海洋维权执法浮标信息采集系统的CAN总线设计

    但是，我国目前的海洋资料浮标信息采集系统仍存有许多不足之处：浮标信息采集系统实现对浮标内信息的集成，完成浮标上图像信息、水声信息、水文环境参数信息、浮标体安全参数信息的采集、存储和传输。数据采集处理系统种类多，给使用和维护带来了极大的不便。因此为克服传统浮标采集系统的不足，本文将CAN总线应于海洋维权浮标采集系统，主机和通讯机通过CAN总线相连，CAN总线数据通信具有可靠性、实性及灵活性的特点，因此解决了大型海洋浮标数据采集系统的扩展性差的缺点。浮标系统电气部分分为：电源系统、浮标信息采集系统、水下声阵列信息采集与识别系统、高清图像采集与识别系统、高速卫星通信系统、水文气象传感器和浮标体安全监控传感器。

1 CAN总线原理
    CAN(Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通信协议总线，是应用最广泛的现场总线之一。CAN协议是在1986年由德国BO SCH公司开发的，由于其实时性、高性能、高可靠性等优点，随后也广泛应用于其他领域，如多种控制设备、交通工具、工业自动化、医疗仪器以及建筑、环境控制等。CAN总线的通信介质可以是双绞线，光导纤维或者同轴电缆，传输速率可达1 Mb／s，传输距离可达10 km。其特点概括如下：
    (1)多主控制。在总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以向其他节点发送信息。
    (2)自动关闭。CAN总线可以判断出总线上错误的类型是暂时的数据错误(如外部噪声等)还是持续的数据错误(如驱动器故障、单元内部故障、断线等)。
    (3)远程数据请求。CAN总线可以通过发送“远程帧”，请求其他节点的数据。高效的短帧结构。每个数据帧数据域最长为8 B，传送短报文时效率高，高可靠性。
    (4)非破坏性总线仲裁技术。具有点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式。当有多个节点一起向总线发送信息时，最高优先级的节点可以继续传输数据而不受影响，优先级低的节点会主动的退出发送。
    (5)总线配置灵活。

2 CAN总线的设计
    (1)硬件的设计。基于CAN总线设计的硬件从结构上分为主机模块和通信机模块，模块之间通过CAN总线进行数据的通信。主机将采集的水文气象数据和浮标体安全监控数据通过CAN总线周期性的上传，通讯板将来自岸站的配置和控制命令也是通过CAN总线下发。具体的系统结构图如图1所示。

    通讯板用于处理图像信息、水声信息和高速卫星通信的信息。浮标通讯板是整个系统的控制枢纽，从通讯板的结构上可以可看出其功能。通讯机来控制底板上主机电源的通断是通过电源控制接口实现的。为了实现系统的即插即用提供软件支持因而选用即插即用接口。通过海事卫星的网络接口，采集的图像和水声信息通过通讯机发送到岸站。通讯板是数据通信最前端的部分，是浮标信息采集系统中非常重要的。
    主机通过各种传感器将在一个周期内(通常是半个小时)采集各种数据，然后按照一定的格式存储到SD卡中。通讯机通过CAN总线发送数据收集命令，主机在规定的时刻接收命名，将采集并经过统计的数据通过CAN总线上传到通讯板。主机上装有各种舱体状态检测传感器如舱温传感器、水警传感器、门警传感器，采集的水文气象数据会和舱温异常、舱门被非法打开等舱体异常信息一起通过CAN总线上传给通讯板，再通过卫星发送给岸站，实现浮标采集数据的实时显示、存储和转发功能。[page]

    (2)软件的设计。主机和通讯机通过CAN总线相连，作为整个浮标信息采集系统通信的通道。STM32F207内置CAN 2．0接口，支持CAN 2．0B协议，该协议符合国际标准。浮标系统的CAN通信帧采用的是扩展帧格式。考虑系统的通信过程都是突发式的，除了通道标定。不论主机还是通讯机，在将通道标定作为一个独立的模式后，CAN相关功能都设计做服务性的独立进程，CAN通信的服务请求都汇聚到一个消息队列中，都是以消息的形式，最后通过一个统一的进程接收处理。在这种工作机制下，一般情况下，通讯机通过CAN总线发送给主机的第一帧数据，不能被主机可靠地接收。因此，每次通信开始先要建立可靠的通信链路使主机做好准备。建立连接后，通讯机就可以发送命令，要求主机上传数据。通讯机发送完命令后，再发送删除连接帧，这样就完成了一次完整的通信。CAN服务进程如图2所示。

3 结论
    在此完成了CAN功能进程的设计与实现。系统安装了水文气象传感器及浮标体安全监控传感器等。基于海洋浮标低功耗及安全性的要求，系统由值守节点负责控制启动。

4 结语
    本文创新地将CAN总线技术应用于海洋维权执法浮标信息采集系统中。通过CAN总线将主板和通讯板相连，并对软件和硬件进行了设计及测试。实验证明这种对数据的实时采集与传送系统，提高了系统的可靠性，也具有实时性强、纠错能力强等特点，该系统的研制成功具有较高的实际应用意义。