船用阀门控制器设计文档格式.docx

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长途管道输送主线还都用的是国外产品，国内产品只能用在支线上。

基于上述这一情况，本文设计了基于嵌入式智能阀门控制器的设计。

控制器的设计用ARM微处理器，集测量、控制和远程传输于一体。

通信部分的设计采用工业控制计算机、通过CAN总线与电液阀控制器通信，可以实现远程控制阀门开关、实时显示阀门的各相关信息等。

软件设计采用VisualBasic6.0实现对下位机控制系统的信息采集、处理与远程监控等。

然后进行初步的分析设计和进一步的实施，通过VB编写需要的程序，最后对系统总体性能进行测试研究。

1绪论

1.1课题研究背景

按照阀门驱动性质划分，管路上阀门的驱动装置主要有液压驱动、电气驱动、气动驱动以及电液驱动等，各种方式都有其优缺点。

传统的船用阀门普遍采用液压驱动方式，液压驱动是以一定压力的油液作为工作介质来驱动液压驱动头来工作，并将驱动头的水平运动转换为开关阀门的操作。

其中每个阀门须两根由铜管制成的油路管作用于阀门，从而实现对阀门的开启、关闭，以及调节控制，所以控制装置与执行装置之间的距离一般又比较远，故使得这种阀门控制方式既浪费铜材又增加了船体自身的重量，还占据了船体有限的空间。

基于传统阀门控制的这一缺点，国内外的多家船舶制造商开始研究新的解决方案。

一种基于现场总线的电子液压驱动方式逐渐被引入到船舶阀门制造领域。

现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、串行、多节点数字通信的技术。

现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点。

1.2课题研究的意义及内容

近年来，随着船舶自动化程度的提高，越来越多的油船、化学制品船都采用远程阀门遥控系统，一来体现了阀门遥控系统的迅速发展，二来提高了其安全性、稳定性和可靠性，成为了船舶货油系统和压载水系统稳定运行的有力保障。

我国作为造船大国，每年船舶的产量都在数百上千艘，在世界上与日本相当且仅次于韩国。

随着国际造船业日益向着自动化、智能化、舒适化等目标发展，船舶对于装卸自动化系统以及动力、滑油冷却、消防等系统的高端配套设备提出了更高的要求。

通常船舶上的阀门很多，其中大部分工作在危险的地方，这些危险的地方就需要阀门遥控系统来精确的控制它们的开关。

但是我国的阀门遥控系统以及其所属的船舶装卸自动化系统技术几乎都被国外产品所垄断，我国自主生产率极低，所以发展我国船舶阀门遥控系统自主化刻不容缓。

嵌入式系统的引进，可提高遥控系统的精确度，提升设备的性能和优化其结构。

针对其结构特点开发相应软件的程序员不需要知道设备的具体结构，也不需要知道其具体的工作原理，就可以开发出想对应的工业软件，这在一定程度上减轻了推广智能阀门远程遥控系统的难度。

1.3课题研究的目的

本文研究了船用阀门控制器的设计，此次设计综合利用了嵌入式系统，总线技术，工业控制等，完成了船用智能阀门控制器的设计。

船用智能阀门控制器的设计不仅提高了生产的可靠性和稳定性，也促进了工业化的高速发展，在每次的设计与突破之中，船用阀门控制器会得到不断的创新与发展。

同时，也提高了我独立思考问题的能力，进一步让我了解到了关于船用阀门的技术知识。

2CAN总线与嵌入式技术

2.1CAN总线

CAN是ControllerAreaNetwork的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议。

在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。

由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。

为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。

此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：

（1）网络各节点之间的数据通信实时性强。

（2）开发周期短。

（3）已形成国际标准的现场总线。

（4）最有前途的现场总线之一。

相对其它总线技术，CAN总线又有如下优点：

（1）具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。

（2）采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作。

（3）具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络。

（4）可根据报文的ID决定接受或屏蔽该报文。

（5）可靠的错误处理和检错机制。

（6）发送的信息遭到破坏后，可自动重发。

（7）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。

（8）报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

2．1．1CAN总线的产生与发展

控制器局部网（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。

控制器局部网将在我国迅速普及推广。

随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。

由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：

控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。

由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。

为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION2.0）。

该技术规范包括A和B两部分。

2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能提供11位地址；

而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。

此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。

2．1．2CAN总线的特点

CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

通信速率可达1MBPS。

CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。

数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。

同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。

CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。

CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。

CAN总线插卡可以任意插在PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

且其结构简单，只有两根线与外部连接，并且内部集成了错误探测和管理模块。

2．1．3CAN总线技术介绍

由于数据处理对传输速度有很高的要求，所以要对数据进行实时处理就要求数据的物理传输通路有较高的速度。

在几个站同时需要发送数据时,要求快速地进行总线分配。

CAN总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。

这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。

总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。

CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用,这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。

这种方法在网络负载较重时有很多优点,因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了,这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。

对于主站的可靠性,由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信,包括总线读取（许可）控制,在系统中分几次完成。

这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。

不同于其它总线，CAN总线协议不能使用应答信息。

但是可以将发生的任何错误用信号发出，CAN总线协议使用的检查错误的方法有以下五种：

（1）循环冗余检查

（2）帧检查

（3）应答错误

（4）总线检测

（5）位填充

如果至少有一个站通过以上方法探测到一个或者多个错误，它将发送出错标志终止当前发送。

这可以组织其它站接受错误的数据，并保证网络上的数据的一致性。

当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。

但是这种方法存在一个问题，即一个发生错误的站将导致所有的数据被终止，其中也包括正确的数据，所以，如果不采取自检测措施，总线系统应采用模块化设计。

因此，CAN总线协议提供一种将偶然发生的错误从永久发生的错误和局部站失败中区别出来的方法。

这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站本身的错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现，即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成错误数据而被终。

2．2ARM7微处理器

ARM7处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一，ARM处理器具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少，这很适合用于对于功耗要求严格的船用阀门的应用。

ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多，这样的简化实现了ARM处理器的如下特点：

（1）高的指令吞吐量

（2）出色的实时中断相应

（3）小的、高性价比的处理器宏单元

本文采用的是LPC2119ARM7处理器，LPC2119是基于一个支持实时仿