船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用

上海海事大学学位论文船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用I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，嵌入式互联网关上海海事大学学位论文船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用IIABSTRACTThispaperresearchescommunicationandnetworktechnologiesoftheshipintegratedautomationsystem.Firstly,somebackgroundinformationandresearchsignificancerelatedtothisthesisareintroduced.ThenthethesispaysattentiontoCANBusandIndustrialEthernetapplicationsintheshipintegratedautomationsystem.Atthesametime,thepaperpresentsafeasibledesignofashipintegratedmonitoringandcontrolnetworksystembasedonthecombinationofdualCAN-busanddual10MbpsEthernet.Thisdesignovercomesthedisadvantagesofthetraditionalshipautomationnetworkandensurestherunningsafetyofthemarineengineandimprovesefficiency,accordingwiththeintegrationdevelopmenttrendsofshipautomationsysteminmarineengineroom.Alsotheredundancydesignimprovesthesystem’sreliability.Finally,themethodtoconnectCAN-BuswithEthernetisstudiedindetail,andthepaperdescribesthehardwareandsoftwaredesignoftheembeddedgatewaywiththelasttwochapters.ChapterVdetailsthedesignideas,keytechnologiesandhardwaredesignoftheembeddedinterconnectiongateway,usingAT90CAN128withCANcontrollerasthemainmicrocontrollerandaRTL8019ASchiptocompleteanembeddedEthernetinterface.ChapterVIdescribedthesoftwaredesignoftheembeddedgateway,includingCAN-businterfacecommunicationprogram,EthernetinterfacedevicedriverandCAN-Ethernetprotocolconversionprogram.TheembeddedCAN/Ethernetgatewayrealizesthefunctionsofnetworkcommunication,dataexchange,andinformationintegrationbetweenCAN-BusandEthernetinship,whichhasabrightfutureandpotentialvalue.Keywords:Integratedautomationshipcommunicationsystem.CAN-bus.Ethernet.Dualredundancydesign.Embeddedgateway上海海事大学学位论文船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用III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..................................................................................52.3CAN现场总线技术的研究.............................................................................62.3.1CAN技术规范简介及特点...................................................................62.3.2CAN总线通信协议模型及分层结构...................................................82.4CAN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............................................153.3CAN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.........................................................204.2CAN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.............265.1CAN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.......................................................................................28上海海事大学学位论文船舶机舱自动化系统网络通信技术的研究与应用IV5.3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..................................