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1 基于CAN總線技術(shù)的分布式機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)概述
1.1 CAN總線分布式控制系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)越性
    現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN(Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)現(xiàn)場過程控制中，有如下特點(diǎn)：
    首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。

    其次，CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì)出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì)出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于"死鎖"狀態(tài)。

    而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強(qiáng)勁的市場競爭力的重要原因。

1.2 CAN總線分布式機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)概述
    根據(jù)CAN總線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有雙主機(jī)熱備冗余的全分布式機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)分上下兩層，上層位于集控室，采用兩臺(tái)高可靠、高性能的工業(yè)控制機(jī)構(gòu)成雙機(jī)熱備系統(tǒng)，下層位于機(jī)艙內(nèi)，由經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的各種數(shù)據(jù)采集模塊及輸出模塊構(gòu)成，用CAN總線將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊及位于集控室的兩臺(tái)上位機(jī)相連，從而構(gòu)成分布式監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。同時(shí)本系統(tǒng)還通過CAN總線將采集到的數(shù)據(jù)與狀態(tài)送到船舶綜合監(jiān)控系統(tǒng)的航行管理微機(jī)上進(jìn)行顯示。

2  分布式監(jiān)控系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容及性能指標(biāo)
2.1 研制內(nèi)容
    研制插于上位機(jī)中的智能型ISA總線CAN通訊卡，板上帶有CPU，負(fù)責(zé)管理CAN總線通訊任務(wù)，采用此智能型通訊卡可減小主CPU的負(fù)擔(dān)，卡上實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。研究機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)上位機(jī)軟件和雙機(jī)并聯(lián)熱備系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，使系統(tǒng)的各種帶有CAN總線接口的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元模塊（模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊及數(shù)字量輸入模塊單元）可靠性高、抗震、耐腐蝕。找出適合分布式機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的通訊協(xié)議。

2．2 性能指標(biāo)
    系統(tǒng)的測量誤差要小于5‰；系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)速度滿足船舶報(bào)警系統(tǒng)的要求，即報(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于兩秒。系統(tǒng)要具有熱備能力，當(dāng)一臺(tái)主機(jī)發(fā)生故障（死機(jī)或損壞）時(shí)，另一臺(tái)主機(jī)能接續(xù)不間斷運(yùn)行。且系統(tǒng)操作簡單、維護(hù)方便，具有直觀的人機(jī)界面。

3  技術(shù)方案、技術(shù)措施
3.1  技術(shù)方案
    機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的主機(jī)采用高性能和高可靠的CPU：Pentium系列的工業(yè)控制微機(jī)。兩臺(tái)主機(jī)構(gòu)成其熱備系統(tǒng)；采用CAN總線構(gòu)成系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)；80C196，CAN通訊接口SJA1000等構(gòu)成現(xiàn)場采集單元模塊。采用INTEL 80C196嵌入式微處理器的ISA總線智能CAN通訊卡和SJA1000CAN的控制器。CAN通訊卡采用雙口RAM方式與主機(jī)交換數(shù)據(jù)，以加快通訊卡與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率。主機(jī)與各采集模塊的通訊軟件采用匯編和VC++設(shè)計(jì)，人機(jī)界面采用組態(tài)軟件FIX設(shè)計(jì)。

3．2  技術(shù)措施
    機(jī)艙報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵和難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備冗余，需解決的問題包括雙主機(jī)的快速無擾動(dòng)切換、雙機(jī)運(yùn)行的協(xié)調(diào)以及數(shù)據(jù)的同步問題。一般的備用方式是一臺(tái)為主機(jī)進(jìn)行正常的監(jiān)控任務(wù)，另一臺(tái)處于備用狀態(tài)，當(dāng)檢測到主機(jī)故障時(shí)自動(dòng)投入運(yùn)行，這種方式必然存在著切換延遲等問題。作者利用CAN總線的特點(diǎn)，采用了雙機(jī)同時(shí)運(yùn)行的備份方式，實(shí)現(xiàn)了完全意義上的雙機(jī)熱備。為保持其數(shù)據(jù)同步及協(xié)調(diào)運(yùn)行，減少網(wǎng)絡(luò)信息流量，不采用由主機(jī)對各現(xiàn)場采集模塊逐臺(tái)查詢的通訊方式，而是充分利用CAN總線的優(yōu)點(diǎn)，由各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)主動(dòng)定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)，對報(bào)警數(shù)據(jù)則隨時(shí)采用高優(yōu)先權(quán)進(jìn)行優(yōu)先發(fā)送，以保證報(bào)警時(shí)間的要求。為使兩臺(tái)主機(jī)的數(shù)據(jù)保持同步，各模塊的數(shù)據(jù)是采用廣播方式發(fā)送的，即網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可收到數(shù)據(jù)，而不需要這些數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，則可通過CAN控制器的特殊的屏蔽碼將這些數(shù)據(jù)予以屏蔽。由于CAN 總線采用優(yōu)先權(quán)編碼的仲裁方式，保證了兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)發(fā)生沖突，也不會(huì)象以太網(wǎng)那樣發(fā)生阻塞，因此保證了所有節(jié)點(diǎn)都能正常地發(fā)送數(shù)據(jù)。

4  集中式機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的局限
    目前的船舶機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)大部分采用集中式監(jiān)控的方式，這種系統(tǒng)是把被監(jiān)測的各類信號(hào)，通過電纜線一對一的傳送到集控室，這種集中式監(jiān)控系統(tǒng)存在的一個(gè)重要問題是當(dāng)監(jiān)控微機(jī)出現(xiàn)故障后，沒有替代系統(tǒng)可接續(xù)運(yùn)行，直接導(dǎo)致監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)癱瘓失靈，同時(shí)，即使監(jiān)控微機(jī)故障修復(fù)，恢復(fù)工作后，也不能在故障斷點(diǎn)接續(xù)工作，使得系統(tǒng)出現(xiàn)延時(shí)、滯后的失控盲區(qū)，直接威脅到船舶的安全運(yùn)行。對于船舶重要的安全設(shè)備中，主控微機(jī)突然失控，后果不堪設(shè)想。另一方面，由于這種系統(tǒng)的每個(gè)信號(hào)都要從機(jī)艙引到集控室，這將消耗大量昂貴的電纜線，增加各類工程費(fèi)用等，使得系統(tǒng)造價(jià)過高，。因此無論從技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)性，集中式監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)都存在較大的缺陷。

5  CAN總線分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    微控制器選用單片機(jī)80C196KC，CAN接口由獨(dú)立控制器SJA1000 。SJA1000有兩種工作模式：Basic CAN模式和PeliCAN模式，其中PeliCAN模式全面支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000作為微控制器的片外擴(kuò)展芯片，其片選引腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN控制器各寄存器的地址。

    CAN總線節(jié)點(diǎn)要有效、實(shí)時(shí)地完成通信任務(wù)，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。它主要包括節(jié)點(diǎn)初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序、報(bào)文接收程序 以及CAN總線出錯(cuò)處理程序等等。CAN控制器芯片SJA1000的內(nèi)部寄存器是以作為微控制器的片外寄存器存在并作用的。微控制器和SJA1000之間狀態(tài)、控制和命令的交換都是通過在復(fù)位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫來完成的。在初始化CAN內(nèi)部寄存器時(shí)注意使得各節(jié)點(diǎn)的位 速率必須一致，而且接、發(fā)雙方必須同步。報(bào)文的接收主要有兩種方式：中斷和查詢接收方式。為提高通信的實(shí)時(shí)性，文中采用中斷接收方式，而且這樣也可保證接收緩存器不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。PeliCAN工作模式支持CAN協(xié)議中的更多功能。下面給出SJA1000工作在模PeliCAN式下的節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送、報(bào)文接收的196匯編源程序。

INITIALIZE：    初始化子程序
LDB AL, #09H；  初始化模式寄存器進(jìn)入復(fù)位模式
STB AL, MODE；  選擇單濾波方式
LDB AL, #88H；  時(shí)鐘分頻器 
STB AL, CDR；   選Peli CAN模式
LDB AL, #00H
STB AL, ACR0；  初始化接收代碼寄存器
LDB AL, #60H
STB AL, ACR1
LDB AL, #00H
STB AL, AMR0；  初始化接屏蔽寄存器
LDB AL, #3FH；  只接收標(biāo)識(shí)符為2，3的報(bào)文
STB AL, AMR1
LDB AL, #8FH
STB AL, IER；   中斷使能寄存器
LDB AL, #01H；  總線定時(shí)寄存器0、1的設(shè)置
STB AL, BTR0；
LDB AL, #1CH；  在16MHz晶振情況下
STB AL, BTR1；  波特率設(shè)置為250
LDB AL, #0AAH
STB AL, OCR；   輸出控制器寄存器設(shè)置
LDB AL, #0H；   接收緩存器起始地址設(shè)為0
STB AL, RBSA；
LDB AL, #01H；
ORB AL, MODE；
STB AL, MODE；   返回工作模式
RET 

TRANSMIT：；           發(fā)送子程序
LDB AL, SR
SRCVE: JBS AL,4, SRCVE；正接收？
STRSV: JBC AL,3, STRSV；發(fā)送成功？
STBF: JBC AL, 2, STBF； 發(fā)送緩存器鎖定否
WID: LDB AL, #08H
LD BX, #TXB；          發(fā)送緩存的首址
STB AL,[BX]+；         傳送兩個(gè)字節(jié)的標(biāo)識(shí)符
LDB AL,#ID0
STB AL,[BX]+
LDB AL,#ID1
STB AL,[BX]+
LDB COUT,#08H；         8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)
TDATA: LDB AL,[DATA]+   CPU內(nèi)的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)首址
STB AL,[BX]+；
DJNZ COUT,TDATA；       8個(gè)字節(jié)發(fā)完否？
LDB AL,#01H；
STB AL,CMR；            發(fā)送
RET

RECEIVE：     ； 接收中斷程序
PUSHF；          保護(hù)現(xiàn)場
LDB AL,IR
JBC AL,0,OTHER； 接收中斷否？
LD BX,#RXB；     接收緩存器首址
LDB AL,[BX]+
JBC AL,6,RCDATA；標(biāo)識(shí)符的RTR=1？
LDB AL,#04H；    是遠(yuǎn)程幀,釋放接收緩存區(qū)
STB AL,CMR； 
LCALL TRANSMIT； 相應(yīng)遠(yuǎn)程幀,發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)
SJMP BACK
RCDATA：
ANDB AL,#0FH；   取低四位數(shù)據(jù)長度
ADDB AL,#03H；
STB AL,R1；      該報(bào)文含有的字節(jié)數(shù)
LD BX,#RXB；     接收緩存器的首地址
LD CX,#CRBF；    CPU內(nèi)的接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)首址
RECE：
LDB AL,[BX]+
STB AL,[CX]+
INCB R1
DJNZ R1,RECE；   接收完否？
LDB AL,#04H
STB AL,CMR；     釋放接收緩存區(qū)
BACK；
POPF
RET

6  先進(jìn)總線技術(shù)的發(fā)展
    現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于船舶上，可以實(shí)現(xiàn)全分布式機(jī)艙監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，徹底解決集中式系統(tǒng)存在的問題。因此，開發(fā)研制船用現(xiàn)場總線系統(tǒng)技術(shù)，不僅可提高船舶工業(yè)的科技水平，同時(shí)可保證船舶安全運(yùn)行的可靠性。

    國內(nèi)近幾年來也在工業(yè)現(xiàn)場總線方面有很大的發(fā)展。如CAN，LONGWORKS，PROFIBUS，F(xiàn)F等。其中基于CAN（Control Area Network）的工業(yè)線現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、通訊速率高，其芯片的開發(fā)生產(chǎn)得到西門子、莫托羅拉、飛利浦等等大公司的支持，開發(fā)簡單易行，是目前最有前途的高性能價(jià)格比的現(xiàn)場總線，已開始在我國的工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該種總線系統(tǒng)將是工業(yè)控制現(xiàn)場總線控領(lǐng)域主要產(chǎn)品之一。