重庆大学硕士学位论文10 主要机电设备传感器工控机CAN转USB模块频率测量模块模拟量采集模块CANRS485DTU 船载在线监测系统硬件框图Fig overallblock diagram linemonitoring system 船载在线监测系统硬件主要包括 工控机、传感器、模拟量采集模块、频

重庆大学硕士学位论文10 主要机电设备传感器工控机CAN转USB模块频率测量模块模拟量采集模块CANRS485DTU 船载在线监测系统硬件框图Fig overallblock diagram linemonitoring system 船载在线监测系统硬件主要包括 工控机、传感器、模拟量采集模块、频率测量模块、CAN转USB模块和DTU Data Transfer Unit 数据传输单元 等设备。传感器实时测量主要机电设备的部分运行参数 将物理信号转换成相应的电信号。其中压力传感器和温度传感器将舵机压力和左右主机排气温度转换成标准的4 20mA电流信号 转速传感器将尾轴转速转换成方波信号。左右主机和发电机自带的控制箱或监测仪对主要运行参数进行了实时的监测 并预留有通信接口。因此对控制箱已监测的参数 如柴油机转速、油温和油压等参数 本系统不再额外增加传感器进行监测 而是直接从控制箱预留的通信接口读取并解析监测参数。其中左右主机控制箱预留的通信接口为RS485接口 发电机监测仪预留的通信接口为CAN接口。由于工控机自带有RS485通信接口 因此左右主机控制箱的RS485信号可以直接接入工控机 但是工控机不自带有CAN通信接口 因此发电机监测仪的CAN信号需经过CAN转USB模块转换成USB信号接入工控机。 工控机采集到监测参数后 一方面在软件界面上实时显示设备的运行参数、故障报警等信息 另一方面利用数据库对获取的数据进行存储 同时将监测的参数通过串口发送到DTU 进行远程数据传输。 远程数据传输为了实现主要机电设备运行状态的远程监测 系统需将船载在线监测系统监测的参数传输到远程数据中心。由于航标船与远程数据中心间距离很远 而且航标船处于移动状态 因此本系统利用GPRS网络实现数据的远程无线传输。GPRS远程数据传输功能的实现包括三个步骤 14 船载在线监测系统工控机通过串口将数据发送到DTU DTU自动将数据发送到GPRS网络 远程数据中心服务器利用TCP IP协议与DTU建立网络连接 并从Internet网上接收DTU发送的数据。 系统总体方案设计11 远程数据中心远程数据中心的功能包括 远程数据接收 运行状态参数显示 故障报警和故障信息显示 历史数据存储和查询 远程数据中心在接收到DTU发送的状态参数和报警参数后对数据进行解析并在软件界面上显示 同时将数据存入数据库。远程数据中心通过数据库实现状态参数和故障信息的历史数据查询功能。 RS485总线总线是一种广泛应用于PLC和DCS等的工业总线 具有抗干扰能力强 信号传输距离远等特点 15 。在多机通信网络中 RS485总线支持总线式、菊花链式、星型和单环冗余型等多种网络拓扑结构 16 。常见的RS485网络拓扑结构是总线总线采用差分信号负逻辑 通过两根信号线DATA 和DATA 之间的电压差来表示逻辑0和逻辑1。其中 电压差 2V 6V表示逻辑―0‖ 电压差 2V 6V表示逻辑―1‖ 17 。RS485总线Mbps 最远通信距离可达1219m 其数据传输速率与通信距离成反比。 RS485总线通信方式为半双工通信 即在同一时刻总线上任何一台设备只能作为数据发送端或接收端 而不能同时作为数据发送端和接收端 这是RS485总线总线间的一个重要区别。RS485总线一般采用两线制连接 即通过DATA 和DATA 两根线采用差分方式实现信号的传输。在多机进行总线式连接 且信号传输距离较近时 只需将各从机的DATA 与总线的DATA 相连 将从机的DATA 与总线的DATA 相连。在主机端将总线的DATA 与主机DATA 相连 将总线的DATA 与主机DATA 相连 如图2 6所示。在信号传输距离较远时 为了增强信号传输的稳定性和抗干扰性 通常采用三线制连接 DATA 、DATA 和GND 且在总线的一端加上终端电阻 通常为120Ω 18 。在电气连接上 RS485通信通常采用DB9接头 各引脚的定义如表2 6所示。 重庆大学硕士学位论文 12 DATA DATA 主机DATA DATA 从机1DATA DATA 从机2DATA DATA DATADATA 终端电阻 总线总线接线方式Fig Bustype connection mode RS485bus RS485总线接头引脚定义Table DB9connector definition RS485引脚号 定义DATA DATA NC NC GND NC NC NC NC Connect表示未定义连接。 Modbus通讯协议RS485总线通信采用的是Modbus通讯协议。Modbus协议最初是由Modicon公司创立的 是世界上第一个真正用于工业现场的总线协议。Modbus网络是一种通用的工业通讯网络。在Modbus网络中 设备之间通过公用线路或局部专用线路连接。Modbus网络采用主从式通信方式 即网络中只有一台Modbus设备作为主机 其余Modbus设备作为从机 19 。Modbus协议支持RS422和RS485两种电气接口。 Modbus协议定义了连接器、接线电缆、信号等级、传输波特率和奇偶校验位 17 19 。当在Modbus网络上进行通信时 每一台设备有一个唯一且不重复的设备地址 即寻址地址。设备通过RS485总线进行通讯时采用主从技术 即主机启动数据传输 通过从机地址在总线上寻址从机并发送消息 此过程称为查询。总线上各从机在接收到主机发出的查询消息后提取消息开头的设备地址 并与自己的寻址地址相比较 如果一致则继续提取后面的功能代码等数据 处理查询所要求的动作 并通过消息返回对查询作出的响应 如果不一致则忽略此查询消息。主机和从机在Modbus总线上周期性的完成查询和响应的过程如图2 7所示 19 系统总体方案设计13 设备地址功能代码8位数据字节错误校验主机查询信息设备地址功能代码8位数据字节错误校验主机查询信息 主从机查询响应周期Fig Queryresponse cycle slave查询 查询消息中的设备地址为主机向其发送消息的设备的寻址地址 功能代码指定被寻址的从机应执行的动作 数据字节中包含从机需执行动作的附加信息 如用功能代码03读取从机寄存器值时包含的寄存器起始地址和寄存器个数等。 响应 当从机正确响应主机的查询消息时 响应消息中功能代码与查询消息中功能代码相同 数据字节包含从机响应主机查询消息时产生的数据 如寄存器值或状态等。如果未正确响应 则修改功能代码 即生成一个错误功能代码 并在数据字节中通过一个错误代码说明错误信息。正确功能代码的第一位为0 错误功能代码的第一位为1。主机通过功能代码的第一位即可判断从机是是否正确响应了查询消息。 Modbus通讯协议支持两种数据通讯模式 ASCII模式和RTU模式 19 。Modbus协议分别定义了两种通讯模式下消息中各―位‖的含义 以及消息打包和解码方法。无论采用ASCII通讯模式还是RTU通讯模式 主机和从机在进行数据通讯前都必须设置串行通信参数 包括 波特率、起始位、停止位和奇偶校验位等 并且同一总线上的主机和所有从机的串行通信参数必须保持一致 否则在数据传输时会出现乱码或无法通信。 在ASCII模式和RTU模式下 Modbus总线上的信息都是以消息帧的形式传输的 每一帧都有确定的起始位和终止位 19 。起始位为消息帧的开始。当设备遇到消息帧起始位时开始读消息 先读取设备寻址地址 并与自己地址比较 以决定是否继续读取后面的数据 终止位为消息帧的结束。当设备遇到终止位时停止重庆大学硕士学位论文 14 消息帧的接收 直到遇到下一个消息帧开始位才继续开始接收消息。 ASCII模式 ASCII模式的主要优点是允许相邻两个字符之间的传输时间间隔长达1S而不会出现错误。ASCII模式下消息帧的格式如表2 7所示 19 。当设备以ASCII模式在Modbus总线上进行通信时 一个信息帧中的每8位字节作为2个ASCII字符传输。 Modbus协议ASCII模式消息帧格式Table MODBUSASCII message frame 开始 地址 功能 数据 校验 结束 1字符 2字符 2字符 N字符 2字符 2字符 在ASCII模式中 消息帧以冒号 ASCII码 3AH 作为消息帧的开始 以回车 换行 CRLF ASCII码 0DH和0AH 作为消息帧的结束。地址区、功能码区、数据区和校验码区的允许字符均为十六进制字符0 F。当总线上设备接收到一个消息帧的开始 即冒号 设备对消息的地址区进行解析并与该设备的寻址地址相比较。若相同则继续接收消息帧剩余数据并对消息作出响应若不相同则放弃该消息帧。当字符之间出现大于1S的时间间隔时 接收设备则认为出现了错误消息。 RTU模式 当设备以RTU模式在Modbus总线上进行通信时 信息帧中的每8位字节分成2个4位16进制的字符 并且消息帧必须连续发送 19 。因此RTU模式的主要优点在于在相同的波特率下传输的字符的密度高于ASCII模式。RTU模式下信息帧的格式如表2 8所示 19 。消息帧开始至少需要3 5个字符的静止时间 T1 T2 T3 T4 静止时间的长短取决于通讯使用的波特率。RTU模式信息帧各区允许的字符均为16进制的0 F。其中 第一个数据区为设备地址 第二个数据区为功能代码 第三个数据区为数据区 第四个数据区为校验码。 RS485总线上的每台设备都连续监听总线上的消息 包括静止时间。当接收到第一个数据区 即设备地址时 每台设备对该地址进行解码 并与该设备的寻址地址相比较。若相同 则该设备继续读取该消息帧剩余的数据 即功能代码、数据区和校验位 并对该消息作出响应。若不相同则放弃该消息帧。当一条消息的最后一个字符发送完后 需要有3 5个字符的静止时间才能发送下一条消息。 系统总体方案设计15 Modbus协议RTU模式消息帧格式Tab MODBUSRTU message frame 开始 地址 功能 数据 校验 终止 T1 T2 T3 T4 8bit 8bit 8bit168bit T1 T2 T3 T4 在RTU模式下 任何一条消息都必须是连续发送的。如果在一个消息帧的发送期间出现了大于1 5个字符的静止时间时 则接收该消息帧的设备将刷新不完整的消息数据 并假设为下一消息帧的开始。 Modbus消息帧Modbus协议的消息帧包括 设备地址、功能代码、数据区和校验码等数据。 设备地址 Modbus消息帧的寻址地址包括2个十六进制字符 ASCII模式 或8位字节 RTU模式 。有效的从机寻址地址为0 247 其中地址0作为广播地址 即所有从机均能识别。 当主机向从机发送查询消息时 主机将从机的寻址地址放入消息帧的地址区 以使需要查询的从机接收该查询消息时可根据此地址识别该消息 当从机向主机发送响应消息时 从机将自己的寻址地址放入消息帧的地址区 以使主机在接收到响应消息时可以根据地址确定发送该响应消息的从机。 功能代码 Modbus消息帧的功能代码包括2个十六进制字符 ASCII模式 或8位字节 RTU模式 有效范围为1 255 十进制 16 19 。当主机向从机发送查询消息帧时 主机通过功能代码向从机说明从机应该执行的动作 如读取寄存器值、读取线圈或数字输入输出信号状态、向寄存器写入数据等。当从机向主机发送响应消息帧时 通过功能代码向主机说明从机根据主机查询消息所做的响应。当从机正确响应主机查询信息时 从机在响应消息帧的功能代码数据区中放入与主机查询消息帧的功能代码数据区中原始功能代码相同的功能代码 当从机未正确响应主机查询信息时 从机在响应消息帧的功能代码数据区中放入与主机查询消息帧的功能代码数据区中原始功能代码等效的功能代码 即将功能代码最高位置1 正常功能代码的最高位为0 。Modbus协议常见功能代码及其对应的功能见表2 1920 重庆大学硕士学位论文16 Modbus协议常用功能代码及其功能Table Commonlyused function codes Modbusprotocol 功能代码 功能说明 01 读线 强制单个线 读不正常状态 数据区 Modbus协议消息帧的数据区包括N个ASCII字符 ASCII模式 或者N个8位字节的十六进制字符 RTU模式 当主机向从机发送查询消息时数据区中包含了从机对功能代码响应时的一些辅助信息。例如 当主机利用03功能代码读取从机寄存器值时 数据区包含了寄存器的起始地址和读取的字节数。 当从机向主机发送响应消息时 若从机正确响应主机的查询 则数据区包含了从机对查询消息响应的数据 例如响应主机03功能代码时返回的寄存器中的数据 若从机未正确响应主机的查询 则数据区包含了错误响应的信息 以使主机在接收到从机响应消息后根据数据区的错误信息决定下一步的操作。 校验码 Modbus协议有两种信息帧校验方式 LRC校验 ASCII模式 和CRC校验 RTU模式 在ASCII模式中信息帧校验采用LRC校验方式。LRC校验信息以冒号― ‖开始 以CRLF字符结束 并且忽略了单个字符数据的奇偶校验。LRC校验码为一个字节8位二进制数值 由主机包含在查询信息中一起发送。从机在接收到查询信息时重新计算LRC校验码 并与查询信息中的LRC校验码相比较 若不相同则产生一个错误。 在RTU模式中 信息帧校验采用CRC校验方式。CRC校验码为2个字节16位的二进制数值。由主机计算CRC检验码 并将其包含在查询信息中一起发送。从机接收到查询信息后重新计算CRC校验码 并将计算得到的CRC校验码与查询信息中的CRC校验码相比较 若不相同则产生一个错误。 系统总体方案设计17 CAN总线介绍CAN总线是一种分布式控制总线 广泛应用于汽车控制系统、发电机控制等。CAN总线 网络上任意一台设备均可作为主机 即任意一个设备均可以在任意时刻主动地向网络上的其他设备发送信息 而不分主从 总线上的信息可分成不同的优先级 优先级高的消息优先在总线上被传输 采用非破坏性仲裁机制 当两台设备同时向网络上传送信息时 优先级低的设备主动停止数据发送 而优先级高的设备可不受影响地继续传输数据 可以以点对点、一点对多点 成组 及全局广播等几种方式进行数据传输 在通信速率低于5Kbps时 通信距离最远可达10km 网络中设备节点数最多可达110个 采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8个 每帧信息都有CRC校验及其他检错措施 数据出错率低 通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维等 无特殊要求时 一般一般采用廉价的双绞线即可 CAN总线结构CAN总线所示。CAN总线采用两根线 CAN H和CAN 实现信号的传输。为了降低信号传输过程中的电缆信号反射、提高信号传输质量一般在CAN总线两个终端加上终端电阻 常用阻值为124Ω的电阻 。CAN总线采用差分的方式传输信号 即利用CAN H和CAN L间电平差来表示逻辑―1‖ 隐性 和逻辑―0‖ 显性 电平差 CAN 为2V时表示逻辑―0‖电平差为0V时表示逻辑―1‖。 CAN总线一般采用屏蔽双绞线作为信号传输介质 将设备的CAN H线和CAN L线分别与总线的CAN H和CAN L相连。与RS485总线采用的主从通讯方式不同 CAN总线上的任何一台设备既可以作为主机 也可以作为从机 设备与设备之间通过总线地址识别彼此。 重庆大学硕士学位论文 18 CAN HCAN L设备 1设备 2设备 nCAN HCAN LCAN HCAN LCAN HCAN 终端电阻124 终端电阻 124 CAN总线网络拓扑结构Fig Networktopology structure CANbus 目前使用的CAN通讯设备一般符合CAN2 0技术规范 博世公司于1991年颁布 包括CAN2 0A和CAN2 0B两种。二者区别在于 CAN2 0A规范采用标准的报文格式 CAN2 0B可以采用标准报文格式或扩展报文格式 22 24 。CAN协议只定义了物理层和数据链路层 因此要实现网络中设备间的数据通信 在应用层需要采用其他的数据传输协议。CAN网络在应用层支持多种数据传输协议 如SAE J1939协议和CAN Open协议等 22 。由于本系统中CAN设备通讯采用的SAE J1939协议 因此本文只对SAE J1939协议作介绍。 J1939协议J1939协议是在CAN2 0协议的基础上建立的通信协议。J1939协议将通信网络定义成一个7层模型 从底层到顶层分别为 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。其中物理层和数据链路层沿用了CAN协议 而网络层、传输层、会话层、表示层和应用层分别增加了子协议。J1939网络模型及各层采用的子协议如图2 9所示 22 系统总体方案设计19 网络层J193931第2层 数据链路层J1939 21第1层 物理层J1939 1X J1939协议网络模型及各层子协议Fig Networkmodel J1939protocol subprotocol eachlayer J1939各子协议分别定义了网络模型中的不同的层 例如J1939 11定义了物理层、J1939 21定义了数据链路层、J1939 31定义了网络层。而在应用层 根据不同的应用场合 又分为J1939 71 汽车应用 、J1939 73 设备诊断 、J1939 75 发电机组和工业应用 等子协议。图2 11中―X‖表示有多个子协议对该层进行了定义 如J1939 7X包括J1939 71、J1939 73和J1939 75等。在J1939协议网络模型的各层子协议中 数据链路层协议J1939 21定义了数据帧的格式 即数据打包并在总线上被传输 应用层协议J1939 7X定义了数据的表达方式。数据链路层协议和应用层协议是用户在编写应用程序利用CAN总线传输数据时的重要参考依据 因此本文重点介绍数据链路层协议和应用层协议。重庆工控机， J1939协议消息帧包括 帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、ACK场和帧结束。J1939数据帧格式如图2 10所示 21 25 SOFIDSRRIDEExtendedIDRTRr0r1Data FieldDLCCRCDELACKDELEOFITM位数0 64帧起始1511173仲裁场控制场数据场CRC场ACK场帧结束 10J1939协议数据帧格式 Fig 10Data frame format J1939protocol

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