船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用Word文档格式.docx
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摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1船舶机舱自动化技术的发展现状与趋势1
1.2本课题选择的背景和意义2
1.3论文完成的主要内容和体系结构3
第二章现场总线在船舶机舱自动化系统中的应用4
2.1现场总线技术概述4
2.2船用现场总线的优越性5
2.3CAN现场总线技术的研究6
2.3.1CAN技术规范简介及特点6
2.3.2CAN总线通信协议模型及分层结构8
2.4CAN总线在船舶机舱自动化系统中的应用9
第三章工业以太网在船舶机舱自动化系统中的应用11
3.1工业以太网技术的研究11
3.1.1工业以太网体系结构12
3.1.2工业以太网帧结构14
3.2工业以太网介质访问控制协议与实时性分析15
3.3CAN总线技术与工业以太网技术的对比及共存方案的研究18
第四章船舶机舱综合监控系统双冗余通信网络的设计20
4.1双冗余网络型机舱综合监控系统模型20
4.2CAN总线冗余方案的研究与设计22
4.3工业以太网的冗余方案的研究与设计24
第五章CAN总线网络与工业以太网互联技术的研究及硬件系统设计26
5.1CAN总线网络与工业以太网互联的必要性26
5.2系统集成互联方案及协议转换思想26
5.2.1互联网关模型28
5.2.2协议转换思想28
5.3网关系统硬件设计29
5.3.1系统方案分析论证与硬件选型29
5.3.2主要芯片功能简介32
5.3.3外部扩展RAM模块34
5.3.4CAN接口模块35
5.3.5工业以太网接口模块38
5.3.6RS-232串口模块41
5.3.7硬件系统的抗干扰设计41
第六章互联网关软件系统的设计43
6.1CAN总线接口模块43
6.2工业以太网模块45
6.2.1RTL8019AS的初始化及RAM数据的读取45
6.2.2以太网数据帧的发送和接收47
6.2.3嵌入式TCP/IP协议栈的实现50
6.3CAN-工业以太网协议转换模块59
第七章总结与展望60
参考文献64
致谢67
攻读硕士学位期间发表论文情况68
附录一CAN接口模块程序69
附录二工业以太网模块驱动程序72
附件三嵌入式TCP/IP协议栈实现程序（部分）74
第一章绪论
1.1船舶机舱自动化技术的发展现状与趋势
船舶机舱自动化是船舶自动化的重要组成部分，是衡量船舶现代化程度的重要标志之一，船舶机舱自动化技术已成为当代船舶界共同关注的课题之一。
船舶机舱自动化系统是集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体的综合监控系统，是涉及计算机网络技术、数字化信息技术、现代控制技术、通信及信息处理技术、电力电子技术等多种学科和技术综合应用的一体化产物。
机舱自动化系统包括主动力系统、发电系统等多个子系统的控制与监测，例如主机遥控系统、机舱综合监测报警系统、电站管理系统等。
未来船舶机舱自动化技术模块化以、标准化、系列化、集成化、智能化等方式，向着开放式和网络化这个更高层次阶段方向发展[1]。
欧美主要海事大国的船舶仪器厂商都已推出了具有现代化先进水平的大型船舶自动化装备。
船舶机舱综合监控系统是机舱自动化系统最早采用的形式。
它可以代替轮机人员在较为恶劣的环境下对主机及辅助设备的运行状况进行监测，并在运行设备发生故障后给出声、光报警信号。
当轮机人员应答后撤销报警，并进入故障记忆状态，排除故障后即可撤销故障记忆。
同时，还可将报警信号延伸至公共场所、轮机长及值班人员处所，从而实现真正意义上的无人职守[2]。
由此可见，先进的机舱监测报警系统不仅能够提高运营经济性、安全可靠性而且极大地推动了船舶自动化的进程和“智能型”船舶的实现。
上世纪90年代，基于现场总线技术的新型全分布式控制系统的出现为实现控制系统各节点之间可靠、实时的数据通信提供了有力的技术保障，对自动监控系统的体系结构、设计方案、安装测试方法等方面产生了较深远的影响，并逐步应用于船舶机舱自动监控领域。
船舶机舱分布式总线监控系统最初是由加拿大海军研发并广泛应用于驱逐舰、潜艇等。
它以总线为核心，将所有控制台中的微机连接成网，共享数据[3]。
进入21世纪，各研究机构纷纷加强了该系统的研制。
目前，挪威的Kongsberg公司、美国Sperry公司和丹麦Lyngso公司都已开发出较为先进的船舶机舱综合监控系统。
并已实际应用于各类船舶。
我国在船舶机舱自动化技术方面起步较晚，与国外先进技术相比还存在较大差距。
目前国内研制机舱综合监控装置，在测量、控制精度、稳定性和可靠性方面均不太理想。
因此，加快研发高可靠性、功能齐全的网络型多微机分布式机舱自动化控制系统将是我国船舶机舱自动化技术的发展方向[4]。
1.2本课题选择的背景和意义
随着我国航运事业的蓬勃发展，对船舶自动化、信息化水平的要求越来越高。
虽然近年来我国船舶机舱自动化技术发展迅速，但与国际先进技术水平相比还存在较大差距。
主要变现为：
网络设备的船用条件适应性不够、船舶信息的集成度、通信的安全性和可靠性不高。
因此，探索和跟踪国外船舶自动化领域的最新发展趋势，通过自主研发与引进先进技术相结合，加快我国船舶机舱自动化网络技术的全面研究和产品开发，促进机舱自动化产品的升级换代，全面提高我国船舶机舱自动化技术水平具有重要的现实意义。
本课题的研究出发点也正是如此。
为了将机舱各种相对独立的子系统集成为一体化的综合网络通信平台，以往常采用子系统组合方式。
各个独立子系统只能单独操作，不能实现信息的共享。
现场总线技术正是满足了船舶信息集成化的发展需要，将船舶的各个控制对象综合成统一的控制整体。
并且随着通信技术和计算机网络技术的发展，各子系统之间实现数据共享和集中统一操作成为可能[5]。
为此需要在船用底层现场网络和上层综合监控信息网络之间加入网络连接和协议转换的专门网关设备，使二者实现互连、互通，形成船舶机舱一体化的综合网络平台。
这样不仅扩网方便，操作使用简单，而且可以实现数据的通信与资源的共享，便于实现船舶监控、诊断和维护功能，为船舶管理的优化控制、调度决策提供依据，对今后船舶机舱综合自动化系统的发展具有普遍意义。
随着船舶工业的不断发展，自动化技术的不断提高，现代船舶营运对船舶自动化系统信息集成化程度的要求越来越高，对船员自动化技术水平的要求也越来越高。
因此，自动化机舱实验室在船员培训教学中起到越来越重要的作用。
鉴于此，我国航海类高等院校相继建立了自动化模拟机舱实验室，为我国航海事业输送了大批优秀人才。
随着航海技术与自动化技术的不断提高，新型船舶自动化技术大量出现并逐渐成为当今造船技术的主流。
正是在这个背景下，为使理论教学和实践训练与国际最新技术接轨，各船舶机舱实验室需要不断的改进与升级。
本课题作为上海海事大学与南通航运职业技术学院合作开发的新型自动化机舱项目的一部分，着重对船舶自动化机舱的通信网络进行研究与设计。
1.3论文完成的主要内容和体系结构
本课题对船舶自动化机舱的网络通信技术进行研究与设计，主要解决船舶自动化机舱的通信网络结构、机舱底层现场控制网络与船舶综合监控局域网之间的数据通信及二者互联等技术问题。
结合该项目的实际研制开发过程，本课题完成如下工作：
1探讨CAN总线的基本工作原理，研究CAN现场总线的性能特点，CAN通信协议模型及分层结构，并对CAN总线各类冗余方案进行研究。
2对工业以太网技术及TCP/IP协议栈进行深入研究，分析工业以太网技术的实时性与安全性，最后对CAN总线技术与工业以太网技术进行对比并且设计了两种网络技术的共存方案。
3论述在船舶自动化机舱中采用CAN现场总线和工业以太网的优越性，在深入研究国内外最新机舱自动化综合监控系统网络通信技术现状的基础上，确定基于CAN总线和工业以太网的双冗余船舶机舱自动化网络监控系统结构模型，并对冗余双CAN总线设计和冗余环形工业以太网设计进行了论述。
4深入研究CAN总线网络与工业以太网的互联技术，确定网关模型和协议转换思路，着重进行网关系统的软硬件设计，并分为两个章节分别详细描述了网关系统的硬件设计和软件设计。
本课题的研究成果已成功应用于上海海事大学与南通航运职业技术学院合作开发的轮机自动化机舱中。
第二章现场总线在船舶机舱自动化系统中的应用
2.1现场总线技术概述
按照国际电工委员会和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全双向、多分支结构的通信网络。
从通信规范意义上讲，现场总线实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的工业控制系统的新型通信标准，是自动化领域的计算机局域网[6]。
它不仅是当今控制技术、计算机技术和通信技术发展的结合点，同时也是信息技术和网络技术延伸到现场的必然结果。
现场总线技术己成为工业自动化领域技术发展的重点课题，采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化，控制功能的分散化和控制系统的开放化，符合工业控制技术的发展趋势。
早期的集散控制系统（DCS）采用专用的控制器和内部数据总线，不同厂家之间缺乏互操作性和互换性，而处于生产过程底层的测控自动化系统仍采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量和控制，难以实现设备与设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。
随着微处理器与计算机功能的增强和价格的降低，计算机网络系统得到迅速发展，为实现信息集成和综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层设备之间以及生产现场与外界之间的信息交换。
现场总线就是在这种实际需要的促使下应运而生。
现场总线系统FCS在技术上具有以下几方面的优点[6]：
1系统的开放性。
开放性是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识和遵从。
现场总线作为开放式互连网络，既可以与同层网络互连，也可以通过网络互连设备与不同层次的控制网络和信息网络互连，共享资源，统一调度。
用户可按自己的需要和考虑，通过现场总线构筑自动化领域的开放互联系统。
2全分布与现场设备的智能化。
现场总线系统可以将传感、计算、报警与控制等功能分散到现场设备与仪表中完成，减少了变送器、调节器等大量的中间环节及复杂接线，实现真正的分布式控制和现场设备的智能化。
3全数字化。
现场总线系统采用全数字化信号传输，提高了控制系统的可靠性。
4互操作性。
现场仪表和设备品种繁多，在遵守相同通信协议的前提下，现场总线允许不同制造商的产品集成在一起，实现不同品牌的仪表和设备之间的互相连接，并统一组态。
5通信线路供电。
对于功耗要求低的现场本质安全仪表，直接从通信线路上获得电源。
6较强的现场环境的适应性。
现场总线可支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、射频、电力线等，具有较强抗干扰能力，并可满足本质安全防爆等要求。
综上所述，现场总线控制系统（FCS）既是一个开放式的现场总线通信网络，又是一个全分布式的实时网络控制系统。
现场总线作为智能设备的联系纽带，将总线上各个智能节点设备连接成网，并通过组态实现基本控制、显示、参数修改、报警、监控、优化以及测、控、管一体化的功能，在过程自动化、制造自动化、楼字自动化、电力、交通等领域都有广泛的应用前景。
现场总线技术适应了工业控制系统智能化、网络化和分散化的发展趋势。
以现场总线为基础的全数字控制系统是21世纪自动化控制系统的发展方向。
2.2船用现场总线的优越性
20世纪90年代中期，以现场总线技术为基础的全数字式控制系统扩展到了船舶工业领域，使船舶自动控制技术得到了新的发展。
现场总线是船舶控制站到机舱现场设备的延伸，是支撑网络信息集成的技术基础，也是现场级设备实时监控的手段。
由于现场总线的优点，特别是现场总线简化的系统结构，使控制系统从设计、安装、调试到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性[7]。
对于船舶而言，首先与其他的工业控制相比，船舶的空间较之楼宇和工厂相对较小，因而引入现场总线，减少线缆连接所节约的成本并不显著。
其次控制对象规模一般较小，基本不会出现多种系统集成的问题，因此对控制网络的容量要求不高。
第三机舱空间狭小，设备布置紧凑，信号干扰严重。
针对船舶现场环境的特殊要求，船用现场总线更能体现出其优越性：
提高了船舶测控系统的准确性与可靠性；
节省硬件数量与投资；
用户有高度的系统集成主动权；
节约安装费用；
节省维护开销。
此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单、易于重构、抗干扰性和可靠性高等优点[8]。
综合以上因素，船舶自动监控系统应该采用实时性好、抗干扰能力强、成本低廉、开发和使用难度较小的现场总线。
比较各种现场总线技术特点可以看出，较适合船舶上应用的总线有Lonworks总线、CAN（ControllerAreaNetwork）总线和HART总线，事实上这几种总线在船舶工业均有实际的应用，尤其以CAN总线的应用成果最多，几乎全世界所有船舶自动化设备公司，如SIEMENS、NOROCOTROL、MTU等公司生产的产品都支持CAN标准。
随着CAN总线技术的日渐成熟，它在船舶自动控制领域的应用也越来越广泛。
CAN总线被广泛应用于船舶机舱监控报警、巡回检测、电站监控以及火灾报警系统中。
可见CAN现场总线在船舶自动化监控领域中具有较高的实际应用价值[9]。
2.3CAN现场总线技术的研究
CAN现场总线是控制器局域网的简称，它以其优良的性能、高可靠性和实时性越来越受到工业界的青睐，已被广泛应用于交通运输、工业控制、楼宇自动化、航空工业、嵌入式网络等领域。
CAN报文采用短帧结构，传输时间短，抗干扰性强，可靠性高，这使得CAN可应用于实时控制系统中；
采用非破坏总线仲裁技术，大大节省了总线冲突仲裁时间。
尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。
CAN节点在错误严重的情况下会自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响[10]。
同时CAN总线具有较高的性能价格比，并且结构简单，能充分利用现有的微处理器开发工具，开发技术容易掌握。
因此，CAN总线技术在船舶机舱自动控制领域有着广泛的应用前景。
2.3.1CAN技术规范简介及特点
1986年在汽车工程人员协会大上，Bosch公司提出了基于串行数据通信协议的汽车串行控制局域网CAN协议。
（AutomotiveSerialControllerAreaNetwork）。
此后CAN总线迅速在汽车制造领域得到了迅速推广。
1991年9月Philips公司制定并颁布了CAN技术规范2.OA/B版本，1993年11月国际标准化组织（ISO）正式颁布了关于CAN总线的ISO11898标准，为CAN总线的标准化、规范化应用铺平了道路。
CAN总线是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求具有较高的位速率、较高的抗电磁干扰性和很强的检错纠错能力。
在CAN总线的通信协议中，没有节点地址的概念，它是一种基于数据的工作方式。
总线空闲时，任何节点均可以将报文数据发送到总线上。
CAN节点设有优先级，当发送存在冲突时优先级高的节点可获得总线使用权。
由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通讯总线相比，CAN总线技术具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
其特点可概括如下[10]：
a）CAN为多主方式工作，网络上任意节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，而不分主从。
b）CAN采用非破坏总线仲裁技术。
当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。
尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况（以太网可能）。
c）在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输。
d）CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。
e）CAN通信速率在5kbps的直接通讯距离最远可达10km。
f）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。
在标准帧报文标识符有11位，而在扩展帧的报文标识符（29位）的个数几乎不受限制。
g）报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据高度可靠性。
h）CAN的每帧信息都由CRC校验及其它检错措施，具有极好的检错效果。
i）CAN的通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤等，选择灵活。
j）CAN节点在错误严重的情况下会自动关闭输出功能。
k）CAN总线具有较高的性能价格比。
它结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的微处理器开发工具。
CAN总线上用“显性”（Dominant）和“隐性”（Recessive）两个互补的逻辑值表示“0”和“1”。
当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线数值为显性（即“0”与“1”的结果为“0”）。
如图2-1所示，VCAN-H和VCAN-L为CAN总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压形式出现。
在隐性状态，VCAN-H和VCAN-L被固定在平均电压电平附近，Vdiff近似于0。
在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位。
显性位以大于最小阀值的差分电压表示。
图2-1总线位的数值表示
2.3.2CAN总线通信协议模型及分层结构
国际标准化组织的开放系统互联模型简称OSI参考模型，为不同厂商的计算机设备互联提供了一套共同的规范要求和标准框架。
它将开放系统的通信功能划分为7个层次分别为：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
通常底层的物理层、数据链路层和网络层完成通信信息的传输功能，其余的
升级会员 