液位遙測系統是油輪和化學品船的核心部分,直接關系到船舶在海上航行的安全性和可靠性。目前國內該行業還處于低技術的惡性競爭,要改變這種狀況,只有通過提升技術水平才能實現。本系統就是在此背景下進行研究設計的。 該系統是以ARM9為內核,在WinCE操作系統平臺下,以CAN通信為基礎,CANopen協議為規范,綜合應用EVC編程、CAN通信、數據庫、多線程等技術設計的一個智能液位遙測系統。 ARM9的工作頻率最高為200 MHz,微處理器內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構,具有報文仲裁,錯誤自檢測、處理機制,較強的通信能力,較強的短路保護能力,通信方式靈活多樣等優點。船舶液位遙測系統是一個局域網控制系統,選用CAN總線更能滿足其傳輸的高可靠性。 1 CANopen協議 CANopen最初由從事工業控制的CiA會員開發,由于CANopen是一種公共、開放、通用的協議,而且精練透明、容易開發,如今已經被接受為CAN高層協議的標準之一。 圖1 CANopen設備模塊 一個CANopen設備模塊可分為3部分,如圖1所示。通信接口和協議軟件用于提供在總線上收發通信對象的服務;不同CANopen設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控制器進行操作。對象字典描述了設備使用的所有數據類型、通信對象和應用對象;對象字典位于通信程序和應用程序之間,用于向應用程序提供接口。應用程序對對象字典進行操作,即可實現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行操作實現CANopen通信;而功能部分則根據應用要求來實現。 在CANopen網絡系統中每個節點都有唯一的一個對象字典,而且每個節點的對象字典都具有相同的結構;但具體的內容要根據不同的設備而定,包含了描述該設備及其網絡行為的所有參數。CANopen協議還定義了4種報文(通信對象),用于對不同作用的信息進行處理,分別為管理報文(NMT)、服務數據對象(SDO)、過程數據對象(PDO)和預定義報文或特殊功能對象。 2 液位遙測系統總體結構 液位遙測系統主要實現2項功能: ① 對各艙的液位、溫度、壓力等進行實時監測; ② 當監測高于報警值時發出報警信號。 針對這2項功能,采用了CAN總線的網絡拓撲結構,系統總體結構框圖如圖2所示。 圖2 液位遙測系統總體結構 由圖2可知,整個系統以CAN總線進行通信,然而CAN芯片只提供了開放系統互連參考模型(OSI)中的物理層和鏈路層功能,一般用戶必須直接用驅動程序操作鏈路層。不能直接滿足控制網絡的組態和產品互連要求。為了以CAN芯片為基礎構成完整的工業控制現場總線系統,必須制定相應的應用層協議,實現系統的組態、設備互連和兼容功能。下面分別介紹各部分的功能。 2.1 分布式處理單元DPU DPU是采用模塊化設計、具有通信功能的智能化遠程I/O單元。DPU單元分布在船艙各處,作為傳感器和執行器的接口,直接與傳感器和執行器相連。各個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,將定時采集的各船艙液位高度、溫度等各種實時數據發送到總線上。 目前,基于CANopen的DPU的各種模塊(模擬量輸入/輸出、數字量輸入/輸出等)可以根據具體的監測點連接到網絡中,完成液位、溫度、壓力等的監測。 圖3 上位監測點結構圖 2.2 上位監測點 在本系統中,上位監測點主要實現通信和應用兩個方面功能,具體結構如圖3所示。 ARM9的開發平臺已將CAN驅動嵌入,根據CAN2.0協議,可以直接完成物理層和數據鏈路層的通信,因此,在WinCE操作系統下,實現CANopen通信,解析通信對象,調用應用程序,完成整個上位系統的CANopen通信。 3 CANopen通信的實現 3.1 CAN通信 CAN通信通過調用底層封裝的接口函數實現,主要包含: 開端口CAN_StartChip; 關端口CAN_StartChip; 接收CAN數據CAN_GetNextReceivedFrame;; 發送CAN數據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協議是CAN通信應用層的協議。通信標準定義了不同的通信對象,這些通信對象通過標識符(COB_ID)來進行區分。 網絡管理報文(NMT):提供網絡管理服務,例如初始化、錯誤控制和設備狀態控制。NMT對象映射到一個單一的帶2字節數據長度的CAN幀,它的標識符為0。在本系統中主要用于系統啟動的初始化。 過程數據對象(PDO):過程數據對象用來傳遞實時數據,數據傳輸被限制在1~8字節,每個PDO有一個唯一的標識符。標識符具有優先級,遙測系統主要是對實時的液位等信息進行顯示,大量的PDO數據進行實時傳送。 服務數據對象(SDO):SDO的傳送是有證實的服務,可靠性比較高,主要用于對系統中各節點的配置或信息的設置。 以上4種對象都有不同的優先級。對于接收到的報文根據其COB_ID進行解析,分送各不同的應用變量,即可實現CANopen通信。 4 應用模塊實現 4.1 系統配置 本系統中采用了配置文件的形式增強配置的靈活性,配置文件是根據下位DPU中各模塊、通道的現場分布匯總成的txt文件。首先,利用移動磁盤或者Remote File Viewer在PC機上載入配置文件。其次是讀取工作,通過函數GetProfileString,根據不同的字段獲取需要的內容。最后,對所獲得內容賦給相應的變量,并進行顯示更新。 具體配置形式如圖5所示。由圖可知,可以對系統中模塊的使用、艙名、信號類型、單位、范圍、報警上下限、報警延時等進行設置。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擔。 圖5 系統配置 4.2 實時顯示 為了實現實時、準確、生動地顯示系統運行狀況,在該模塊中利用了文本加圖形的方式。因為數據量較大,界面類型較多,切換頻繁,故主要采用了動態創建控件的解決方法。 液位遙測系統主要完成各艙液位的實時顯示。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 數據存儲 在本系統中,數據存儲主要完成的是對報警數據的存儲和對艙容信息的監測,利用的是WinCE自帶數據庫系統。 系統存儲的主要是報警數據,因此數據量比較小,采用自帶數據庫可以很方便地實現所需功能。此外,EVC4.0沒有提供訪問外部數據庫ADOCE的接口。 4.4 實時打印 在本系統中實現了實時打印,即只要出現報警信息,立即將該信息進行打印輸出;當故障排除后,重新進行打印,以便對數據進行保存分析。 5 結論 本文所研究的是基于CANopen協議,在ARM9的WinCE嵌入式開發平臺上的船舶液位遙測系統軟件。CANopen作為CAN總線的應用層協議,在船舶遙測系統中有著廣闊的應用前景。 系統中CAN總線的應用大大提高了系統總體傳輸速率,雙CAN機制更加增強了整個系統的容錯能力,保證了船舶運行的安全性。整個軟件系統實現了CANopen通信,完成了數據顯示、存儲、打印、報警,并使配置更智能,實驗證明了其運行的可靠性。 |