摘 要

近年来，随着计算机网络和控制技术的发展，现场总线技术应用变得越来越广泛，计算机监控系统越来越多地应用于船舶机舱监控系统中。本文在研究国内外船舱监控系统最新发展趋势的基础上，对基于CAN总线的船舶机舱电站数据采集和基于LabVIEW的监控系统开发进行了设计。毕业论文主要工作有：

1、首先分析了船舶电站监控系统的发展趋势和现状。介绍了现场总线技术在船舶监控中的应用。在分析了几种典型的现场总线技术后，总结了CAN总线的技术规范和优势，确定了选用的CAN总线通信协议。

2、根据船舶电站监控系统的实际需求，选取确定了一种基于CAN总线的数据采集及通讯系统设计方案，并对其特点进行了说明。

3、采用LabVIEW图形化编程语言进行数据处理，分析，显示和存储，设计了基于LabVIEW编程软件的数据采集系统设计程序，和船舶电站监控软件。

基于CAN的船舶机舱电站监控系统功能强大，性能可靠，自动化水平的提高可以降低系统设计难度和成本，有效降低船员的劳动强度，具有很好的应用前景和市场前景。

关键词：CAN总线；船舶电站；监控软件；LabVIEW

Abstract

In recent years, with the development of computer networks and control technologies, field bus technology has become more and more widely used. Computer monitoring systems are increasingly used in ship cabin monitoring systems. In this paper, based on the research of the latest development trend of cabin monitoring systems at home and abroad, the monitoring system of ship engine room power station based on CAN bus is designed.

1.the development trend and status quo of ship power station monitoring system are analyzed. The application of fieldbus technology in ships is introduced. After introducing several typical field bus technologies, the technical specifications and advantages of CAN bus are summarized, and the CAN bus communication protocol is analyzed.

2. According to the actual needs of the ship power station monitoring system, a design scheme of a monitoring system based on CAN bus is proposed and its characteristics are described.

3, using LabVIEW graphical programming language for data processing, analysis, display and storage, data acquisition system design program based on LabVIEW programming software, and ship power station monitoring software.

The CAN-based ship engine room power station monitoring system has powerful functions and reliable performance. The improvement of the automation level can reduce the system design difficulty and cost, effectively reduce the crew's labor intensity, and has a good application prospect and market prospects.

Keywords: CAN-bus; ship power station; Monitoring software; LabVIEW

目 录

摘要 III

Abstract IV

第1章 绪论1

1.1 课题的由来及意义2

1.2 国内外研究现状及发展趋势2

1.3 数据采集的基本概念3

1.4 课题的主要工作4

第2章 基于CAN总线的系统总体结构设计4

2.1 CAN总线的协议类型5

2.2 CAN总线技术规范及优势6

2.3 船舶电站数据采集单元的技术要求9

2.4 数据采集和控制模块硬件设计10

2.5 数据采集和控制模块硬件设计11

2.6 本章小结15

第3章 基于LabVIEW的船舶电站数据采集单元软件设计与实现17

3.1 LabVIEW的组成以及特点16

3.2 系统构成17

3.3 前面板设计19

3.4 程序框图功能实现20

3.5 本章小结22

第4章 船舶电站数据采集与监测系统运行与分析23

4.1 数据采集模块的功能设置23

4.2 串口数据采集的实现23

4.3 数据显示模块的实现23

4.4实验数据24

4.5 本章小结24

第5章 总结与展望25

参考文献26

致谢27

第一章 绪 论

1.1 课题的由来及意义

随着船舶现代化和自动化水平的不断提高，智能船舶管理系统和船舶参数集中监控系统在船舶整个系统中占有重要地位，它对船舶安全性运行有重要影响。自20世纪80年代以来，数字和电子技术不断发展。基于计算机的船舶电力控制系统已初具规模，使船舶电站控制系统更加稳定，易于使用。船舶电站数据采集和检测系统是船舶电站自动化的重要组成部分。未来，造船业和船舶设备制造业会向信息化、自动化和智能化方向发展。

每个复杂的控制系统都是由各种传感器，变送器，控制器等组成。每个传感器检测到的信号被快速准确地传送到控制器进行数据显示，处理和记录。数据采集​​技术是当今控制领域的一个重要研究方向。数据采集​​技术对设备寿命，可靠性，传输距离，功耗和尺寸提出了更高的要求。随着科学技术的发展，现场总线技术（FCS）的出现提供了数据采集技术。控制器局域网（CAN）总线作为现场总线的新方法是串行网络通信，可有效支持实时控制或分布式控制，并已被广泛用于船舶和工业中，被看作是最有前途的现场总线之一。

船舶电站是整个船舶电力系统的核心，它需要高度的自动化。特别是现代无人船舶对船舶电站的自动化程度提出了更高的要求。船舶电站自动化是船舶先进性的重要标志之一，也是现代造船技术的重要标志，是机舱自动化的重要组成部分。船用电站自动化设备可以在保证供电质量的基础上使船舶供电能够可靠、连续的进行。可靠的船舶电站监控系统可以大大降低船员的劳动强度，提高工作效率，使电源更加稳定可靠。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

目前，基于PLC控制和计算机控制的电力系统，SCADA系统和主机遥控系统不断更新。船舶动力系统必须具有较强的适用性和稳定性，能在各种恶劣和不稳定的运行条件下都稳定可靠运行。在自动化船舶的集中控制室内，通过船舶监测系统可以在控制屏上显示设备的各种运行参数和运行状态，帮助轮机人员正确判断机舱设备及系统的运行状况，并进行有效的管理和控制。

根据船舶自动化及户的发展和特点，机舱监控报警系统大致可以分为五个发展阶段：气动仪表控制系统，模拟仪表控制系统，集中式数字监控系统，分布式监控系统和全分布式监控系统。

1.气动仪表控制系统

20世纪60年代以前，在船舱自动化的早期阶段，受当时技术水平的限制，船舶的参数只能通过气动信号简单实现，并没有集中控制的概念。由于控制对象没有相互连接，设备之间没有太多连接，机舱监控系统还没有达到统一控制的水平。

2.模拟量表控制系统

模拟量表控制系统基于0至10 mA或4至20 mA电流模拟信号。与以前的气动仪表控制系统相比，该系统已经在很长一段时间内牢牢控制了整个过程控制领域。但其缺点是模拟信号精度低，容易受到干扰。

3.集中式数字监控系统

在二十世纪七十年代，计算机开始用于工业控制，并首次用于测量，模拟和逻辑控制领域，形成第三代过程控制系统和集中式数字监控系统。在上个世纪七八十年代，这个体系占主导地位。克服了模拟仪器控制系统中模拟信号的低精度，从而提高了系统的抗干扰能力。它的优点是根据船舶运行情况很容易判断和控制计算。

4.分布式监控系统

分布式监控系统又称分布式多级计算机控制系统，是由数字控制器，PLC和多台计算机组成的集中式分布式控制系统。该系统的核心思想是统一管理和分散控制。几个较低级别的计算机被分配到该站点以实施分布式控制，并且上部和下部计算机通过控制网络互连。为了实现分布式控制，每个下位机与控制网络相互连接，实现互信息传输。因此，这种分布式控制系统体系结构有效地克服了在集中式数字监控系统中需要高处理能力和可靠性的分布式控制系统的需求，但是该系统价格比较昂贵。因此，开放网络控制系统和降低成本已成为用户的迫切需求。

5.现场总线分布式监控系统

现场总线分布式监控系统又称全分布式监控系统。上世纪90年代，随着现场总线技术的日益成熟，现场总线分布式监控系统（现场控制系统）已被广泛应用于机舱监控和报警领域。它将DCS传感器，控制器，执行器和I / O转换器集成到智能分布式处理单元中。然后连接这些智能设备的现场总线，系统可以通过现场总线进行信号传输，实现对整个船舶机舱设备的监控。

1.3 数据采集的基本概念

数据采集​​系统将现场传感器采集的各种过程变量传送到计算机或专用信息处理系统。多数情况下，数据需要通过变换器、滤波器进行变换、滤波处理后进行数据的显示、处理及记录。通过对数据的显示、分析、曲线等，能过实现对整个系统的检测管理。数据采集​​系统主要由四部分组成：模拟信号处理，数字信号处理，数据接口，AD转换。基本原理是将过程变量转换成电信号，在调节和放大后将其转换为标准电信号，例如4-20mA，0-5V电压等，然后通过AD转换器转换成数字量供计算机处理。由于存在噪声，测量结果的数据中会包含噪声。因此，有必要使用数字信号处理技术来处理原始数据。数据采集​​和处理系统作为数据采集系统的重要组成部分。最后，系统将得到一个实时，准确的，且可直接反映被测物理数据。

随着技术的发展，及不同应用对系统的影响，对数据采集​​系统的要求较高，基于CAN（Controller Area Network，控制器局域网）的数据采集模块旨在满足低功耗，长寿命，可靠稳定的要求，CAN总线是一个支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线结构简单，节点数不限，可靠性高，成本低，传输距离远，传输速度快等优点。已在船舶、汽车乃至各个工业领域的得到了广泛的应用

1.4 课题的主要工作

通过查阅船舶机舱监控报警系统的相关资料，了解船舶机舱内需要采集的数据量的种类有设备的启动及关闭状态、温度、压力等，了解数据采集模块的功能，了解CAN总线通讯技术。设计一套输入采集模块、开关量输出模块以及热电偶输入采集模块的硬件电路。给出一种基于LabVIEW的虚拟仪器的船舶电站监控设计与实现方法。

本文的结构安排：

第一章首先说明了课题的由来和意义，通过查阅相关资料，总结当前有关该课题的国内外现状以及发展趋势，简单介绍数据采集的基本概念，拟定该课题的主要工作。

第二章介绍CAN总线的协议类型以及CAN不同层次的功能作用，对比分析了CAN总线与其他现场总线的区别及优势所在，详细介绍了数据采集和控制模块硬件设计。

第三章介绍了LabVIEW的特点，介绍本文所设计的基于LabVIEW监控系统的面板设计及程序框图设计。

第四章主要列出用本文所设计的系统采集到的数据。

第五章总结全文所做工作。

第二章 船舶电站数据采集单元的总体设计

2.1 CAN总线的协议类型

现场总线通常位于网段中，因此不需要第3层（网络层），第5层（会话层）和第6层（描述层）。现场总线网络通常仅实现七层网络模型中的层1（物理层）和层2数据链路层，第4层（传输层）和第7层（应用层）。

在实际的设计过程中，第一层和第二层都是由硬件实现的。同时，只定义物理层和数据链路层。而且，在基于总线的工业自动化应用中，对标准化的高级协议的需求日益增长。该协议应支持各厂商设备的互操作性和互换性，并在网络中提供标准统一的系统通信模式。提供设备功能描述方法并执行网络管理功能。高层协议应包含以下功能：

应用层（Application layer）：可以为网络中的每个有效设备提供一组有用的服务和协议。

通讯描述（Communication profile)：提供配置设备和通信数据的含义并定义数据通信方法。

设备描述（Device profile）：为设备（类）增加符合规范的行为。

数据链路层的功能是将物理层接收到的信号组织成有意义的消息，并提供传输控制过程，如传输错误控制。具体而言，它是组帧，仲裁，回复，错误检测或报告消息。

数据链路层的功能通常在控制器的硬件中实现，并分为媒体访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。子层是协议的核心部分，它接收收到的报告。该文本被提供给LLC子层并从LLC子层接收消息。MAC子层负责帧划分，仲裁，确认，错误检测和校准。它也被称为故障定义管理实体监督。故障定义为区分永久故障和短期故障的自检机制。子层涉及消息过滤，过载通知和恢复管理。物理层定义了实际的信号传输方法，位定时，位编码和同步步骤。但是，没有定义特定的信号电平，通信速度，采样点，驱动器和总线的电气特性以及连接器的形式。

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