基于CANopen協(xié)議的智能液位遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對目前海事應(yīng)用中液位遙測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，基于ARM9芯片的WinCE嵌入式開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)一套智能的液位遙測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用CAN總線，遵循CANopen協(xié)議，在EVC開發(fā)環(huán)境下結(jié)合多線程技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙測系統(tǒng)的通信和界面顯示功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、生動(dòng)地實(shí)現(xiàn)了通信、顯示、存儲(chǔ)、打印等功能，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

引言

液位遙測系統(tǒng)是油輪和化學(xué)品船的核心部分［1］，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(nèi)該行業(yè)還處于低技術(shù)的惡性競爭，要改變這種狀況，只有通過提升技術(shù)水平才能實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)就是在此背景下進(jìn)行研究設(shè)計(jì)的。

該系統(tǒng)是以ARM9為內(nèi)核，在WinCE操作系統(tǒng)平臺(tái)下，以CAN通信為基礎(chǔ)，CANopen協(xié)議為規(guī)范，綜合應(yīng)用EVC編程、CAN通信、數(shù)據(jù)庫、多線程等技術(shù)設(shè)計(jì)的一個(gè)智能液位遙測系統(tǒng)。

ARM9的工作頻率最高為200 MHz，微處理器內(nèi)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）總線是一種多主從結(jié)構(gòu)，具有報(bào)文仲裁，錯(cuò)誤自檢測、處理機(jī)制，較強(qiáng)的通信能力，較強(qiáng)的短路保護(hù)能力，通信方式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)。船舶液位遙測系統(tǒng)是一個(gè)局域網(wǎng)控制系統(tǒng)，選用CAN總線更能滿足其傳輸?shù)母呖煽啃裕?］。

1 CANopen協(xié)議

CANopen最初由從事工業(yè)控制的CiA會(huì)員開發(fā)，由于CANopen是一種公共、開放、通用的協(xié)議，而且精練透明、容易開發(fā)，如今已經(jīng)被接受為CAN高層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)之一。

圖1 CANopen設(shè)備模塊

一個(gè)CANopen設(shè)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上收發(fā)通信對象的服務(wù);不同CANopen設(shè)備間的通信都是通過交換通信對象來完成的， 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(shè)備使用的所有數(shù)據(jù)類型、通信對象和應(yīng)用對象;對象字典位于通信程序和應(yīng)用程序之間，用于向應(yīng)用程序提供接口。應(yīng)用程序?qū)ο笞值溥M(jìn)行操作，即可實(shí)現(xiàn)CANopen通信。它包括功能部分和通信部分，通信部分通過對對象字典進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)CANopen通信;而功能部分則根據(jù)應(yīng)用要求來實(shí)現(xiàn)。

在CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的一個(gè)對象字典，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的對象字典都具有相同的結(jié)構(gòu)；但具體的內(nèi)容要根據(jù)不同的設(shè)備而定，包含了描述該設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。CANopen協(xié)議還定義了4種報(bào)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(bào)文（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO）、過程數(shù)據(jù)對象（PDO）和預(yù)定義報(bào)文或特殊功能對象。

2 液位遙測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

液位遙測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)2項(xiàng)功能：

① 對各艙的液位、溫度、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；

② 當(dāng)監(jiān)測高于報(bào)警值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

針對這2項(xiàng)功能，采用了CAN總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 液位遙測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由圖2可知，整個(gè)系統(tǒng)以CAN總線進(jìn)行通信，然而CAN芯片只提供了開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）中的物理層和鏈路層功能，一般用戶必須直接用驅(qū)動(dòng)程序操作鏈路層。不能直接滿足控制網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)和產(chǎn)品互連要求。為了以CAN芯片為基礎(chǔ)構(gòu)成完整的工業(yè)控制現(xiàn)場總線系統(tǒng)，必須制定相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的組態(tài)、設(shè)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(shè)計(jì)、具有通信功能的智能化遠(yuǎn)程I/O單元。DPU單元分布在船艙各處，作為傳感器和執(zhí)行器的接口，直接與傳感器和執(zhí)行器相連。各個(gè)DPU單元可以用兩根普通的雙芯屏蔽電纜（ 或雙絞線等）連接到CAN總線上，將定時(shí)采集的各船艙液位高度、溫度等各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。

目前，基于CANopen的DPU的各種模塊（模擬量輸入/輸出、數(shù)字量輸入/輸出等）可以根據(jù)具體的監(jiān)測點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)中，完成液位、溫度、壓力等的監(jiān)測。

圖3 上位監(jiān)測點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 上位監(jiān)測點(diǎn)

在本系統(tǒng)中，上位監(jiān)測點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)通信和應(yīng)用兩個(gè)方面功能，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

ARM9的開發(fā)平臺(tái)已將CAN驅(qū)動(dòng)嵌入，根據(jù)CAN2.0協(xié)議，可以直接完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的通信，因此，在WinCE操作系統(tǒng)下，實(shí)現(xiàn)CANopen通信，解析通信對象，調(diào)用應(yīng)用程序，完成整個(gè)上位系統(tǒng)的CANopen通信。

3 CANopen通信的實(shí)現(xiàn)

3.1 CAN通信

CAN通信通過調(diào)用底層封裝的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主要包含：

開端口CAN_StartChip；

關(guān)端口CAN_StartChip；

接收CAN數(shù)據(jù)CAN_GetNextReceivedFrame；；

發(fā)送CAN數(shù)據(jù)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(yīng)用層的協(xié)議。通信標(biāo)準(zhǔn)定義了不同的通信對象，這些通信對象通過標(biāo)識(shí)符（COB_ID）來進(jìn)行區(qū)分。

網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文（NMT）：提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，例如初始化、錯(cuò)誤控制和設(shè)備狀態(tài)控制。NMT對象映射到一個(gè)單一的帶2字節(jié)數(shù)據(jù)長度的CAN幀，它的標(biāo)識(shí)符為0。在本系統(tǒng)中主要用于系統(tǒng)啟動(dòng)的初始化。

過程數(shù)據(jù)對象（PDO）：過程數(shù)據(jù)對象用來傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸被限制在1～8字節(jié)，每個(gè)PDO有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符。標(biāo)識(shí)符具有優(yōu)先級(jí)，遙測系統(tǒng)主要是對實(shí)時(shí)的液位等信息進(jìn)行顯示，大量的PDO數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。

服務(wù)數(shù)據(jù)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(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的配置或信息的設(shè)置。

以上4種對象都有不同的優(yōu)先級(jí)。對于接收到的報(bào)文根據(jù)其COB_ID進(jìn)行解析，分送各不同的應(yīng)用變量，即可實(shí)現(xiàn)CANopen通信。

4 應(yīng)用模塊實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)中采用了配置文件的形式增強(qiáng)配置的靈活性，配置文件是根據(jù)下位DPU中各模塊、通道的現(xiàn)場分布匯總成的txt文件。首先，利用移動(dòng)磁盤或者Remote File Viewer在PC機(jī)上載入配置文件。其次是讀取工作，通過函數(shù)GetProfileString，根據(jù)不同的字段獲取需要的內(nèi)容。最后，對所獲得內(nèi)容賦給相應(yīng)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(tǒng)中模塊的使用、艙名、信號(hào)類型、單位、范圍、報(bào)警上下限、報(bào)警延時(shí)等進(jìn)行設(shè)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(fù)擔(dān)。

圖5 系統(tǒng)配置

4.2 實(shí)時(shí)顯示

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、生動(dòng)地顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，在該模塊中利用了文本加圖形的方式。因?yàn)閿?shù)據(jù)量較大，界面類型較多，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(tǒng)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要完成的是對報(bào)警數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和對艙容信息的監(jiān)測，利用的是WinCE自帶數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

系統(tǒng)存儲(chǔ)的主要是報(bào)警數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)量比較小，采用自帶數(shù)據(jù)庫可以很方便地實(shí)現(xiàn)所需功能。此外，EVC4.0沒有提供訪問外部數(shù)據(jù)庫ADOCE的接口。

4.4 實(shí)時(shí)打印

在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)打印，即只要出現(xiàn)報(bào)警信息，立即將該信息進(jìn)行打印輸出；當(dāng)故障排除后，重新進(jìn)行打印，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存分析。

5 結(jié)論

本文所研究的是基于CANopen協(xié)議，在ARM9的WinCE嵌入式開發(fā)平臺(tái)上的船舶液位遙測系統(tǒng)軟件。CANopen作為CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，在船舶遙測系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

系統(tǒng)中CAN總線的應(yīng)用大大提高了系統(tǒng)總體傳輸速率，雙CAN機(jī)制更加增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，保證了船舶運(yùn)行的安全性。整個(gè)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CANopen通信，完成了數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、打印、報(bào)警，并使配置更智能，實(shí)驗(yàn)證明了其運(yùn)行的可靠性。