船舶机舱监控报警系统DPU设计及实现

发布时间：2017-06-20 18:04

  本文关键词：船舶机舱监控报警系统DPU设计及实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：船舶机舱监控报警系统作为船舶自动化中一项重要的内容,主要功能是监控机舱中各种设备的工作状态和运行参数,保证船舶安全、可靠的行驶。一个完整的监视与报警系统由三部分组成：(1)分布在机舱各监视点的传感器；(2)安装在集中控制室内的控制柜和监视仪器或监视屏；(3)安装在驾驶台、公共场所、轮机长和轮机员居室的延伸报警箱。分布式处理单元(Distributed Processing Unit, DPU),是采用模块化设计、具有通信功能的智能现场I/O单元。它是船舶机舱监控报警系统的重要组成部分。每艘船上都有上百个,甚至更多的DPU分布在机舱各处。DPU与传感器或者执行器相连,可独立实现参数的监视、报警和控制。本文以MSP430F149为处理器,采用双路冗余CAN总线设计,设计并实现了开关量输入、开关量输出、0-5V电压输入、0-5V电压输出、4-20mA输入以及热电阻信号输入模块。并实现了信号调理、数据处理以及通信等功能。论文首先依据《中华人民共和国船舶行业标准》、《钢质海船入级规范》、CiA DSP307船用电子框架以及相关文献,确定了总体设计方案以及各模块的功能。包括信号采集、信号处理、以及双路CAN总线通信三个部分。CAN总线通信遵循CANopen船用电子框架。总体设计方案确定以后,对硬件电路进行设计。主控芯片采用MSP430F149,CAN控制芯片采用MCP2515,并且用ADUM1201芯片进行光电隔离,保护后级电路。首先所有的模拟电路Multism在环境下进行仿真,验证了电路可行性以及其性能。然后在Altium Designer环境下设计了开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出以及RTD信号输入模块。开关量输入、开关量输出模块实现了开关量的采集和输出。模拟量输入模块利用MSP430自带的模数转换器(ADC)进行模数转换,得到数字量。模拟量输出模块采用TLC5628芯片,进行数模转换。RTD输入模块利用惠斯通电桥以及运放电路,进行信号调理,得到理想的信号。最后,在IAR环境下对不同的DPU模块编写程序。实现CAN总线在CANopen协议下的通信,使其符合CANopen CiA DSP307船用电子框架,包括状态机的实现、船用CANopen协议的通信规则、心跳报文、活动总线的切换、MPDO以及I/O模块的CANopen规则。实现了各模块的数据采集以及通信等功能。最后将DPU模块与PC组合到一起,组成一个网络。经组网测试,各DPU模块信号采集精度、CAN总线冗余通信等性能指标均达到船用检测设备标准。
【关键词】：船舶机舱监控报警系统 DPU 数据采集与处理 CANopen协议 CANopen船用电子框架
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U665.26;TP277
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题研究的背景及意义12-13
• 1.2 船舶机舱监控报警系统的发展过程13-14
• 1.3 先进的分布式处理单元14-16
• 1.3.1 DPU的主要功能15
• 1.3.2 DPU的特点15-16
• 1.3.3 常见的DPU类型16
• 1.4 CAN总线以及CANopen协议16-17
• 1.5 论文的章节安排17-20
• 第2章 CANopen以及CANopen船用电子框架20-41
• 2.1 CANopen协议20-23
• 2.1.1 CANopen协议简介20-21
• 2.1.2 CANopen对象字典21-22
• 2.1.3 CANopen应用层服务22-23
• 2.2 CANopen的通讯对象23-31
• 2.2.1 网络管理对象24-27
• 2.2.2 过程数据对象27-30
• 2.2.3 服务数据对象30-31
• 2.3 CANopen的船用协议31-38
• 2.3.1 状态机的状态判断32
• 2.3.2 通信对象的海事通信规则32-33
• 2.3.3 心跳报文和NMT节点保护33-35
• 2.3.4 活动总线的判断规则35-36
• 2.3.5 复用PDO机制36-38
• 2.4 DPU模块的总体设计思路38-39
• 2.5 本章小结39-41
• 第3章 分布式处理单元硬件设计41-54
• 3.1 主控芯片的选择41
• 3.2 现场总线的选择41-44
• 3.3 核心板的设计44-46
• 3.4 底板的设计46-52
• 3.4.1 开关量输入信号调整电路47
• 3.4.2 开关量输出信号调整电路47-48
• 3.4.3 模拟量输入调整电路48-49
• 3.4.4 模拟量输出电路49-51
• 3.4.5 RTD信号输入51-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第4章 DPU的软件设计与实现54-67
• 4.1 MSP430F149的初始化54-57
• 4.1.1 MSP430F149时钟的初始化55-56
• 4.1.2 MSP430F149I/O端口初始化56-57
• 4.2 CAN总线软件实现57-59
• 4.2.1 MCP2515初始化57-58
• 4.2.2 MCP2515的发送与接收58-59
• 4.3 数据采集以及处理的软件实现59-62
• 4.3.1 开关量输入模块的软件实现59-60
• 4.3.2 开关量输出模块的软件实现60-61
• 4.3.3 模拟量输入模块61-62
• 4.3.4 模拟量输出模块软件实现62
• 4.4 CANopen协议以及CANopen船用电子框架的实现62-66
• 4.4.1 对象字典的实现62-63
• 4.4.2 通信规则的实现63-65
• 4.4.3 状态机的实现65
• 4.4.4 活动总线的判断65-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第5章 DPU的实现与功能测试67-77
• 5.1 开关量输入模块的功能测试67-68
• 5.2 CANopen协议以及CANopen船用电子框架的测试68-71
• 5.2.1 SDO以及对象字典的测试68-69
• 5.2.2 状态机的测试69
• 5.2.3 活动总线的切换69-70
• 5.2.4 冗余通信规则的测试70-71
• 5.3 数据调理部分测试71-76
• 5.3.1 开关量输入模块的测试72
• 5.3.2 开关量输出模块的测试72-73
• 5.3.3 模拟量输入模块的测试73-76
• 5.3.4 模拟量输出模块的测试76
• 5.4 本章总结76-77
• 第6章 总结77-79
• 参考文献79-82
• 致谢82-83
• 作者简介83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 林凌,洪权,李刚;双通道数字式隔离器ADUMI201在CAN总线通信系统中的应用[J];电子产品世界;2005年07期

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本文编号：466428