基于CAN总线的船舶主推进冗余控制系统

发布时间：2017-11-01 21:10

  本文关键词：基于CAN总线的船舶主推进冗余控制系统

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【摘要】：随着经济全球化的发展,船舶和海运需求稳步增长。十二五规划对我国船舶制造业提出了做大做强的要求,而目前国内造船业形成的“只造壳体,设备进口”的现状与之背道而驰。主推进控制系统作为船舶自动化系统的核心部分,是具有高附加值的船舶配套设备。目前国内的船舶主推进控制系统基本被国外厂家垄断,对船舶主推进控制系统进行研究势在必行。本文旨在研制一套具有自主知识产权的船舶主推进控制系统。首先,本文对比分析了国内外主推进控制系统的研究现状,提出了系统平台热冗余结构和总线完全冗余并行结构,确定了系统硬软件设计方案。其次,搭建了系统硬件平台,建立了系统基于CAN总线的通信网络。最后,对建立的软硬件系统进行实验验证。本文研究的主要内容如下：(1)CAN总线技术。首先对比分析了几种常用的现场总线,得出CAN总线的优势；其次介绍了CAN总线技术的相关规范。(2)系统方案设计。首先对主推进控制系统中PCU、ECS、ACS和BCS操作站的功能进行设计,其次对主推进控制系统的硬件平台架构和平台冗余性进行设计,最后对主推进控制系统的软件结构和总线冗余性进行设计。本文设计的主推进控制系统硬件平台采用热备用的方式,通过232串行总线实现主备控制平台的切换；CAN总线采用完全冗余并行方案,两条总线同时处于工作状态。(3)搭建系统硬件平台。硬件平台主控制器采用STM32F407,系统采用隔离电源供电,冗余CAN总线端口采用隔离收发器和终端电阻分断设计,底层设备I/O处理模块包括模拟量采集电路、模拟量输出电路、开关量输入电路和开关量输出电路。模拟量采集电路采用ADS8332,模拟量输出电路采用AD420,开关量输入电路采用模拟量采集方式,开关量输出电路采用继电器输出方式,所有I/O端子的分路处理电路采用模拟开关ADG619。(4)建立系统软件平台。分别对软件结构中的应用层、中间层和物理层进行程序设计。应用层设计包括控制逻辑、CAN总线应用层、冗余控制节点切换机制和人机界面；中间层设计包括模数转换程序和数模转换程序;物理层设计包括CAN总线基本通信程序。(5)实验验证。对搭建的系统硬软件平台进行实验验证,主要包括：上电自检、实时通信、CAN总线完全冗余并行方案和冗余控制节点热备用方案模块。实验结果表明：本文设计的主推进冗余控制系统方案成立。
【关键词】：主推进控制系统 热备用 CAN总线 总线冗余
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 引言10
• 1.2 国内外主推进控制系统研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 课题的研究意义与来源12
• 1.4 主要研究内容及结构12-14
• 第二章 CAN总线技术14-22
• 2.1 常用的现场总线14-15
• 2.2 CAN总线优势15-16
• 2.3 CAN总线技术规范16-21
• 2.3.1 分层结构16-17
• 2.3.2 网络拓扑17-18
• 2.3.3 报文传输18-19
• 2.3.4 报文仲裁、滤波与编码19-20
• 2.3.5 错误处理与故障界定20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第三章 主推进冗余控制系统方案设计22-30
• 3.1 主推进控制系统结构22-24
• 3.1.1 主推进控制系统的组成22
• 3.1.2 主推进控制系统的功能设计22-23
• 3.1.3 主推进控制系统中底层I/O信号23-24
• 3.2 系统硬件方案设计24-28
• 3.2.1 系统架构设计24-25
• 3.2.2 系统硬件平台冗余性设计25-26
• 3.2.3 系统通用硬件平台设计26-28
• 3.3 系统软件方案设计28-29
• 3.3.1 系统软件模块化结构设计28
• 3.3.2 CAN总线冗余性设计28-29
• 3.4 本章小结29-30
• 第四章 主推进冗余控制系统硬件设计30-42
• 4.1 控制节点主控制器的选择30
• 4.2 系统供电电路设计30-31
• 4.3 隔离型CAN接口电路设计31-34
• 4.3.1 CAN总线终端电阻分断设计31-32
• 4.3.2 CAN总线隔离电路设计32-34
• 4.4 主推进控制系统底层设备I/O处理电路设计34-41
• 4.4.1 模拟量采集电路设计34-36
• 4.4.2 模拟量输出电路设计36-39
• 4.4.3 开关量输入电路设计39-40
• 4.4.4 开关量输出电路设计40-41
• 4.5 本章小结41-42
• 第五章 主推进冗余控制系统软件设计及工程验证42-64
• 5.1 主推进控制系统软件应用层设计42-53
• 5.1.1 控制逻辑软件模块设计42-43
• 5.1.2 人机界面模块设计43-44
• 5.1.3 CAN总线应用层设计44-52
• 5.1.4 冗余控制节点切换程序设计52-53
• 5.2 主推进控制系统软件中间层设计53-54
• 5.2.1 模数转换程序设计53
• 5.2.2 数模转换程序设计53-54
• 5.3 主推进控制系统软件物理层设计54-57
• 5.3.1 节点CAN控制器初始化54-55
• 5.3.2 CAN总线发送程序设计55-56
• 5.3.3 CAN总线接收程序设计56-57
• 5.4 系统工程验证57-62
• 5.4.1 CAN总线上电自检和实时通信验证58
• 5.4.2 冗余CAN总线切换机制验证58-60
• 5.4.3 系统节点切换机制验证60-62
• 5.5 本章小结62-64
• 第六章 结论与展望64-66
• 6.1 结论64
• 6.2 展望64-66
• 致谢66-68
• 参考文献68-70

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本文编号：1128529