基于CAN总线的船舶货舱进水报警系统设计

王树东

(中海电信有限公司 大连分公司，辽宁 大连 116000)

0 引 言

船舶货舱进水报警系统是单船壳散货船按照SOLAS公约的要求必须安装的设备[1],通常通过1根船用电缆将各货舱的检测点位(压力传感器型)与主控箱连接，以常见的长200 m、载重量57 000 t的船舶为例，5舱最少有8个点位,电缆用量相当于船长的5～6倍，艏部舱室每增加1个检测点，电缆长度至少增加1倍船长。有些船舶的检测点甚至超过12个，电缆用量和施工工程量较大，整体安装成本较高。同时,只能显示货舱0.5 m预报警和2.0 m主报警2种状态[1]，艏部物料间等其他舱室只有1种水位状态报警，显示的信息简单,不能显示实时报警水位及其变化趋势，不利于船员根据报警情况做出应急处理。本文设计的进水报警系统采用双CAN总线电缆、双CAN总线驱动控制器和双液晶屏显示的物理介质冗余方式[2-3]，不仅能使电缆长度得以缩短(与检测点位的多少无关)，而且能实现直观显示报警现场数据、报警变化趋势、故障情况和报警状态等信息。

本文基于“双CAN总线货舱进水报警系统”项目进行各部分电路及整机的运行验证，结果达到规范的要求。

1 系统的工作原理和功能

系统整体结构框图见图1。水位探测器与隔离安全栅连接，采集的模拟信号以工业现场中稳定的4～20 mA电流方式传送。安全栅内有双级限流电路和模拟信号隔离电路，能达到本质安全防爆的要求。利用安全栅内的主控制器对信号进行处理之后，通过双CAN总线隔离模块和双CAN冗余总线将工作状态信息发送给主机和副机处理。主机和副机内的主控制器对各安全栅的信号进行处理，在工业级的触摸液晶显示屏上显示现场的水位高度、探测器电流、故障情况和报警状态等信息。同时，系统的各种信息通过RS485总线发送给船舶航行记录仪(Voyage Data Recorder,VDR)记录[1]。整机由船舶220 V交流电源和24 V应急蓄电池备份供电，隔离后输出24 V供电给各安全栅和主副机内的主板。电气隔离是系统设计的基本要求,主机电源、主副机主板、各安全栅和双CAN总线之间全部采用电气隔离。

图1 系统整体结构框图

双CAN总线采用热备份的方式运行。CAN1总线为主工作总线，CAN2总线处于备用监控状态。当CAN1总线因节点出现短路故障或驱动器受损而不能正常工作时，CAN2总线上对应的节点和总线自动投入运行，保证系统正常工作[4]。

2 硬件电路设计

2.1 主控制器的选择

为减少外围器件，隔离安全栅和主板的主控制器选用片内双路CAN控制器和多路串行控制器的处理器STM32F107VCT6。该处理器是Cortex内核的32位ARM处理器，主频最高为72 MHz，集成有CAN、UART和12 bit ADC等功能强大的接口；芯片3.3 V供电;高速低功耗；内部集成的64 KB SRAM和256 KB FLASH足以满足应用需求，无需扩展存储。选用该芯片使电路设计简化，提高系统的稳定性。

2.2 水位探测器

水位探测器通常安装在货舱的后壁上，传感器芯片会接触海水或成分复杂的矿石粉末，所处环境较为恶劣，需满足防酸碱、防腐蚀和本质安全防爆的要求。本质安全防爆必须从限制能量入手，将电路中的电压和电流可靠地限制在允许的范围内，保证在仪表短接或元件损坏等故障条件下产生的电火花和热效应不会使周围的危险气体发生爆炸。为使本安电路与非本安电路隔离,避免本安电路因热效应而产生过高的温度,控制本安电路的电参数(电压、电流)，选择成熟隔离电路和逐级限压或限流的方法满足防爆的要求[6]。

2.2.1 传感器芯片的选择

水位探测器所处的环境温差较大，需具有温度稳定性和检测线性精度，因此对传感器芯片的要求较高。常用的接触式传感器芯片主要有扩散硅传感器、陶瓷压阻传感器和陶瓷电容传感器。陶瓷类传感器在温度特性和检测精度等方面优于扩散硅传感器。陶瓷电容传感器芯片的价格较高,是另2种芯片的5倍左右，且在船舶货舱进水系统中应用时会因感压面积较大而使芯片与密封硅胶圈接触处积累矿质水锈,造成陶瓷电容传感器接触面受压，静态电流增大，进而导致测量误差增大,甚至使系统误报警，需定期及时用盐酸清洗或更换整个水位探测器。陶瓷压阻传感器没有这种缺点，虽然精度稍逊于陶瓷电容传感器，但具有长期温度稳定性好、过载强和价格低等优点，成为该设计的首选传感器。选择CPS181型100 kPa量程的陶瓷压阻传感器，其芯片响应时间小于1 ms,综合误差为0.2～0.4 FS%,温度特性为±0.015%FS/℃,工作温度为-40～125 ℃。

2.2.2 水位探测器4～20 mA变送器电路

根据陶瓷压阻传感器的特性，选择比较成熟的电路。双运放TLC27L2与电流变送器集成XTR106组成4～20 mA电流变送器，最大电流限制为28 mA。TLC27L2和XTR106的耗电电流共约2.5 mA,远低于4 mA的零点电流。变送器电路见图2。

图2 变送器电路

双运放TLC27L2是双路低噪声、高精度、高增益和微功耗的运算放大器，用来对陶瓷压阻传感器受压产生的微弱压变进行放大。该结构能提高电路的共模抑制比，使其具有低失调和低漂移的特性。双运放TLC27L2的增益为G=1+2×R2/(W2+R3)。按图2中的参数设置，W2可调G为5～10。

XTR106是具有电桥激励的线性化4～20 mA两线制单片电流发送器集成电路，具有高电压抑制比、高共模抑制比、宽工作电压范围(7.5～36 V)、低功耗(0.2 mA静态工作电流)、低温漂(0.25 μV/℃)、低噪声(35nApp)、线性度好和抗干扰性强等特点。XTR106自带的2.5 V/5.0 V基准电桥激励电压可给陶瓷压阻传感器供电。外部Q1为NPN型功率晶体管2BD139，与内部输出晶体管并联之后可降低芯片的功耗。XTR106的1脚VREG可为双运放TLC27L2提供5.1 V的电力。XTR106可对传感器的非线性进行补偿，使传感器的非线性问题得到有效解决。当传感器芯片存在正非线性时，引脚12与引脚6相连接，激励电压VREF随传感器差分输出电压的增大而增大，以补偿正的非线性;当传感器芯片存在负非线性时，引脚12与引脚1相连接，激励电压VREF随传感器差分输出电压的增大而减小，以补偿负的非线性。

D2选用1N4148型二极管，可防止因电源的正负极接反而损坏元件。D1采用P6KE39A型瞬变电压抑制二极管(钳位电压UB=39 V)或1N4753A型36 V齐纳稳压管,当供电电压过高时就被钳位保护。

C1、C2和C3为103去耦电容，可消除射频干扰，提高抗干扰性。W1和W2分别为调零位(4.0 mA)和满量程(20.0 mA)调整的电位器。水位探测器水压与输出电流的关系为A=4H+4.0，二者的线性关系见图3。

2.3 安全栅的设计及元件选用

2.3.1 双级限流电路

安全栅本安部分的设计要符合防爆的要求[7]。水位探测器的供电回路采用两级限流电路，保障在某级短路的情况下也能对水位探测器的供电有良好的电流限制作用。场效应管恒流源电路在4～20 mA内，电路处于饱和导通状态。当电流增大，R1和R2的压降达到0.6 V时,Q3和Q6导通，Q2和Q5退出饱和状态，使电流受到限制。电流的大小由R1和R2决定，I=600/R1,R1和R2取22 Ω，电路最大限制电流为27 mA。场效应管选3SK30A，NPN管选中功率管8050。限流电路见图4。

2.3.2 模拟量的光电隔离

为达到本安防爆的要求，安全栅的本安部分与非本安部分必须隔离[7]。需对采集到的反映水位探测器电流变化的模拟信号进行隔离。双级限流电路、水位探测器和采样电阻R8形成一个回路。电流的变化在R8上形成0.8～5.0 V的压降，经U3缓冲放大，用高精度线性光电耦合器HCNR201做模拟量的隔离，再经U2输出，提供给安全栅内的主控处理器STM32F107VCT6处理。

高精度线性光耦HCNR201由3个光电元件组成。1引脚与2引脚间是1个发光二极管，3引脚与4引脚间和5引脚与6引脚间是2个相邻匹配的光敏二极管，输出的电流近乎一致，与光耦内部LED的发光强度成正比。虽然LED的输出光强随着温度的变化而略有变化，但运放U3将通过光敏二极管的反馈,调整发光LED电流进行补偿,从而消除LED的非线性和偏差特性带来的误差。被测电压与输出电压之间是正比的关系。图5为模拟量光电隔离,按其中的元件参数调整W1,输出一定比例的隔离输出电压，可调整至与输入电压相一致[9]。

图5 模拟量光电隔离

用高精废电流发生器MR9270S模拟电流值，测量隔离输入电压(R8压降)和隔离输出电压(U2输出),做实测记录。电压测试使用4位半高精度万用表UT61E。经过隔离的输入电压与输出电压的差值小于5 mV，实测记录见表1。

表1 隔离输入电压与输出电压实测记录

当隔离输出电压小于0.5 V(对应水位探测器的2.5 mA)时，处理器STM32F107判断为水位探测器开路;当隔离输出电压大于4.8 V(对应水位探测器的24 mA)时,处理器STM32F107判断为水位探测器短路。

2.3.3 CAN总线模块的选用

为保证安全栅电路部分与CAN总线、24 V供电的电气隔离，并简化设计,提高稳定性，选用工控行业广泛应用的双路双隔离CAN收发器模块CTM8251KAD。该模块具有体积小、3.3 V电压供电、低功耗、内部集成隔离电源、EMI特性好和2 500 V隔离电压等优点。CAN总线外围保护电路见图6，CAN2通道元件相同。

图6 CAN总线外围保护电路

当遭遇雷击或其他强烈干扰时，感应能量若不能及时泄放，收发器会遭到损坏。为防止收发器损坏，增加防雷管和TVS等器件作为总线保护。B3D090L陶瓷气体放电防雷管为三端宽频带气体过压保护器，有90 V高电流承载能力，反应速度快，重复性优,性能稳定可靠。TVS双向瞬变抑制二极管P6KE15CA有1.0 ps的快速反应能力，能较好地抑制脉冲高压，将总线的压差钳制在安全范围内,起到保护作用。T1为B82793S0 CAN总线共模抑制电感，可抑制总线上的对称干扰和不对称干扰。

主机和副机中的CAN总线的部分电路采用同样的设计。

2.4 主板部分的设计

2.4.1 触摸液晶屏幕的选用

液晶屏不仅能显示现场数据、故障情况和报警状态，而且设有功能与主机箱机械按键相同的模拟触摸按键，可对各项功能进行设置。船舶驾驶台在温度、湿度和电磁射频辐射等方面要比一般的工业环境恶劣，液晶屏的背光高亮度要求比商业液晶屏高很多。电容触摸液晶屏幕受船舶电台、雷达等通导设备的射频影响而出现错误,因此排除选用。串口电阻触摸工业液晶屏选用已在工控领域广泛应用的SDWe070T30，内置有性能强大的高速微处理器芯片，有独立运行的互动式人机界面，响应速度快，与主板处理器通过简单的串口命令进行串口通信，能有效减轻主处理器的负担。配套的专用图形化设计软件能大大降低软件编程设计的工作强度。

2.4.2 485器件的选用

设备的工作状态和报警信息等通过RS485总线发送给船舶VDR记录。普通的485器件加光耦做数据隔离的方式需另外加隔离电源模块，为简化设计,采用485隔离模块RSM3485CHT，具有3.3 V低功耗供电、波特速率为115 200 bits/s、内部集成隔离电源和ESD保护器件及2 500 V隔离电压等优点。

3 供电设计

电源电路在保障设备稳定运行方面起着重要的作用。主机电源采用交流供电和船舶备用24 V蓄电池备份供电，提供隔离的24 V直流电给主机主板、安全栅和副机。在船舶发电机出现故障的情况下，交流开关电源无法供电。为保证货舱进水系统正常运行,需要船舶备用24 V蓄电池供电。不能直接将24 V蓄电池接入主机，否则会有船舶24 V直流电的接地系统告警，影响其他设备的正常运行。采用带启动控制端的DC-DC大功率隔离电源模块和备用蓄电池供电,做到电气隔离。MBR1560为交流电源和直流模块的输出相互隔离。当交流电源无法供电时，DC-DC模块的控制端REM由低电平转为高电平，模块输出24 V直流电继续给设备供电。该方式比继电器切换的方式更简洁,切换速度更快。主备供电电路见图7。

图7 主备供电电路

主板上各部分电源与主机箱提供的24 V直流电相互隔离，安全栅中的各部分电源作相同的处理。为简化设计，定制隔离电压大于3 000 V的隔离电源模块。隔离电源模块稳定输出24.0 V、9.0 V和3.3 V等3路相互隔离的电压。在主板上分别给液晶屏、外部按键指示部分、主控处理器和CAN总线模块供电。安全栅中的隔离电源模块的功率和体积比较小，分别给水位探测器、隔离放大输出指示部分、主控处理器和CAN总线模块供电。主板和安全栅供电如图1所示。

4 系统性能和结论

利用淡水调节水位高度，记录水位高度值和液晶屏显示高度值(不包含水位探测器物理高度40 cm),结果见表2。

表2 水位高度值和液晶屏显示水位高度值 m

采取多种组合(水位探测器+安全栅)进行测试，水位实际高度与液晶屏显示高度的差值均不超过2 cm, 远低于中国船级社货舱进水报警系统E20规定的在0.5 m和2.0 m报警点上10 cm的误差要求[1]。船舶航行时海水的平均密度比淡水高2.5%，实际报警水位高度要低于淡水，在上述2个报警点也符合规范规定的10 cm误差要求，基本能达到设计要求。

本文设计的电路不仅适用于该系统，而且能为其他类似的设计提供参考。

5 结 语

双冗余CAN总线作为一种可靠性高、易于维护的现场总线技术，在船舶货舱进水报警系统中应用可使系统综合显示现场信息和报警信息等实时信息，并能使扩展检测水位的点位变得简单。本文详细叙述了双冗余CAN总线货舱进水报警系统的工作原理、功能、硬件设计和实际应用中的硬件电路，积累的相关经验可供以后的CAN总线设计参考。