基于CAN总线的船舶自动气象站的研究

牛 涛

（武汉船舶职业技术学院电气与电子工程学院，湖北武汉 430050）

自动监测和报警气象条件是影响船舶航行的重要因素。在走航过程中，船舶所面对的海洋环境复杂，需要建立气象站对海面气温、海表温度、风向、风速等进行监控。随着航运业的迅猛发展，传统船舶气象仪存在诸多不足，如进行热电耦电桥法温度测量仪，测量过程复杂，数据实时性、传输距离和抗干扰能力难以满足需要，亟需构建新型的船舶自动气象站。

CAN现场总线是德国Bosch公司开发的串行数据通信协议，在汽车复杂控制及仪表数据交换方面得到充分应用，其实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强等优点尤为突出［1］，能较好适应船舶航行时的复杂环境，弥补传统船舶气象仪的不足，为构建新型船舶自动气象站创造了有利条件。

1 系统总体结构

系统采用CAN现场总线进行数据通讯，传输媒体采用双绞线，通讯速率根据船舶环境可选50kbps（270m）一125kbps（350m）［2］，如图1系统总体结构。

2 CAN总线硬件设计

2.1 CAN总线适配卡

CAN适配卡采用了PLX公司的PCI 9052，作为监控主机与总线的接口设备，通过该芯片可以快速完成CAN总线到监控主机PCI总线的转换。PCI 9052工作时，需要EEPROM存储配置信息，设计采用Microchip公司93LC46存储芯片。CAN适配卡与测控节点都采用SJ1000控制器芯片为CAN控制器接口。

图1 气象站总体框图

2.2 主采集器

主采集器是整个数据采集的核心，主要实现常规气象要素数据采集和实时采集分采集器数据的功能。主采集器采用江苏省无线电科学研究所自主研发的ZQZ－BH型数据采集器，该主采集器支持CAN总线结构，传感器可任意增减和组合，观测的气象要素数量不受限制。

2.3 分采集器

分采集器为智能量分采集器，采用江苏省无线电科学研究所自主研发的ZQZ－BM型数据采集器。主要扩展连接智能型传感器，如超声风传感器、能见度传感器等。分采集器通过CAN总线与主采集器进行物理连接。

3 系统软件设计

3.1 PID算法程序设计

PID控制是根据实际测量值与设定值进行比较运算读出控制量。PID控制运算程序由监控主机部分和节点微控制器部分组成，程序框图如图2、图3所示。

图2 监控主机端程序 图3 节点端程序

3.2 CAN适配卡及上位机软件设计

包括监控主机的驱动软件设计和负责通信的COM程序设计。考虑到系统的通用性，可采用支持Windows XP、Windows 2000的WDM驱动程序。开发工具可以采用Visual C＋＋6.0和Windows 2000DDK。

此外，主采集器和分采集器之间采用CANOPEN的通信协议进行数据传输，因此还须开发CAN总线结构驱动程序。

4 传感器选型

船舶自动站中使用的传感器分为两种：模拟量传感器（输出模拟量信号的传感器）和智能型传感器（带有嵌入式处理器的传感器，具有基本的数据采集和处理功能，输出串行信号），见表1。

表1 传感器选型

5 结 语

基于CAN总线的船舶自动气象站，不仅可以对海面气温、海表温度、风向、风速等进行监控，还可以对各项数据进行实时分析、处理，提高了船舶气象的信息化水平。而CAN总线以独特的设计思想，良好的可扩展性和可靠性，必将进一步融入到船舶自动化系统中。采用这种技术的船舶自动气象站，具有性能可靠、易于维护的特点，发展前景广阔。

1 庄景齐，吴雁.基于CAN总线的温湿采集系统的设计［J］.中国科技信息，2009（2）：139－140

2 于宏波，宋文杰.现场总线技术在船舶气象仪系统中的应用［J］.山东科学，2005（5）：67－69

3 张钛仁.海洋船舶气象观测信息有关情况调研报告［J］.气象软科学，2008（4）：83－87