CN202872834U - 一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统 - Google Patents

Abstract

一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，属于船舶通讯技术领域 。 包括主机、采集模块和远程监控设备，主机与采集模块和远程监控设备连接,特点:主机进行CAN-Modbus/TCP协议转换，采集模块与主机之间采用CAN总线进行数据通讯，传递的数据格式为CAN数据帧，主机与远程监控设备之间采用以太网进行数据通讯，传递的数据格式为Modbus/TCP数据帧。优点：实现了异构网络间的数据通讯；解决了工业设备与外界交换中通讯距离短、传输速度慢、传输数据量少的问题；增强了系统的实时性；实现多客户端远程监控的功能；提升网络数据的安全性；提高通讯质量，降低错误率；避免网络阻塞。

Description

一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统

技术领域

本实用新型属于船舶通讯技术领域，具体涉及一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统。

背景技术

工业现代化伴随着通讯技术、计算机技术和网络技术的不断发展，使得自动化设备之间的通讯实时性和稳定性越来越重要，特别是在一些对通讯信号干扰比较大的场合。目前在工业应用场合，存在多种现场总线的通讯协议。CAN协议是Controller Area Network的缩写，即控制器局域网协议，是ISO国际标准化的串行通讯协议。最早由Bosch公司推出，作为一种用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通讯协议。CAN网络使用双绞线作为传输介质，采用总线拓扑结构, 单条网络线路至少可连接110 个节点, 网络总长度最大可达10km ,各个节点之间可以自主互相通讯以实现复杂网络控制。CAN总线以其简单易用、价格低廉、传输距离远、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于工业自动化、船舶、医疗设备以及工业设备等方面，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。还有Modbus协议，Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通讯语言。Modbus/TCP则是运行在TCP/IP上的Modbus报文传输协议。该协议已经成为一通用工业网络应用层的标准，2004年入围IEC标准。我国于2008年发布了GB/T19582国家标准，控制网络Modbus协议正式成为我国实验室认可体系。Modbus/TCP的上层协议采用TCP/IP协议并通过以太网进行数据传输，支持10Mbps/100Mbps的数据传输率。当前的工业现场存在大量的串行口设备，它们支持简单易用的Modbus协议，但Modbus协议只能支持短距离的传输，而且各设备厂家对Modbus协议的实现方式也不完全相同。

   目前市场上依赖上述通讯协议实现的呼叫系统存在以下不足：工业网络与外界数据交换距离过短；异构网络之间由于传输速率不同而容易导致数据拥塞；采集模块与主机之间采用RS485接口，传输速率低，当系统错误而出现多节点同时向总线发出数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某节点；主机与远程监控端采用串行通讯的方式交换信息，数据传输率低，网络拓扑困难，上层网络数据交换困难；主机与采集模块采用51系列单片机，功耗大，处理速度慢、功能有限；远程监控端采用电子显示屏，只能显示数据，不能达到真正的远程控制的功能；系统结构过小不能适用于大型工业网络。

    为此，有必要对现有的呼叫系统的通讯协议加以改进，下面将要介绍的技术方案就是在这样的背景下产生的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，它简化了系统网络结构，实现了异构网络之间的数据通讯，有效解决了工业设备与外界交换中通讯距离短、传输速度慢、传输数据量少的问题，提高了系统的各项性能且能适用于大型工业网络。

    本实用新型的目的是这样来达到的，一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，包括主机、采集模块和远程监控设备，主机与采集模块和远程监控设备连接，采集模块安装于待呼叫的区域，与呼叫装置连接，远程监控设备安装于驾控台面,其特征在于：主机进行CAN-Modbus/TCP协议转换，采集模块与主机之间采用CAN总线进行数据通讯，传递的数据格式为CAN数据帧，主机与远程监控设备之间采用以太网进行数据通讯，传递的数据格式为Modbus/TCP数据帧。

在本实用新型的一个具体的实施例中，所述的主机通过单条线路与采集模块连接，所述的采集模块设置成多个，每个采集模块可以接收多路呼叫信号。

在本实用新型的另一个具体的实施例中，所述的主机包括第一微处理芯片、第一电源模块、第一数据存储模块、第一时钟芯片、第一复位模块、第一CAN通讯模块、以太网通讯模块、RS485通讯模块和延伸报警输出电路，第一微处理芯片与第一电源模块、第一数据存储模块、第一时钟芯片、第一复位模块、第一CAN通讯模块、以太网通讯模块、RS485通讯模块和延伸报警输出电路连接，以太网通讯模块与远程监控设备连接。

在本实用新型的再一个具体的实施例中，所述的采集模块包括第二微处理芯片、第二电源模块、第二数据存储模块、第二时钟芯片、第二复位模块、第二CAN通讯模块、输入电路、输出电路和断线检测电路，第二微处理芯片与第二电源模块、第二数据存储模块、第二时钟芯片、第二复位模块、第二CAN通讯模块、输入电路、输出电路和断线检测电路连接，所述的输入电路接收呼叫信号，所述的输出电路与主机连接。

在本实用新型的又一个具体的实施例中，所述的远程监控设备采用工业触摸屏。

在本实用新型的还有一个具体的实施例中，所述的CAN总线以双绞线为传输介质。

在本实用新型的进而一个具体的实施例中，所述的采集模块中的输入电路、输出电路以及断线检测电路还具有光偶隔离功能。

本实用新型由于采用了上述结构，应用CAN转Modbus/TCP的通讯技术，实现了异构网络间的数据通讯；同时采集模块与主机之间采用CAN总线进行数据通讯，CAN信号采用差分信号，避免了因多节点同时向总线发送数据而导致总线短路；主机与远程监控设备之间采用Modbus/TCP协议，通过以太网进行数据传递，有效地解决了工业设备与外界交换中通讯距离短、传输速度慢、传输数据量少的问题；主机与采集模块采用的微处理芯片，功耗极低，可在高达72MHz的工作频率下运行，具有多达70个的通用I/O管脚，内部基于嵌入式实时操作系统，增强了系统的实时性；远程监控设备采用触摸屏设计，通过软件可实现实时监控功能，还可以设置为被Modbus/TCP服务器端使用，通过以太网实现多客户端远程监控的功能；监控网络通过Modbus/TCP数据帧的格式进行传输，由于是非常规传输格式，大大提升了网络数据的安全性；CAN网络部分采用一问一答设计，提高了通讯质量，降低了错误率；Modbus/TCP网络基于连接设计，避免了与CAN网传输速率不同而导致的网络阻塞。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图。

图2为本实用新型的主机的系统结构图。

图3为本实用新型的采集模块的系统结构图。

图4为CAN-Modbus/TCP协议转换流程图。

具体实施方式

    为了使公众能充分了解本实用新型的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本实用新型的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本实用新型构思作形式而非实质的变化都应当视为本实用新型的保护范围。

请参阅图1，一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，包括主机1、采集模块2和远程监控设备3，主机1与采集模块2和远程监控设备3连接。采集模块2可以有多个，在本实施例中，至少可以连接110个采集模块2，它们通过单条线路与主机1连接。采集模块2安装于待呼叫的区域，与呼叫装置连接，每个采集模块2可以接收多个呼叫信号，此处设置10路呼叫按钮盒的数字量信号的输入。远程监控设备3安装于驾控台面,主机1进行CAN-Modbus/TCP协议转换，采集模块2与主机1之间采用CAN总线4进行数据通讯，CAN总线4以双绞线为传输介质，抗干扰能力强，传递的数据格式为CAN数据帧6；主机1与远程监控设备3之间采用以太网5进行数据通讯，传递的数据格式为Modbus/TCP数据帧7，通过以太网5使得传输距离几乎不受限制,由于它不是传统的固定格式，所以地址信号的抗干扰能力非常强。采集模块2将采集到的呼叫信息转换为CAN数据帧6，并通过CAN总线4发送至主机1，主机1将CAN数据帧6转换成Modbus/TCP数据帧7，并通过以太网5发送至远程监控设备3。远程监控设备3采用工业触摸屏，通过紫金桥组态软件做出操作界面，可以通过收发Modbus/TCP数据帧7与主机1进行通讯,完成系统的实时监控。

    图2为主机1的系统结构图，所述的主机1包括第一微处理芯片11、第一电源模块12、第一数据存储模块13、第一时钟芯片14、第一复位模块15、第一CAN通讯模块16、以太网通讯模块17、RS485通讯模块18和延伸报警输出电路19。在本实施例中，所述的主机1以第一微处理芯片11为主控制器，所述的第一微处理芯片11采用LPC2368。LPC2368内部集成有两路符合CAN2.0B规范标准的CAN 控制器, 全局验收过滤器能识别几乎所有总线的11位和29位标识符。主机1采用DM9161AEP芯片作为以太网控制器，采用HanRun公司的HR911105A芯片作为RJ45接口，该接口内部集成耦合变压器用来抑制共模噪声和干扰，节省了硬件的空间，简化了线路连接。

    请继续见图2，所述的主机1中的以太网通讯模块17将使用RMII（简化的媒体独立接口）协议的片外以太网PHY与片内的MIIM（媒体独立接口管理）串行总线进行连接。以太网采用介质访问控制协议(MAC)即CSMA/CD载波监听多路访问冲突检测协议。主机1的第一微处理芯片11内嵌CAN-Modbus/TCP协议转换功能，基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II平台得以实现。所述的CAN-Modbus/TCP协议转换功能根据各模块的重要性以及对实时性的要求程度，将本系统分为8个具有不同优先级的任务：开始系统任务、TCP进程处理任务、CAN数据收发任务、Modbus/TCP数据封装任务、数据的以太网封装任务、以太网数据包收发任务、I/O任务和时钟信号任务。 除了以上这些主要任务外，还包括2个中断服务，分别用于CAN控制器接受中断和以太网控制器接收中断。嵌入式实时操作系统μC/OS-II平台中的每个任务都是一个无限循环，每个任务都处在以下五种状态之一的状态，它们分别是休眠态、就绪态、运行态、挂起态和被中断态。系统任务的状态都是由第一微处理芯片11控制，系统为各个通讯过程分配一个信号量，一旦事件发生，等待列表中相应的任务就进入就绪状态，从而保证了任务与时间的同步性，并通过优先级控制，保证了重要任务首先得到响应。

请参阅图3，所述的采集模块2包括第二微处理芯片21、第二电源模块22、第二数据存储模块23、第二时钟芯片24、第二复位模块25、第二CAN通讯模块26、输入电路27、输出电路28和断线检测电路29。在本实施例中，采集模块2以第二微处理芯片21为主控制器，此处采用与主机1中的第一微处理芯片11相同的芯片，即LPC2368。另外，采集模块2采用CTM8251AT芯片作为CAN隔离收发器，将光耦芯片用作信号隔离，主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线4的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能。采集模块2可控制呼叫信息的输入、输出和断线检测，每个采集模块2可以接收10路呼叫按钮盒的呼叫信号。呼叫信号经输入电路27的光耦隔离后进入第二微处理芯片21，然后转换为CAN数据帧6向主机1传递，呼叫按钮盒由采集模块2进行集中供电。

CAN-Modbus/TCP协议转换流程图如图4所示，首先进行系统初始化,开始协议转换任务，CAN数据接收信号量的情况下，如果判断为CAN数据接收信号量，主机1中的第一微处理芯片11为其开辟一个缓冲区A，接收到的CAN帧经过处理后，其中的数据部分被分离出来放入缓冲区A，第一微处理芯片11再开辟一缓冲区B,将CAN发送数据的格式转换成Modbus/TCP协议能够识别使用的数据，并将此数据存放在缓冲区B中，并为该数据添加MBAP头部，然后再按以太网数据帧格式对其进行封装。首先添加TCP头部使其成为符合TCP协议的数据，再添加IP头部使其成为符合IP协议的数据，最后添加以太网头部和尾部，封装成以太网数据帧，这样就可以由网卡驱动程序发送至目的地；如果判断为不是CAN数据接收信号量，结束协议转换任务。对应地，以太网数据接收信号量的情况下，如果判断为以太网数据接收信号量，取出Modbus/TCP包放入缓冲区B，再取出用户数据放入缓冲区A，然后对数据进行CAN封装后发送至现场设备；如果判断为不是以太网数据接收信号量，结束协议转换任务。该协议转换流程基于连接设计，有效地避免了两种网络因传输速率不同而导致的网络数据阻塞现象。

在本实施例中，主机1与采集模块2都使用ARM7系列芯片LPC2368作为核心处理器，它的功耗极低，可在高达72MHz的工作频率下运行，具有多达70个的通用I/O管脚，内部基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II平台，增强了系统的实时性。

Claims (7)

1.一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，包括主机(1)、采集模块(2)和远程监控设备(3)，主机（1）与采集模块（2）和远程监控设备（3）连接，采集模块(2)安装于待呼叫的区域，与呼叫装置连接，远程监控设备(3)安装于驾控台面,其特征在于：主机(1)进行CAN-Modbus/TCP协议转换，采集模块(2)与主机(1)之间采用CAN总线（4）进行数据通讯，传递的数据格式为CAN数据帧(6)；主机(1)与远程监控设备(3)之间采用以太网（5）进行数据通讯，传递的数据格式为Modbus/TCP数据帧（7）。

2.根据权利要求1所述的一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，其特征在于所述的主机(1)通过单条线路与采集模块(2)连接，所述的采集模块（2）可以设置成多个，每个采集模块（2）可以接收多路呼叫信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，其特征在于所述的主机（1）包括第一微处理芯片（11）、第一电源模块（12）、第一数据存储模块（13）、第一时钟芯片（14）、第一复位模块（15）、第一CAN通讯模块（16）、以太网通讯模块（17）、RS485通讯模块（18）和延伸报警输出电路（19），第一微处理芯片（11）与第一电源模块（12）、第一数据存储模块（13）、第一时钟芯片（14）、第一复位模块（15）、第一CAN通讯模块（16）、以太网通讯模块（17）、RS485通讯模块（18）和延伸报警输出电路（19）连接，以太网通讯模块（17）与远程监控设备（3）连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，其特征在于所述的采集模块（2）包括第二微处理芯片（21）、第二电源模块（22）、第二数据存储模块（23）、第二时钟芯片（24）、第二复位模块（25）、第二CAN通讯模块（26）、输入电路（27）、输出电路（28）和断线检测电路（29），第二微处理芯片（21）与第二电源模块（22）、第二数据存储模块（23）、第二时钟芯片（24）、第二复位模块（25）、第二CAN通讯模块（26）、输入电路（27）、输出电路（28）和断线检测电路（29）连接，所述的输入电路（27）接收呼叫信号，所述的输出电路（28）与主机（1）连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，其特征在于所述的远程监控设备(3)采用工业触摸屏。

6.根据权利要求1所述的一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，其特征在于所述的CAN总线(4)以双绞线为传输介质。

7.根据权利要求4所述的一种基于CAN转Modbus/TCP的船舶呼叫系统，其特征在于所述的采集模块（2）中的输入电路（27）、输出电路（28）以及断线检测电路（29）还具有光偶隔离功能。

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