1 基于CAN總線技術(shù)的分布式機艙監(jiān)控系統(tǒng)概述
1.1 CAN總線分布式控制系統(tǒng)特點及優(yōu)越性
    現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(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控制的串行通信網(wǎng)絡，在工業(yè)現(xiàn)場過程控制中，有如下特點：
    首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文標識符)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)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，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)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡中，當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡中，因個別節(jié)點出現(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、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN總線應用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。

1.2 CAN總線分布式機艙監(jiān)控系統(tǒng)概述
    根據(jù)CAN總線的特點，設計了具有雙主機熱備冗余的全分布式機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)，系統(tǒng)分上下兩層，上層位于集控室，采用兩臺高可靠、高性能的工業(yè)控制機構(gòu)成雙機熱備系統(tǒng)，下層位于機艙內(nèi)，由經(jīng)過特殊設計的各種數(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上位機相連，從而構(gòu)成分布式監(jiān)控報警系統(tǒng)。同時本系統(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)的航行管理微機上進行顯示。

2  分布式監(jiān)控系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容及性能指標
2.1 研制內(nèi)容
    研制插于上位機中的智能型ISA總線CAN通訊卡，板上帶有CPU，負責管理CAN總線通訊任務，采用此智能型通訊卡可減小主CPU的負擔，卡上實現(xiàn)本系統(tǒng)的CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。研究機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)上位機軟件和雙機并聯(lián)熱備系統(tǒng)的實現(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。找出適合分布式機艙監(jiān)控系統(tǒng)的通訊協(xié)議。

2．2 性能指標
    系統(tǒng)的測量誤差要小于5‰；系統(tǒng)報警響應速度滿足船舶報警系統(tǒng)的要求，即報警響應時間小于兩秒。系統(tǒng)要具有熱備能力，當一臺主機發(fā)生故障（死機或損壞）時，另一臺主機能接續(xù)不間斷運行。且系統(tǒng)操作簡單、維護方便，具有直觀的人機界面。

3  技術(shù)方案、技術(shù)措施
3.1  技術(shù)方案
    機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)的主機采用高性能和高可靠的CPU：Pentium系列的工業(yè)控制微機。兩臺主機構(gòu)成其熱備系統(tǒng)；采用CAN總線構(gòu)成系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡；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方式與主機交換數(shù)據(jù)，以加快通訊卡與主機的數(shù)據(jù)傳送速率。主機與各采集模塊的通訊軟件采用匯編和VC++設計，人機界面采用組態(tài)軟件FIX設計。

3．2  技術(shù)措施
    機艙報警系統(tǒng)的關(guān)鍵和難點是實現(xiàn)雙機熱備冗余，需解決的問題包括雙主機的快速無擾動切換、雙機運行的協(xié)調(diào)以及數(shù)據(jù)的同步問題。一般的備用方式是一臺為主機進行正常的監(jiān)控任務，另一臺處于備用狀態(tài)，當檢測到主機故障時自動投入運行，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，采用了雙機同時運行的備份方式，實現(xiàn)了完全意義上的雙機熱備。為保持其數(shù)據(jù)同步及協(xié)調(diào)運行，減少網(wǎng)絡信息流量，不采用由主機對各現(xiàn)場采集模塊逐臺查詢的通訊方式，而是充分利用CAN總線的優(yōu)點，由各現(xiàn)場節(jié)點主動定時向上位機發(fā)送采集數(shù)據(jù)，對報警數(shù)據(jù)則隨時采用高優(yōu)先權(quán)進行優(yōu)先發(fā)送，以保證報警時間的要求。為使兩臺主機的數(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)上每個節(jié)點都可收到數(shù)據(jù)，而不需要這些數(shù)據(jù)的節(jié)點，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，保證了兩個或多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時不會發(fā)生沖突，也不會象以太網(wǎng)那樣發(fā)生阻塞，因此保證了所有節(jié)點都能正常地發(fā)送數(shù)據(jù)。

4  集中式機艙監(jiān)控報警系統(tǒng)的局限
    目前的船舶機艙監(jiān)測報警系統(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，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)存在的一個重要問題是當監(jiān)控微機出現(xiàn)故障后，沒有替代系統(tǒng)可接續(xù)運行，直接導致監(jiān)測報警系統(tǒng)癱瘓失靈，同時，即使監(jiān)控微機故障修復，恢復工作后，也不能在故障斷點接續(xù)工作，使得系統(tǒng)出現(xiàn)延時、滯后的失控盲區(qū)，直接威脅到船舶的安全運行。對于船舶重要的安全設備中，主控微機突然失控，后果不堪設想。另一方面，由于這種系統(tǒng)的每個信號都要從機艙引到集控室，這將消耗大量昂貴的電纜線，增加各類工程費用等，使得系統(tǒng)造價過高，。因此無論從技術(shù)上或經(jīng)濟性，集中式監(jiān)測報警系統(tǒng)都存在較大的缺陷。

5  CAN總線分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計
    微控制器選用單片機80C196KC，CAN接口由獨立控制器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)點要有效、實時地完成通信任務，軟件的設計是關(guān)鍵，也是難點。它主要包括節(jié)點初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序 以及CAN總線出錯處理程序等等。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)部寄存器時注意使得各節(jié)點的位 速率必須一致，而且接、發(fā)雙方必須同步。報文的接收主要有兩種方式：中斷和查詢接收方式。為提高通信的實時性，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)點初始化、報文發(fā)送、報文接收的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入復位模式
STB AL, MODE；  選擇單濾波方式
LDB AL, #88H；  時鐘分頻器 
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；  只接收標識符為2，3的報文
STB AL, AMR1
LDB AL, #8FH
STB AL, IER；   中斷使能寄存器
LDB AL, #01H；  總線定時寄存器0、1的設置
STB AL, BTR0；
LDB AL, #1CH；  在16MHz晶振情況下
STB AL, BTR1；  波特率設置為250
LDB AL, #0AAH
STB AL, OCR；   輸出控制器寄存器設置
LDB AL, #0H；   接收緩存器起始地址設為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]+；         傳送兩個字節(jié)的標識符
LDB AL,#ID0
STB AL,[BX]+
LDB AL,#ID1
STB AL,[BX]+
LDB COUT,#08H；         8個字節(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；標識符的RTR=1？
LDB AL,#04H；    是遠程幀,釋放接收緩存區(qū)
STB AL,CMR； 
LCALL TRANSMIT； 相應遠程幀,發(fā)送相應數(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  先進總線技術(shù)的發(fā)展
    現(xiàn)場總線技術(shù)應用于船舶上，可以實現(xiàn)全分布式機艙監(jiān)控報警系統(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，同時可保證船舶安全運行的可靠性。

    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。