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液位遙測系統是油輪和化學(xué)品船的核心部分，直接關(guān)系到船舶在海上航行的安全性和可靠性。目前國內該行業(yè)還處于低技術(shù)的惡性競爭，要改變這種狀況，只有通過(guò)提升技術(shù)水平才能實(shí)現。本系統就是在此背景下進(jìn)行研究設計的。 該系統是以ARM9為內核，在WinCE操作系統平臺下，以CAN通信為基礎，CANopen協(xié)議為規范，綜合應用EVC編程、CAN通信、數據庫、多線(xiàn)程等技術(shù)設計的一個(gè)智能液位遙測系統。 ARM9的工作頻率最高為200 MHz，微處理器內置彩色圖像處理電路，因此可以直接外接TFTLCD/VGA顯示屏。 CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)是一種多主從結構，具有報文仲裁，錯誤自檢測、處理機制，較強的通信能力，較強的短路保護能力，通信方式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)。船舶液位遙測系統是一個(gè)局域網(wǎng)控制系統，選用CAN總線(xiàn)更能滿(mǎn)足其傳輸的高可靠性。 1 CANopen協(xié)議 CANopen最初由從事工業(yè)控制的CiA會(huì )員開(kāi)發(fā)，由于CANopen是一種公共、開(kāi)放、通用的協(xié)議，而且精練透明、容易開(kāi)發(fā)，如今已經(jīng)被接受為CAN高層協(xié)議的標準之一。 圖1 CANopen設備模塊 一個(gè)CANopen設備模塊可分為3部分,如圖1所示。通信接口和協(xié)議軟件用于提供在總線(xiàn)上收發(fā)通信對象的服務(wù);不同CANopen設備間的通信都是通過(guò)交換通信對象來(lái)完成的, 這一部分直接面向CAN控制器進(jìn)行操作。對象字典描述了設備使用的所有數據類(lèi)型、通信對象和應用對象;對象字典位于通信程序和應用程序之間,用于向應用程序提供接口。應用程序對對象字典進(jìn)行操作,即可實(shí)現CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通過(guò)對對象字典進(jìn)行操作實(shí)現CANopen通信;而功能部分則根據應用要求來(lái)實(shí)現。 在CANopen網(wǎng)絡(luò )系統中每個(gè)節點(diǎn)都有唯一的一個(gè)對象字典,而且每個(gè)節點(diǎn)的對象字典都具有相同的結構；但具體的內容要根據不同的設備而定,包含了描述該設備及其網(wǎng)絡(luò )行為的所有參數。CANopen協(xié)議還定義了4種報文(通信對象),用于對不同作用的信息進(jìn)行處理,分別為管理報文（NMT）、服務(wù)數據對象（SDO）、過(guò)程數據對象（PDO）和預定義報文或特殊功能對象。 2 液位遙測系統總體結構 液位遙測系統主要實(shí)現2項功能： ① 對各艙的液位、溫度、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測； ② 當監測高于報警值時(shí)發(fā)出報警信號。 針對這2項功能，采用了CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，系統總體結構框圖如圖2所示。 圖2 液位遙測系統總體結構 由圖2可知，整個(gè)系統以CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信，然而CAN芯片只提供了開(kāi)放系統互連參考模型(OSI)中的物理層和鏈路層功能，一般用戶(hù)必須直接用驅動(dòng)程序操作鏈路層。不能直接滿(mǎn)足控制網(wǎng)絡(luò )的組態(tài)和產(chǎn)品互連要求。為了以CAN芯片為基礎構成完整的工業(yè)控制現場(chǎng)總線(xiàn)系統，必須制定相應的應用層協(xié)議，實(shí)現系統的組態(tài)、設備互連和兼容功能。下面分別介紹各部分的功能。 2.1 分布式處理單元DPU DPU是采用模塊化設計、具有通信功能的智能化遠程I/O單元。DPU單元分布在船艙各處，作為傳感器和執行器的接口，直接與傳感器和執行器相連。各個(gè)DPU單元可以用兩根普通的雙芯屏蔽電纜（ 或雙絞線(xiàn)等）連接到CAN總線(xiàn)上，將定時(shí)采集的各船艙液位高度、溫度等各種實(shí)時(shí)數據發(fā)送到總線(xiàn)上。 目前，基于CANopen的DPU的各種模塊（模擬量輸入/輸出、數字量輸入/輸出等）可以根據具體的監測點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò )中，完成液位、溫度、壓力等的監測。 圖3 上位監測點(diǎn)結構圖 2.2 上位監測點(diǎn) 在本系統中，上位監測點(diǎn)主要實(shí)現通信和應用兩個(gè)方面功能，具體結構如圖3所示。 ARM9的開(kāi)發(fā)平臺已將CAN驅動(dòng)嵌入，根據CAN2.0協(xié)議，可以直接完成物理層和數據鏈路層的通信，因此，在WinCE操作系統下，實(shí)現CANopen通信，解析通信對象，調用應用程序，完成整個(gè)上位系統的CANopen通信。 3 CANopen通信的實(shí)現 3.1 CAN通信 CAN通信通過(guò)調用底層封裝的接口函數實(shí)現，主要包含： 開(kāi)端口CAN_StartChip； 關(guān)端口CAN_StartChip； 接收CAN數據CAN_GetNextReceivedFrame；； 發(fā)送CAN數據CAN_SendFrame。 具體通信流程如圖4所示。 圖4 CAN通信流程 3.2 CANopen通信 CANopen協(xié)議是CAN通信應用層的協(xié)議。通信標準定義了不同的通信對象，這些通信對象通過(guò)標識符（COB_ID）來(lái)進(jìn)行區分。 網(wǎng)絡(luò )管理報文（NMT）：提供網(wǎng)絡(luò )管理服務(wù)，例如初始化、錯誤控制和設備狀態(tài)控制。NMT對象映射到一個(gè)單一的帶2字節數據長(cháng)度的CAN幀，它的標識符為0。在本系統中主要用于系統啟動(dòng)的初始化。 過(guò)程數據對象（PDO）：過(guò)程數據對象用來(lái)傳遞實(shí)時(shí)數據，數據傳輸被限制在1～8字節，每個(gè)PDO有一個(gè)唯一的標識符。標識符具有優(yōu)先級，遙測系統主要是對實(shí)時(shí)的液位等信息進(jìn)行顯示，大量的PDO數據進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。 服務(wù)數據對象（SDO）：SDO的傳送是有證實(shí)的服務(wù)，可靠性比較高，主要用于對系統中各節點(diǎn)的配置或信息的設置。 以上4種對象都有不同的優(yōu)先級。對于接收到的報文根據其COB_ID進(jìn)行解析,分送各不同的應用變量，即可實(shí)現CANopen通信。 4 應用模塊實(shí)現 4.1 系統配置 本系統中采用了配置文件的形式增強配置的靈活性，配置文件是根據下位DPU中各模塊、通道的現場(chǎng)分布匯總成的txt文件。首先，利用移動(dòng)磁盤(pán)或者Remote File Viewer在PC機上載入配置文件。其次是讀取工作，通過(guò)函數GetProfileString，根據不同的字段獲取需要的內容。最后，對所獲得內容賦給相應的變量，并進(jìn)行顯示更新。 具體配置形式如圖5所示。由圖可知，可以對系統中模塊的使用、艙名、信號類(lèi)型、單位、范圍、報警上下限、報警延時(shí)等進(jìn)行設置。因此，在集控室就可完成基本的配制，大大減輕了工作人員的負擔。 圖5 系統配置 4.2 實(shí)時(shí)顯示 為了實(shí)現實(shí)時(shí)、準確、生動(dòng)地顯示系統運行狀況，在該模塊中利用了文本加圖形的方式。因為數據量較大，界面類(lèi)型較多，切換頻繁，故主要采用了動(dòng)態(tài)創(chuàng )建控件的解決方法。 液位遙測系統主要完成各艙液位的實(shí)時(shí)顯示。此外，還包括貨艙的溫度、壓力，以及管路管道的壓力等重要信息。 4.3 數據存儲 在本系統中，數據存儲主要完成的是對報警數據的存儲和對艙容信息的監測，利用的是WinCE自帶數據庫系統。 系統存儲的主要是報警數據，因此數據量比較小，采用自帶數據庫可以很方便地實(shí)現所需功能。此外，EVC4.0沒(méi)有提供訪(fǎng)問(wèn)外部數據庫ADOCE的接口。 4.4 實(shí)時(shí)打印 在本系統中實(shí)現了實(shí)時(shí)打印，即只要出現報警信息，立即將該信息進(jìn)行打印輸出；當故障排除后，重新進(jìn)行打印，以便對數據進(jìn)行保存分析。 5 結論 本文所研究的是基于CANopen協(xié)議，在A(yíng)RM9的WinCE嵌入式開(kāi)發(fā)平臺上的船舶液位遙測系統軟件。CANopen作為CAN總線(xiàn)的應用層協(xié)議，在船舶遙測系統中有著(zhù)廣闊的應用前景。 系統中CAN總線(xiàn)的應用大大提高了系統總體傳輸速率，雙CAN機制更加增強了整個(gè)系統的容錯能力，保證了船舶運行的安全性。整個(gè)軟件系統實(shí)現了CANopen通信，完成了數據顯示、存儲、打印、報警，并使配置更智能，實(shí)驗證明了其運行的可靠性。 |
