基于WinCE的液位遙測系統軟件設計
引言
液位遙測系統是油輪和化學品船的核心部分，直接關系到船舶在海上航行的安全性和可靠性。目前國內該行業還處于低技術的惡性競爭，要改變這種狀況，只有通過提升技術水平才能實現。本系統就是在此背景下進行研究設計的。
該系統是以arm9為內核，在WinCE操作系統平臺下，以CAN通信為基礎，CANopen協議為規范，綜合應用EVC編程、CAN通信、數據庫、多線程等技術設計的一個智能液位遙測系統。
arm9的工作頻率最高為200 MHz，微處理器內置彩色圖像處理電路，因此可以直接外接TFTLCD/VGA顯示屏。
CAN（Controller Area Network）總線是一種多主從結構，具有報文仲裁，錯誤自檢測、處理機制，較強的通信能力，較強的短路保護能力，通信方式靈活多樣等優點。船舶液位遙測系統是一個局域網控制系統，選用CAN總線更能滿足其傳輸的高可靠性。
1 CANopen協議
CANopen最初由從事工業控制的CiA會員開發，由于CANopen是一種公共、開放、通用的協議，而且精練透明、容易開發，如今已經被接受為CAN高層協議的標準之一。
圖1 CANopen設備模塊
一個CANopen設備模塊可分為3部分,如圖1所示。通信接口和協議軟件用于提供在總線上收發通信對象的服務;不同CANopen設備間的通信都是通過交換通信對象來完成的, 這一部分直接面向CAN控制器進行操作。對象字典描述了設備使用的所有數據類型、通信對象和應用對象;對象字典位于通信程序和應用程序之間,用于向應用程序提供接口。應用程序對對象字典進行操作,即可實現CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通過對對象字典進行操作實現CANopen通信;而功能部分則根據應用要求來實現。
在CANopen網絡系統中每個節點都有唯一的一個對象字典,而且每個節點的對象字典都具有相同的結構；但具體的內容要根據不同的設備而定,包含了描述該設備及其網絡行為的所有參數。CANopen協議還定義了4種報文(通信對象),用于對不同作用的信息進行處理,分別為管理報文（NMT）、服務數據對象（SDO）、過程數據對象（PDO）和預定義報文或特殊功能對象。
2 液位遙測系統總體結構
液位遙測系統主要實現2項功能：
① 對各艙的液位、溫度、壓力等進行實時監測；
② 當監測高于報警值時發出報警信號。
針對這2項功能，采用了CAN總線的網絡拓撲結構，系統總體結構框圖如圖2所示。
圖2 液位遙測系統總體結構
由圖2可知，整個系統以CAN總線進行通信，然而CAN芯片只提供了開放系統互連參考模型(OSI)中的物理層和鏈路層功能，一般用戶必須直接用驅動程序操作鏈路層。不能直接滿足控制網絡的組態和產品互連要求。為了以CAN芯片為基礎構成完整的工業控制現場總線系統，必須制定相應的應用層協議，實現系統的組態、設備互連和兼容功能。下面分別介紹各部分的功能。
2.1 分布式處理單元DPU
DPU是采用模塊化設計、具有通信功能的智能化遠程I/O單元。DPU單元分布在船艙各處，作為傳感器和執行器的接口，直接與傳感器和執行器相連。各個DPU單元可以用兩根普通的雙芯屏蔽電纜（ 或雙絞線等）連接到CAN總線上，將定時采集的各船艙液位高度、溫度等各種實時數據發送到總線上。
目前，基于CANopen的DPU的各種模塊（模擬量輸入/輸出、數字量輸入/輸出等）可以根據具體的監測點連接到網絡中，完成液位、溫度、壓力等的監測。
圖3 上位監測點結構圖
2.2 上位監測點
在本系統中，上位監測點主要實現通信和應用兩個方面功能，具體結構如圖3所示。
arm9的開發平臺已將CAN驅動嵌入，根據CAN2.0協議，可以直接完成物理層和數據鏈路層的通信，因此，在WinCE操作系統下，實現CANopen通信，解析通信對象，調用應用程序，完成整個上位系統的CANopen通信。
3 CANopen通信的實現
3.1 CAN通信
CAN通信通過調用底層封裝的接口函數實現，主要包含：
開端口CAN_StartChip；
關端口CAN_StartChip；
接收CAN數據CAN_GetNextReceivedFrame；
發送CAN數據CAN_SendFrame。
具體通信流程如圖4所示。
圖4 CAN通信流程
3.2 CANopen通信
CANopen協議是CAN通信應用層的協議。通信標準定義了不同的通信對象，這些通信對象通過標識符（COB_ID）來進行區分。
網絡管理報文（NMT）：提供網絡管理服務，例如初始化、錯誤控制和設備狀態控制。NMT對象映射到一個單一的帶2字節數據長度的CAN幀，它的標識符為0。在本系統中主要用于系統啟動的初始化。
過程數據對象（PDO）：過程數據對象用來傳遞實時數據，數據傳輸被限制在1～8字節，每個PDO有一個唯一的標識符。標識符具有優先級，遙測系統主要是對實時的液位等信息進行顯示，大量的PDO數據進行實時傳送。
服務數據對象（SDO）：SDO的傳送是有證實的服務，可靠性比較高，主要用于對系統中各節點的配置或信息的設置。
以上4種對象都有不同的優先級。對于接收到的報文根據其COB_ID進行解析,分送各不同的應用變量，即可實現CANopen通信。
4 應用模塊實現
4.1 系統配置
本系統中采用了配置文件的形式增強配置的靈活性，配置文件是根據下位DPU中各模塊、通道的現場分布匯總成的txt文件。首先，利用移動磁盤或者Remote File Viewer在PC機上載入配置文件。其次是讀取工作，通過函數GetProfileString，根據不同的字段獲取需要的內容。最后，對所獲得內容賦給相應的變量，并進行顯示更新。
具體配置形式如圖5所示。由圖可知，可以對系統中模塊的使用、艙名、信號類型、單位、范圍、報警上下限、報警延時等進行設置。因此，在集控室就可完成基本的配制，大大減輕了工作人員的負擔。
圖5 系統配置
4.2 實時顯示
為了實現實時、準確、生動地顯示系統運行狀況，在該模塊中利用了文本加圖形的方式。因為數據量較大，界面類型較多，切換頻繁，故主要采用了動態創建控件的解決方法。
液位遙測系統主要完成各艙液位的實時顯示。此外，還包括貨艙的溫度、壓力，以及管路管道的壓力等重要信息。
4.3 數據存儲
在本系統中，數據存儲主要完成的是對報警數據的存儲和對艙容信息的監測，利用的是WinCE自帶數據庫系統。
系統存儲的主要是報警數據，因此數據量比較小，采用自帶數據庫可以很方便地實現所需功能。此外，EVC4.0沒有提供訪問外部數據庫ADOCE的接口。
4.4 實時打印
在本系統中實現了實時打印，即只要出現報警信息，立即將該信息進行打印輸出；當故障排除后，重新進行打印，以便對數據進行保存分析。
5 結論
本文所研究的是基于CANopen協議，在arm9的WinCE嵌入式開發平臺上的船舶液位遙測系統軟件。CANopen作為CAN總線的應用層協議，在船舶遙測系統中有著廣闊的應用前景。
系統中CAN總線的應用大大提高了系統總體傳輸速率，雙CAN機制更加增強了整個系統的容錯能力，保證了船舶運行的安全性。整個軟件系統實現了CANopen通信，完成了數據顯示、存儲、打印、報警，并使配置更智能，實驗證明了其運行的可靠性。
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