海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)的CAN總線設(shè)計(jì)

摘要：我國的海上疆土非常的遼闊，海洋開發(fā)和海洋探測對于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。海洋資料浮標(biāo)是海洋環(huán)境監(jiān)測與海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)的主要手段之一，具有全天候、長期連續(xù)、定點(diǎn)監(jiān)測的特點(diǎn)。根據(jù)海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)的特點(diǎn)，運(yùn)用現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，CAN總線的應(yīng)用為海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)采集系統(tǒng)提供了一種新的采集方式，組成了一套總線化、模塊化、高可維護(hù)性的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：通信；CAN總線；海洋浮標(biāo)；數(shù)據(jù)采集

    海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)基于目前的大型海洋資料型浮標(biāo)安裝高清晰度圖像采集系統(tǒng)和聲學(xué)傳感器陣列，定點(diǎn)獲取關(guān)鍵海域的艦船信息，獲取海洋侵權(quán)目標(biāo)、提升全天候探測能力；分別研制基于浮標(biāo)衛(wèi)星和飛機(jī)衛(wèi)星的高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，結(jié)合目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對侵權(quán)目標(biāo)的特征識別和研判；綜合集成上述傳輸技術(shù)、探測技術(shù)和分析研判技術(shù)等，在東海特定敏感區(qū)域開展維權(quán)執(zhí)法目標(biāo)探測識別與信息傳輸技術(shù)集成三位一體的信息綜合監(jiān)視示范應(yīng)用。
    但是，我國目前的海洋資料浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)仍存有許多不足之處：浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對浮標(biāo)內(nèi)信息的集成，完成浮標(biāo)上圖像信息、水聲信息、水文環(huán)境參數(shù)信息、浮標(biāo)體安全參數(shù)信息的采集、存儲和傳輸。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)種類多，給使用和維護(hù)帶來了極大的不便。因此為克服傳統(tǒng)浮標(biāo)采集系統(tǒng)的不足，本文將CAN總線應(yīng)于海洋維權(quán)浮標(biāo)采集系統(tǒng)，主機(jī)和通訊機(jī)通過CAN總線相連，CAN總線數(shù)據(jù)通信具有可靠性、實(shí)性及靈活性的特點(diǎn)，因此解決了大型海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)。浮標(biāo)系統(tǒng)電氣部分分為：電源系統(tǒng)、浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)、水下聲陣列信息采集與識別系統(tǒng)、高清圖像采集與識別系統(tǒng)、高速衛(wèi)星通信系統(tǒng)、水文氣象傳感器和浮標(biāo)體安全監(jiān)控傳感器。

1 CAN總線原理
    CAN(Controller Area Network)是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通信協(xié)議總線，是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議是在1986年由德國BO SCH公司開發(fā)的，由于其實(shí)時(shí)性、高性能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，隨后也廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如多種控制設(shè)備、交通工具、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等。CAN總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線，光導(dǎo)纖維或者同軸電纜，傳輸速率可達(dá)1 Mb／s，傳輸距離可達(dá)10 km。其特點(diǎn)概括如下：
    (1)多主控制。在總線空閑時(shí)，所有與總線相連的單元都可以向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。
    (2)自動(dòng)關(guān)閉。CAN總線可以判斷出總線上錯(cuò)誤的類型是暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(如外部噪聲等)還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(如驅(qū)動(dòng)器故障、單元內(nèi)部故障、斷線等)。
    (3)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求。CAN總線可以通過發(fā)送“遠(yuǎn)程幀”，請求其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。高效的短幀結(jié)構(gòu)。每個(gè)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)域最長為8 B，傳送短報(bào)文時(shí)效率高，高可靠性。
    (4)非破壞性總線仲裁技術(shù)。具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等多種傳輸方式。當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)一起向總線發(fā)送信息時(shí)，最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)而不受影響，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)會主動(dòng)的退出發(fā)送。
    (5)總線配置靈活。

2 CAN總線的設(shè)計(jì)
    (1)硬件的設(shè)計(jì)。基于CAN總線設(shè)計(jì)的硬件從結(jié)構(gòu)上分為主機(jī)模塊和通信機(jī)模塊，模塊之間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。主機(jī)將采集的水文氣象數(shù)據(jù)和浮標(biāo)體安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過CAN總線周期性的上傳，通訊板將來自岸站的配置和控制命令也是通過CAN總線下發(fā)。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    通訊板用于處理圖像信息、水聲信息和高速衛(wèi)星通信的信息。浮標(biāo)通訊板是整個(gè)系統(tǒng)的控制樞紐，從通訊板的結(jié)構(gòu)上可以可看出其功能。通訊機(jī)來控制底板上主機(jī)電源的通斷是通過電源控制接口實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的即插即用提供軟件支持因而選用即插即用接口。通過海事衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)接口，采集的圖像和水聲信息通過通訊機(jī)發(fā)送到岸站。通訊板是數(shù)據(jù)通信最前端的部分，是浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)中非常重要的。
    主機(jī)通過各種傳感器將在一個(gè)周期內(nèi)(通常是半個(gè)小時(shí))采集各種數(shù)據(jù)，然后按照一定的格式存儲到SD卡中。通訊機(jī)通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)收集命令，主機(jī)在規(guī)定的時(shí)刻接收命名，將采集并經(jīng)過統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳到通訊板。主機(jī)上裝有各種艙體狀態(tài)檢測傳感器如艙溫傳感器、水警傳感器、門警傳感器，采集的水文氣象數(shù)據(jù)會和艙溫異常、艙門被非法打開等艙體異常信息一起通過CAN總線上傳給通訊板，再通過衛(wèi)星發(fā)送給岸站，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能。
    (2)軟件的設(shè)計(jì)。主機(jī)和通訊機(jī)通過CAN總線相連，作為整個(gè)浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)通信的通道。STM32F207內(nèi)置CAN 2．0接口，支持CAN 2．0B協(xié)議，該協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)。浮標(biāo)系統(tǒng)的CAN通信幀采用的是擴(kuò)展幀格式。考慮系統(tǒng)的通信過程都是突發(fā)式的，除了通道標(biāo)定。不論主機(jī)還是通訊機(jī)，在將通道標(biāo)定作為一個(gè)獨(dú)立的模式后，CAN相關(guān)功能都設(shè)計(jì)做服務(wù)性的獨(dú)立進(jìn)程，CAN通信的服務(wù)請求都匯聚到一個(gè)消息隊(duì)列中，都是以消息的形式，最后通過一個(gè)統(tǒng)一的進(jìn)程接收處理。在這種工作機(jī)制下，一般情況下，通訊機(jī)通過CAN總線發(fā)送給主機(jī)的第一幀數(shù)據(jù)，不能被主機(jī)可靠地接收。因此，每次通信開始先要建立可靠的通信鏈路使主機(jī)做好準(zhǔn)備。建立連接后，通訊機(jī)就可以發(fā)送命令，要求主機(jī)上傳數(shù)據(jù)。通訊機(jī)發(fā)送完命令后，再發(fā)送刪除連接幀，這樣就完成了一次完整的通信。CAN服務(wù)進(jìn)程如圖2所示。

3 結(jié)論
    在此完成了CAN功能進(jìn)程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)安裝了水文氣象傳感器及浮標(biāo)體安全監(jiān)控傳感器等?；诤Ｑ蟾?biāo)低功耗及安全性的要求，系統(tǒng)由值守節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)。

4 結(jié)語
    本文創(chuàng)新地將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于海洋維權(quán)執(zhí)法浮標(biāo)信息采集系統(tǒng)中。通過CAN總線將主板和通訊板相連，并對軟件和硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及測試。實(shí)驗(yàn)證明這種對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳送系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性，也具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，該系統(tǒng)的研制成功具有較高的實(shí)際應(yīng)用意義。