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1、摘摘 要要 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
2、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。C
3、AN 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
4、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 base
5、d 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 i
6、n marine engine room. Also the redundancy design improves the systems 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
7、, 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 interf
8、ace 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 p
9、otential value.Keywords: Integrated automation ship communication system.CAN-bus. Ethernet. Dual redundancy design. Embedded gateway目目 录录摘摘 要要IABSTRACT.II第一章第一章 绪论绪论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第二章第二章 现场总线在船舶机现场总线在船舶机舱舱自动化系统中的应用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 C
10、AN 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第三章第三章 工业以太网在船舶机舱自动工业以太网在船舶机舱自动化化系统中的应用系统中的应用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第四章第四章 船舶机舱综合监控船舶机舱综合监控系系统统双冗余通信网络双冗余通信网络的设计的设计204.
11、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总线网络与工业以太网互联技术的研究及硬件系统统设计设计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 .35
12、5.3.5 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第六章第六章 互联网关软件系统的互联网关软件系统的设设计计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第七章第七章 总结与总结与展展望望60参考文献参考文献64致致 谢谢67攻读硕士学位期间发表论文情况攻读硕士学位期间发表论文情况68附录一附录一 CAN 接口模
13、块程序接口模块程序69附录二附录二 工业以太网模块驱动程序工业以太网模块驱动程序72附件三附件三 嵌入式嵌入式 TCP/IP 协议栈实现程序（部分）协议栈实现程序（部分）.741第一章第一章绪论绪论1.11.1 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
14、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
15、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
16、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。2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
