《船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用》-公开DOC毕业论文.doc

精品摘 要 本课题主要研究船舶机舱自动化网络通信系统的设计本文首先介绍了课题的背景和研究意义，并从船舶自动化技术的快速发展所带来的机舱信息网络化入手，介绍CAN总线和工业以太网在船舶机舱自动化领域中的应用本文在深入研究了国内外最新船舶机舱自动化综合监控系统网络通信技术现状的基础上，确定了基于CAN总线和工业以太网的双冗余船舶机舱自动化网络监控系统结构模型，并对冗余双CAN总线设计和冗余环形工业以太网设计进行了论述本系统采用的冗余10Mbps工业以太网和冗余双CAN现场总线网络，很大程度上解决了传统机舱自动化网络存在的不足，灵活地实现了机舱仪器和设备的综合监控和管理，保障了机舱的安全和集中指挥调度，节省了人力，提高了效率同时通过冗余技术保障了系统的持续运行，提高了系统的可靠性，符合机舱自动化系统信息和控制集成一体化的发展方向本论文最后还论述了CAN总线和工业以太网嵌入式互联网关的模型方案、设计思想和实现方法，并用最后两个章节详细论述的互联网关的软硬件设计其中第五章详述了互联网关的设计思想、关键技术和硬件实现，采用内置CAN控制器的AT90CAN128为主控制器，采用以太网芯片RTL8019AS实现嵌入式以太网接口。

第六章阐述了互联网关的软件设计，主要包括CAN总线接口通信程序、工业以太网驱动程序和CAN-以太网协议转换程序三部分CAN总线和工业以太网嵌入式互联网关解决了船舶机舱中两种异构网络之间的数据通信和数据共享的问题，实现了CAN总线与工业以太网之间实时数据的快速交换，完成了机舱自动化系统信息和控制的集成，具有较好的实际应用价值关键字：机舱综合监控网络，CAN现场总线，工业以太网，双冗余设计，嵌入式互联网关ABSTRACTThis paper researches communication and network technologies of the ship integrated automation system. Firstly, some background information and research significance related to this thesis are introduced. Then the thesis pays attention to CAN Bus and Industrial Ethernet applications in the ship integrated automation system. At the same time, the paper presents a feasible design of a ship integrated monitoring and control network system based on the combination of dual CAN- bus and dual 10Mbps Ethernet.This design overcomes the disadvantages of the traditional ship automation network and ensures the running safety of the marine engine and improves efficiency, according with the integration development trends of ship automation system in marine engine room. Also the redundancy design improves the system’s reliability.Finally, the method to connect CAN-Bus with Ethernet is studied in detail, and the paper describes the hardware and software design of the embedded gateway with the last two chapters. Chapter V details the design ideas, key technologies and hardware design of the embedded interconnection gateway, using AT90CAN128 with CAN controller as the main microcontroller and a RTL8019AS chip to complete an embedded Ethernet interface. Chapter VI described the software design of the embedded gateway, including CAN-bus interface communication program, Ethernet interface device driver and CAN-Ethernet protocol conversion program.The embedded CAN/Ethernet gateway realizes the functions of network communication, data exchange, and information integration between CAN-Bus and Ethernet in ship, which has a bright future and potential value.Keywords: Integrated automation ship communication system.CAN-bus. Ethernet. Dual redundancy design. Embedded gateway目 录摘 要 IABSTRACT II第一章 绪论 11.1 船舶机舱自动化技术的发展现状与趋势 11.2 本课题选择的背景和意义 21.3 论文完成的主要内容和体系结构 3第二章 现场总线在船舶机舱自动化系统中的应用 42.1 现场总线技术概述 42.2 船用现场总线的优越性 52.3 CAN现场总线技术的研究 62.3.1 CAN技术规范简介及特点 62.3.2 CAN总线通信协议模型及分层结构 82.4 CAN总线在船舶机舱自动化系统中的应用 9第三章 工业以太网在船舶机舱自动化系统中的应用 113.1工业以太网技术的研究 113.1.1工业以太网体系结构 123.1.2工业以太网帧结构 143.2 工业以太网介质访问控制协议与实时性分析 153.3 CAN总线技术与工业以太网技术的对比及共存方案的研究 18第四章 船舶机舱综合监控系统双冗余通信网络的设计 204.1双冗余网络型机舱综合监控系统模型 204.2 CAN总线冗余方案的研究与设计 224.3工业以太网的冗余方案的研究与设计 24第五章 CAN总线网络与工业以太网互联技术的研究及硬件系统设计 265.1 CAN总线网络与工业以太网互联的必要性 265.2系统集成互联方案及协议转换思想 265.2.1互联网关模型 285.2.2协议转换思想 285.3网关系统硬件设计 295.3.1系统方案分析论证与硬件选型 295.3.2主要芯片功能简介 325.3.3外部扩展RAM模块 345.3.4 CAN接口模块 355.3.5工业以太网接口模块 385.3.6 RS-232串口模块 415.3.7硬件系统的抗干扰设计 41第六章 互联网关软件系统的设计 436.1 CAN总线接口模块 436.2 工业以太网模块 456.2.1 RTL8019AS的初始化及RAM数据的读取 456.2.2以太网数据帧的发送和接收 476.2.3嵌入式TCP/IP协议栈的实现 506.3 CAN-工业以太网协议转换模块 59第七章 总结与展望 60参考文献 64致 谢 67攻读硕士学位期间发表论文情况 68附录一 CAN接口模块程序 69附录二 工业以太网模块驱动程序 72附件三 嵌入式TCP/IP协议栈实现程序（部分） 74IV第一章 绪论1.1 船舶机舱自动化技术的发展现状与趋势船舶机舱自动化是船舶自动化的重要组成部分，是衡量船舶现代化程度的重要标志之一，船舶机舱自动化技术已成为当代船舶界共同关注的课题之一。

船舶机舱自动化系统是集机舱动力系统及辅助系统自动控制、监测、报警等于一体的综合监控系统，是涉及计算机网络技术、数字化信息技术、现代控制技术、通信及信息处理技术、电力电子技术等多种学科和技术综合应用的一体化产物机舱自动化系统包括主动力系统、发电系统等多个子系统的控制与监测，例如主机遥控系统、机舱综合监测报警系统、电站管理系统等未来船舶机舱自动化技术模块化以、标准化、系列化、集成化、智能化等方式，向着开放式和网络化这个更高层次阶段方向发展[1]欧美主要海事大国的船舶仪器厂商都已推出了具有现代化先进水平的大型船舶自动化装备船舶机舱综合监控系统是机舱自动化系统最早采用的形式它可以代替轮机人员在较为恶劣的环境下对主机及辅助设备的运行状况进行监测，并在运行设备发生故障后给出声、光报警信号当轮机人员应答后撤销报警，并进入故障记忆状态，排除故障后即可撤销故障记忆同时，还可将报警信号延伸至公共场所、轮机长及值班人员处所，从而实现真正意义上的无人职守[2]由此可见，先进的机舱监测报警系统不仅能够提高运营经济性、安全可靠性而且极大地推动了船舶自动化的进程和“智能型”船舶的实现上世纪90年代，基于现场总线技术的新型全分布式控制系统的出现为实现控制系统各节点之间可靠、实时的数据通信提供了有力的技术保障，对自动监控系统的体系结构、设计方案、安装测试方法等方面产生了较深远的影响，并逐步应用于船舶机舱自动监控领域。

船舶机舱分布式总线监控系统最初是由加拿大海军研发并广泛应用于驱逐舰、潜艇等它以总线为核心，将所有控制台中的微机连接成网，共享数据[3]进入21世纪，各研究机构纷纷加强了该系统的研制目前，挪威的Kongsberg公司、美国Sperry公司和丹麦Lyngso公司都已开发出较为先进的船舶机舱综合监控系统并已实际应用于各类船舶我国在船舶机舱自动化技术方面起步较晚，与国外先进技术相比还存在较大差距目前国内研制机舱综合监控装置，在测量、控制精度、稳定性和可靠性方面均不太理想因此，加快研发高可靠性、功能齐全的网络型多微机分布式机舱自动化控制系统将是我国船舶机舱自动化技术的发展方向[4]1.2 本课题选择的背景和意义随着我国航运事业的蓬勃发展，对船舶自动化、信息化水平的要求越来越高虽然近年来我国船舶机舱自动化技术发展迅速，但与国际先进技术水平相比还存在较大差距主要变现为：网络设备的船用条件适应性不够、船舶信息的集成度、通信的安全性和可靠性不高因此，探索和跟踪国外船舶自动化领域的最新发展趋势，通过自主研发与引进先进技术相结合，加快我国船舶机舱自动化网络技术的全面研究和产品开发，促进机舱自动化产品的升级换代，全面提高我国船舶机舱自动化技术水平具有重要的现实意义。

本课题的研究出发点也正是如此为了将机舱各种相对独立的子系统集成为一体化的综合网络通信平台，以往常采用子系统组合方式各个独立子系统只能单独操作，不能实现信息的共享现场总线技术正是满足了船舶信息集成化的发展需要，将船舶的各个控制对象综合成统一的控制整体并且随着通信技术和计算机网。