極大的威脅，非常容易導致系統癱瘓。為了最大程度地保證網(wǎng)絡(luò )系統正常工作，采取了以下兩種措施： 第一種措施是電氣隔離。通信電纜是網(wǎng)絡(luò )系統中受干擾最大的部分，而且各種干擾也極容易順通信電纜進(jìn)入系統，從而引起系統的工作不正常。為了切斷這條干擾途徑，保護CAN控制器，在CAN控制器與收發(fā)器之間增加了6N137，以進(jìn)行光電隔離。 第二種措施是在總線(xiàn)上增加保護器件。當發(fā)生雷擊或其他強烈干擾時(shí)，巨大的能量如果來(lái)不及泄放，就會(huì )損壞收發(fā)器。為了防止干擾對收發(fā)器的損壞，增加了防雷管和TVS作總線(xiàn)保護。當受到雷擊時(shí)，并接在總線(xiàn)上的防雷管能將能量泄放掉。但是一般情況下，防雷管的反應速度慢，鉗位電壓高(約為800 V)，因此本設計中，在防雷管后增加了TVS和PTC電阻。TVS能夠將總線(xiàn)的壓差鉗制在6.8 V以下，這樣當受到干擾時(shí)，TVS能較快地起到保護作用；而PTC電阻能保護收發(fā)器免受過(guò)流的沖擊。在CAN H和CAN L與地之間各自接一個(gè)30 pF的小電容，可以起到濾除總線(xiàn)上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。CAN收發(fā)器電氣保護原理如圖2所示。
2．3 冗余CAN總線(xiàn)設計 雖然在設計時(shí)對CAN收發(fā)器采取了一些保護措施，但是在船舶機艙的電纜受拉、壓、砸、擠等而造成故障的情況卻很多，這就不是電氣保護所能解決的了。因此，為了降低此類(lèi)風(fēng)險以及各種原因引起的收發(fā)器的電氣損壞，最有效的方法就是實(shí)現CAN通信網(wǎng)絡(luò )的冗余。 在總線(xiàn)冗余處理上，可使用兩套總線(xiàn)，每一套都包含有完整的總線(xiàn)電纜、總線(xiàn)驅動(dòng)器和總線(xiàn)控制器，或將總線(xiàn)控制器與CPU集成于一體的MCU。實(shí)現冗余有兩種方法：一種是后備方式，即一套運行，另一套“休眠”備用，當運行總線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，啟用備用總線(xiàn)；另一種是同時(shí)運行方式，如果其中一套發(fā)生故障，另一套仍能維持系統的正常運行。這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)實(shí)現了物理介質(zhì)、物理層及數據鏈路層甚至應用層的全面冗余，因此，可以稱(chēng)之為“全面冗余方法”。但全面冗余方法存在著(zhù)某些不足之處，例如由于節點(diǎn)對系統的構成不敏感，因此，后備方式發(fā)現總線(xiàn)開(kāi)路故障的能力和實(shí)時(shí)性較差，而同時(shí)運行方式下兩路同時(shí)工作功耗大，且數據鏈路的冗余較為復雜。本設計使用一種介于兩種方法之間的物理冗余技術(shù)。物理鏈路的冗余使用2條總線(xiàn)電纜和2個(gè)總線(xiàn)驅動(dòng)器，且在總線(xiàn)控制器與2 個(gè)總線(xiàn)驅動(dòng)器之間增加了一個(gè)判斷電路，如圖3所示。
將兩個(gè)總線(xiàn)驅動(dòng)器的發(fā)送端連在一起，當節點(diǎn)發(fā)送時(shí)，CAN總線(xiàn)控制器向兩條通信線(xiàn)路同時(shí)發(fā)送相同的報文；而接收時(shí)，判斷電路自動(dòng)選擇兩條總線(xiàn)中的一個(gè)并將其報文送入總線(xiàn)控制器。判斷電路以時(shí)間優(yōu)先為選擇原則，即哪一路報文搶先到來(lái)，哪一路報文就被選中。如果某一總線(xiàn)發(fā)生故障，則關(guān)閉它與總線(xiàn)控制器的信號通道，同時(shí)向cPU發(fā)出總線(xiàn)故障中斷，而正�？偩�(xiàn)的信號通道不受影響。 在判斷電路中，設置了兩個(gè)可重復觸發(fā)的單穩態(tài)觸發(fā)器，它們分別與兩條總線(xiàn)對應，檢測報文及其到來(lái)的情況。當報文到來(lái)時(shí)，總線(xiàn)驅動(dòng)器首先出現一個(gè)低電平報文的幀起始位，其下降沿觸發(fā)單穩，使其輸出產(chǎn)生一個(gè)高電平寬脈沖。通過(guò)調整電容的充放電時(shí)間，該脈沖經(jīng)報文中對應的多次下降沿觸發(fā)而一直持續到報文結束。 在總線(xiàn)正常的情況下，當出現報文時(shí)，兩個(gè)單穩態(tài)觸發(fā)器均產(chǎn)生高電平寬脈沖，該高電平脈沖送入RS觸發(fā)器進(jìn)行時(shí)間優(yōu)先比較。對于優(yōu)先者，觸發(fā)器給對應的或非門(mén)低電平，開(kāi)通相應總線(xiàn)的信號通道；對于滯后者，觸發(fā)器用高電平關(guān)閉對應的或非門(mén)。 當總線(xiàn)無(wú)報文時(shí)，兩個(gè)信號通道均暫時(shí)關(guān)閉。一旦某一總線(xiàn)發(fā)生故障，對應的驅動(dòng)器上的接收端保持在某一電平狀態(tài)，相應的單穩態(tài)觸發(fā)器不被觸發(fā)，其輸出始終保持在低電平上。因此，RS觸發(fā)器用高電平封鎖住或非門(mén)，使這個(gè)信號通道被關(guān)閉。異或門(mén)用來(lái)向cPU提供總線(xiàn)故障中斷信號。接到中斷后，通過(guò) I／0口分別查詢(xún)兩個(gè)單穩態(tài)觸發(fā)器的輸出即可對故障定位。隨后，可以發(fā)送一個(gè)故障警報信號，通過(guò)正�？偩�(xiàn)通知給系統監視設備，以便及時(shí)處理。在異或門(mén)上設延時(shí)環(huán)節的目的是：避免兩個(gè)報文不嚴格同步或兩個(gè)單穩態(tài)觸發(fā)電路輸出脈寬不嚴格一致而引起誤中斷。需要注意的是，單穩態(tài)觸發(fā)電路的單次觸發(fā)所產(chǎn)生的脈寬應不小于報文中連續12個(gè)位的持續時(shí)間(主動(dòng)錯誤標志的最大可能時(shí)間。正常情況下，報文中連續出現相同邏輯位數不超過(guò)5位)。 2．4 4~20 mA電流模擬量的采集 作為模擬儀表的信號標準，4～20 mA的電流信號在常用傳感器中占有非常重要的地位。 由于單片機無(wú)法直接對電流信號進(jìn)行采樣，所以需要先將電流信號轉換為電壓信號。在本設計中，充分考慮了對這種標準信號的采集轉換。選用美國 Burr一Brown公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片RCV420，將4～20 mA電流信號轉換為O～5 V電壓信號，如圖4所示。
RCV420包含1個(gè)高級運算放大器、1個(gè)片內精密電阻網(wǎng)絡(luò )和1個(gè)精密10 V電壓基準，其總轉換精度為O．1％，共模抑制比CMR達86 dB，共模輸入電壓范圍達±40 V。RCV420在滿(mǎn)量程時(shí)，電壓僅下降1．5 V，在環(huán)路中串有其他儀表負載，這對變送器電壓有嚴格限制的應用場(chǎng)合非常有用。10 V電壓基準提供了一個(gè)典型溫漂為5×10-6／℃的精密10 V輸出。 為保證RCV420的輸出在單片機的O V～VCC之間，需要適當減小運放增益。方法是在檢測電阻Rs上并聯(lián)匹配電阻Rx，如圖5所示。
調整后的增益值為：
通過(guò)調整并聯(lián)電阻Rx的大小，可以調整RCV420的輸出范圍。為了保證高共模抑制，并聯(lián)電阻Rx的匹配很重要。Rx的溫度參數的任何不一致，都將引起增益誤差和CMR的漂移。 經(jīng)過(guò)計算分析，輸入為4～20 mA信號時(shí)，令Rx為1．8 kΩ可使輸出為O～4．8 V，保證在單片機的ADC輸入范圍之內。 在使用RCV420時(shí)，有一點(diǎn)需要特別注意：圖5中的2個(gè)1μF的電容C1、C2必須是鉭電容。最初實(shí)驗時(shí)，C1、C2用的是1μF的鋁電解電容，結果RCV420工作不正常，輸出沒(méi)有規律。檢查電路板發(fā)現電源電壓正常，輸入的電流信號穩定，其他器件和連線(xiàn)也沒(méi)有問(wèn)題。查閱文獻后發(fā)現此處必須使用鉭電容。更換鉭電容后，：RCV420工作正常，輸出準確、穩定。當有多路4～20 mA電流信號輸入時(shí)，先使用MAX308進(jìn)行通路選擇，再進(jìn)行I／V轉換。 2．5 模擬量的隔離 為了防止船舶機艙現場(chǎng)的干擾通過(guò)模擬量輸入通道進(jìn)入單片機系統，有必要對模擬電壓信號進(jìn)行隔離。實(shí)現直接線(xiàn)性隔離最簡(jiǎn)單的方法就是采用隔離放大器，而隔離放大器必須滿(mǎn)足A／D變換精度和線(xiàn)性要求，如對12位A／D進(jìn)行隔離，其隔離放大器要達到13位，甚至14位的精度。如此高精度的隔離放大器，價(jià)格十分昂貴。本設計中用線(xiàn)性光電耦合器實(shí)現了模擬量的隔離，經(jīng)測試隔離效果良好。電氣原理圖如圖6所示，其中HCNR200光電耦合器由3個(gè)光電元件組成。其1、2引腳間是一個(gè)A1GaAs發(fā)光二極管，3、4引腳，5、6引腳間是兩個(gè)相鄰匹配的光敏二極管。光敏二極管的PN結在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流與光照強度成正比，這種封裝結構決定了每一個(gè)光敏二極管都能從LED得到近似相等的光強，從而消除了LED的非線(xiàn)性和偏差特性所帶來(lái)的誤差。 參考文獻 1. 汪涵 現場(chǎng)數據總線(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò )的一種物理冗余技術(shù) [期刊論文] -中國西部科技2007(10) 2. Freescale MC9S08DZ60 datasheet 2007 3. 張寶生.王念春 基于高線(xiàn)性模擬光耦器件HCNR200的模擬量隔離板 [期刊論文] -儀表技術(shù)2005(05) 作者：山東大學(xué) 張煌 王常順 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2008 (10) |
