【文章內(nèi)容簡介】 ，并且通過延伸報警板（通過CAN總線）將報警信息延伸到輪機員值班室等區(qū)域。 CAN總線CAN(Controller Area Network)作為監(jiān)控報警系統(tǒng)采用的現(xiàn)場總線，由德國BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國際標準，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線由于高性能和高可靠性，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域[[] D. Bishop, etc. Distributed Power Supply Control Using CANBus[C]. Proc. of the 1997 International Conference on Accelerators and Large Physics Control Systems, 1997，315317]。CAN總線是德國BOSCH公司在80年代初為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps。本系統(tǒng)正是采用雙絞線作為CAN總線的通信介質(zhì)。 CAN的一些基本概念和特點本系統(tǒng)之所以采用CAN總線作為系統(tǒng)的現(xiàn)場總線，還因為CAN總線與其它總線相比，它具有突出的性能、實時性、可靠性和靈活性，具體特點可以概括為以下幾點[[] 楊春英. CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)及實現(xiàn)[J]. 艦船電子工程，2007，27(4)：168171]：，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點在任何時刻都能夠主動向其它節(jié)點發(fā)送信息。，每幀的數(shù)據(jù)信息為0～8個字節(jié)，具體由用戶決定，從而減少了傳輸時間，加強了抗干擾能力，具有非常好的檢錯能力。，當多個節(jié)點向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的會主動等待，讓優(yōu)先級高的節(jié)點先和總線傳輸，從而節(jié)省了沖突的時間，在網(wǎng)絡(luò)負載很嚴重的時候不會造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。，就能實現(xiàn)點對點、一對多以及廣播等數(shù)據(jù)傳輸方式，接收站只需通過報文中的數(shù)據(jù)信息來決定是否接收。每幀信息都有CRC校驗，在錯誤嚴重的情況下，能夠自動關(guān)閉輸出功能，在發(fā)送期間遭到破壞的幀可以自動重發(fā)，每幀信息中不可檢錯的概率低于3105。，最快速率可達1Mbps(此時最長距離為40m)。，節(jié)點數(shù)可達110個。為了對監(jiān)控報警系統(tǒng)有一個深入的了解，需要對CAN總線進行簡單的研究。下面是CAN總線相關(guān)的一些基本概念：：報文就是網(wǎng)絡(luò)中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，即一整個數(shù)據(jù)塊。報文中包含了將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息和一些頭尾和校驗信息等。報文的長短不一，但要受到幀結(jié)構(gòu)的限制。：在CAN系統(tǒng)中，CAN不對通信單元分配地址，報文的尋址內(nèi)容由報文的標識符指定。報文的標識符沒有報文的地址，總線上的其它單元通過報文濾波來決定是否接受報文。：仲裁主要用來處理訪問總線時的沖突，主要是通過報文的標識符和RTR位來唯一確定報文的優(yōu)先權(quán)。：標識符是唯一標識報文攜帶數(shù)據(jù)的含義的一串ID，定義了報文的優(yōu)先權(quán)[[] 孫招鳳. CAN總線網(wǎng)絡(luò)報文標識符編碼研究[J]. 導彈與航天運載技術(shù)，2009(2)：3136]。[[] Robert Bosch GmbH, Stuttgart . CAN Specification, version [S]. Bosch, 1991]：為了使得CAN的報文在各種應(yīng)用領(lǐng)域都能通用化。，能提供11位地址；，提供29位地址。：報文的標識符定義了一個靜態(tài)的報文優(yōu)先權(quán)，每一個報文都有一個唯一的11位或29位的標識符，標識符越小的報文具有越高的優(yōu)先權(quán)。因此，一個擁有全0標識符的報文具有最高的優(yōu)先權(quán)。當總線上同時發(fā)送2個報文的時候，通過仲裁來決定具有高優(yōu)先權(quán)的報文優(yōu)先發(fā)送。：位速率是指總線的傳輸速率。在一個給定的CAN系統(tǒng)中，位速率是確定不變的。在CAN上，任意兩個單元之間的最大傳輸距離與位速率有關(guān)。其中最大傳輸距離是指不接中繼器的兩個單元之間的距離。 CAN總線中位速率與最大距離之間的關(guān)系位速率/kbps10005002501251005020105最大距離/m4013027053062013003300670010000：CAN總線上使用顯性和隱性來表示0和1。當總線同時出現(xiàn)發(fā)送顯性位和隱性位時，總線上的數(shù)值顯示顯性。 四種數(shù)據(jù)幀及幀結(jié)構(gòu)監(jiān)控報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是基于CAN總線的報文傳輸，而CAN總線上的報文傳輸使用四種不同的幀來表示和控制，分別為數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和過載幀。數(shù)據(jù)幀主要用于將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?。遠程幀通常由某一個節(jié)點發(fā)出，用來請求具有同一標識符的數(shù)據(jù)幀。出錯幀是當CAN總線上任何成員發(fā)生錯誤的時候發(fā)出的。過載幀用于兩個數(shù)據(jù)幀或者是遠程幀之間提供一個延時。下面是對各個幀結(jié)構(gòu)進行具體的分析：：數(shù)據(jù)幀由不同的7個位場組成，分別為幀起始，仲裁場，控制場，數(shù)據(jù)場，CRC場，應(yīng)答場和幀結(jié)束。其中，數(shù)據(jù)場的長度是可以為0的。 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：一個節(jié)點作為數(shù)據(jù)的接收者，通過發(fā)送遠程幀來開啟某個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。遠程幀和數(shù)據(jù)幀基本類似，只是少了數(shù)據(jù)場，其余都一樣，也包括幀起始，仲裁場，控制場，CRC場，應(yīng)答場和幀結(jié)束6個位場。相對數(shù)據(jù)幀而言，它的RTR位是隱性的，因為數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場是可以為0的，而正是通過RTR位的極性就可以判斷所發(fā)送的幀是否為數(shù)據(jù)幀。RTR位是一個對數(shù)據(jù)幀和遠程幀的標識位，在數(shù)據(jù)幀中為顯性，遠程幀中為隱性。 遠程幀結(jié)構(gòu)：出錯幀只包含兩個不同的場。第一個場是由不同節(jié)點的錯誤標志(ERROR FLAG)的疊加而成，第二個場是錯誤界定符(ERROR DELIMITER)。錯誤標志通常有主動和被動兩種形式，主動錯誤標志包含6個連續(xù)的顯性位，被動錯誤標志在最初包含6個連續(xù)的隱性位，但它可能被其它節(jié)點的顯性位所覆蓋。錯誤界定符包含了8個隱性位，在發(fā)送了錯誤標志以后，每個節(jié)點就開始發(fā)送隱性位和一直監(jiān)視總線，直到發(fā)現(xiàn)隱性位后，節(jié)點就會把剩余的7個隱性位再一起發(fā)送。 出錯幀的結(jié)構(gòu)：過載幀和出錯幀類似，也包含了兩個不同的位場，過載標志(OVERLOAD FLAG)和過載界定符(OVERLOAD DELIMITER)。過載標志的傳輸一般有兩種情況引起，一是接收器對于下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀的接受需要一個延遲，另一種情況是在中斷時候檢測到一個顯性的位。數(shù)據(jù)幀或者遠程幀中間需要的延遲最多只能引發(fā)兩幀的過載幀的產(chǎn)生。 過載幀的結(jié)構(gòu)監(jiān)控報警系統(tǒng)正是通過這四種不同類型的幀進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收，仲裁和出錯重發(fā)等工作，保證了系統(tǒng)通信的安全性和可靠性。 信息傳遞機制監(jiān)控報警系統(tǒng)所采用的信息傳遞機制是基于CAN總線的信息傳遞，而通過前面的描述可以知道CAN總線是以半雙工的方式工作，分時進行收發(fā)數(shù)據(jù)。CAN總線以廣播的方式，一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，多個節(jié)點接受數(shù)據(jù)。CAN總線上的報文都帶有優(yōu)先級的標識和數(shù)據(jù)，節(jié)點在正確接收后會發(fā)出確認應(yīng)答。CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸滿足“載波監(jiān)聽，多路訪問/沖突檢測”(CSMA/CD)[[] 王泓. CAN總線的消息機制[J]. 中國測試技術(shù)，2006，32(1)：130131,144]的通訊模式。所謂載波監(jiān)聽，就是要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點在傳輸前會去監(jiān)聽總線上是否有數(shù)據(jù)在傳輸，如果總線空閑就可以立即傳輸數(shù)據(jù)，否則，就需要等待一段時間再傳輸。多路訪問/沖突檢測是指當兩個節(jié)點同時想要發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點會檢測到這個沖突，然后通過仲裁機制，讓優(yōu)先級高的報文先發(fā)送，優(yōu)先級低的報文暫停發(fā)送。在CSMA算法中是沒有沖突檢測的，CAN總線的仲裁機制有效的解決了這個問題，提高了通信的效率。報文傳輸依賴其優(yōu)先級，使得每個節(jié)點都是有均等的機會取得總線的控制發(fā)送權(quán)，避免了因為沖突而造成的信息破壞。根據(jù)OSI/ISO的網(wǎng)絡(luò)模型，CAN總線技術(shù)規(guī)范只詳細定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容，而關(guān)于應(yīng)用層的協(xié)議則需要用戶自己定義。公司項目作為一個工程項目，由于時間和經(jīng)費有限，沒有自己開發(fā)新的協(xié)議，轉(zhuǎn)而使用現(xiàn)有的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議。經(jīng)過仔細篩選，最后確定使用Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是一種串行通信協(xié)議，它由Modicon公司于1979年發(fā)布，是第一個用于工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用層總線協(xié)議。Modbus并沒有握手機制，取而代之的是主從機制，通信通常由主節(jié)點發(fā)起，從節(jié)點收到主節(jié)點信息后，會立刻回應(yīng)。從節(jié)點之間如果想要互相通信，則只能通過主節(jié)點進行轉(zhuǎn)送傳輸。Modbus的兩種傳輸方式分別為ASCII和RTU，因為RTU在相同的波特率的情況下，數(shù)據(jù)的傳輸速率要比ASCII要快，因此監(jiān)控報警系統(tǒng)采用RTU的機制。 雙CAN冗余熱備份技術(shù)船舶在海上運行時的情況復雜，因此監(jiān)控報警系統(tǒng)需要很高的可靠性，而冗余技術(shù)正是一種用來提高系統(tǒng)可靠性的技術(shù)，特別是對于在海上長時間運行的船只，在運行的過程中如果發(fā)生CAN物理的斷裂的話，整個系統(tǒng)就報廢了。而雙CAN冗余技術(shù)為這種情況起到了一個以防萬一的作用。冗余的資源一般包括信息冗余、硬件冗余、時間冗余和軟件冗余等[[] 馬建彬. CAN總線實驗系統(tǒng)及其雙線冗余的研究[D]：[碩士學位論文]. 天津：天津大學，2009]。硬件冗余主要是指在整個系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵模塊或者易損壞模塊設(shè)置一些備用。在本文系統(tǒng)中，設(shè)置了兩條CAN作為系統(tǒng)的一部分。兩條CAN同時起作用，因此，即使一條CAN損壞，也不影響系統(tǒng)的正常運行。信息冗余只的是通過在傳輸?shù)男畔⒅屑尤胍恍┤哂嘈畔肀ＷC信息的正確性，比如數(shù)據(jù)幀中的CRC校驗碼。時間冗余是指當系統(tǒng)發(fā)生錯誤時，通過重復的指令來達到修復錯誤的目的。比如說網(wǎng)絡(luò)上的斷線重連等技術(shù)。軟件冗余是指在軟件設(shè)計時，為了解決軟件錯誤，崩潰等可能，通過一些冗余的代碼和技術(shù)來達到這個目的。比如說Windows中的系統(tǒng)自動恢復等。熱備份是指數(shù)據(jù)庫運行在歸檔模式(Archive Log)下的備份數(shù)據(jù)方法，歸檔模式是Oracle數(shù)據(jù)庫運行的一種方式，它可以提高數(shù)據(jù)庫的可恢復性，但熱備份需要大量的磁盤空間用于存儲，船舶的復雜運行情況正是需要這種具有很好恢復性的技術(shù)來保證其報警信息的完整，而且正常運行的船舶一般很少產(chǎn)生報警信息，完全符合熱備份的條件。在整個船舶的機艙中部署了多個監(jiān)控報警系統(tǒng)的主機用于監(jiān)視，而基于CAN總線的信息廣播機制，在每個主機中均會備份報警信息，以保證對船舶整體運行情況的監(jiān)視。雙CAN冗余熱備份技術(shù)作為安全和穩(wěn)定機制，在整個系統(tǒng)中必不可少。 本章小結(jié)本章對監(jiān)控報警系統(tǒng)所采用的現(xiàn)場總線技術(shù)進行了研究，通過描述現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展歷史和標準化過程，總結(jié)了現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的優(yōu)勢和特點，并針對監(jiān)控報警系統(tǒng)對不同總線進行了比較分析，最后決定采用CAN總線進行組網(wǎng)通信。本章還描述了CAN總線技術(shù)的概念和特點，并對監(jiān)控報警系統(tǒng)的傳輸時的CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進行了研究，從而決定了了監(jiān)控報警系統(tǒng)所采用的信息傳遞機制和應(yīng)用層的通信協(xié)議并提出了提高系統(tǒng)可靠性的雙CAN冗余熱備份技術(shù)。下一章將描述整個系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)和具體實現(xiàn)。第三章 監(jiān)控報警系統(tǒng)的分析與實現(xiàn)船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)因船舶的不同系統(tǒng)組成有所差異，機艙監(jiān)測設(shè)備越多，系統(tǒng)越復雜。本系統(tǒng)以一艘2500噸的載機漁政船為監(jiān)測對象進行機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的設(shè)計，該船監(jiān)測點數(shù)量較少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較大型船舶簡單，但包含了監(jiān)測報警系統(tǒng)必備的各項關(guān)鍵組成。本章從監(jiān)控報警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計入手，逐步分解監(jiān)控報警系統(tǒng)的工作流程和具體實現(xiàn)。在軟硬件設(shè)計方面遵循中國船級社的技術(shù)指標和行業(yè)規(guī)范，使用完備的工作流程和報警流程來保證系統(tǒng)的安全性，通過對系統(tǒng)監(jiān)測點的研究建立起整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)和方式，并對具體實現(xiàn)做了詳細的分析。 系統(tǒng)主要技術(shù)指標要求船舶工業(yè)對船舶報警監(jiān)控報警系統(tǒng)有一些具體的技術(shù)指標及行業(yè)規(guī)范，所有的產(chǎn)品都必須遵循這些指標和規(guī)范。本文對系統(tǒng)的指標和規(guī)范進行了概括和總結(jié)，如下文所示。 主要功能技術(shù)指標機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)在設(shè)計時必須滿足以下技術(shù)要求：，一旦運行設(shè)備發(fā)生故障，自動發(fā)出聲、光報警信號。對于無人值守機艙，監(jiān)測報警系統(tǒng)還能把報警信號延伸到駕駛臺、公共場所、輪機長房間和值班輪機員的住所。：聲光報警、參數(shù)與狀態(tài)顯示、打印記錄、報警延時、報警閉鎖、延伸報警、失職報警、值班呼叫、測試功能、備用電源的自動投入等。：一類是開關(guān)量，另一類是模擬量。：l 標準化。顯控、信號采集、控制等設(shè)備采用標準化的軟硬件模塊，可以根據(jù)船型和設(shè)計要求的不同增刪相應(yīng)的模塊的功能；l 網(wǎng)絡(luò)化。所有設(shè)備全部進行網(wǎng)絡(luò)連接，這樣不僅可以減少系統(tǒng)的接線成本，而且可以提高可靠性，便于系統(tǒng)和設(shè)備的綜合管理；l 智能化。系統(tǒng)通過標準化功能模塊的自學習和自修復功能，當系統(tǒng)中部分節(jié)點發(fā)生故障時仍能保證系統(tǒng)的有效，并通過系統(tǒng)自行配制對監(jiān)測系統(tǒng)進行修復。 產(chǎn)品行業(yè)規(guī)范要求船舶監(jiān)控報警系統(tǒng)除了要滿足以上技術(shù)要求外，還需按照《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》[[] 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2006]、《船舶機艙監(jiān)視報警裝置技術(shù)條件》[[] 全國標準化技術(shù)委員會. CB315383 船舶機艙監(jiān)視報警裝置技術(shù)條件[S]. 北京：中國船舶集團公司綜合研究所，1984]和《電氣電子產(chǎn)品型式認可試驗指南》[[] 中國船級社. 電氣電子產(chǎn)品型式認可試驗指南[S]. 北京：人民交通出版社，2006]等相關(guān)行業(yè)規(guī)范，此處從規(guī)范中總結(jié)了以下的重點要求：：環(huán)境溫度：0℃～55℃。濕度：當溫度小于或等于40℃時，相對濕度為95%～100%，當溫度大于40℃時，相對濕度為70%。振動：～，～80Hz時。：如報警己經(jīng)應(yīng)答，而且在第一次故障消除前又發(fā)生了第二次故障，此時應(yīng)再次發(fā)出視覺和聽覺報警信號。瞬時的故障發(fā)出的報警在應(yīng)答前要予以保持。：監(jiān)視和報警整定值的修改，僅限于指定人員借助鑰匙等工具，或使用專用代碼等方法才能進行。在建造檢驗后，應(yīng)特別注意重要功能報警整定值的修改是否合理。：在報警觸發(fā)時應(yīng)在2s時間內(nèi)顯示出報警通道；報警功能應(yīng)優(yōu)先于計算機其他操作動作，包括故障搜尋程序。對字母數(shù)字的顯示、列表和圖形顯示應(yīng)能迅速調(diào)用，其最大調(diào)用時間應(yīng)滿足：優(yōu)先級高的所有報警和報警列表顯示小于或等于2s，較低級