基于WinCE的液位遥测系统软件设计

引言

　　液位遥测系统是油轮和化学品船的核心部分[1]，直接关系到船舶在海上航行的安全性和可靠性。目前国内该行业还处于低技术的恶性竞争，要改变这种状况，只有通过提升技术水平才能实现。本系统就是在此背景下进行研究设计的。

　　该系统是以ARM9为内核，在WinCE操作系统平台下，以CAN通信为基础，CANopen协议为规范，综合应用EVC编程、CAN通信、数据库、多线程等技术设计的一个智能液位遥测系统。

　　ARM9的工作频率最高为200 MHz，微处理器内置彩色图像处理电路，因此可以直接外接TFTLCD/VGA显示屏。

　　CAN（Controller Area Network）总线是一种多主从结构，具有报文仲裁，错误自检测、处理机制，较强的通信能力，较强的短路保护能力，通信方式灵活多样等优点。船舶液位遥测系统是一个局域网控制系统，选用CAN总线更能满足其传输的高可靠性[2]。

1 CANopen协议

　　CANopen最初由从事工业控制的CiA会员开发，由于CANopen是一种公共、开放、通用的协议，而且精练透明、容易开发，如今已经被接受为CAN高层协议的标准之一。[3]

图1 CANopen设备模块

　　一个CANopen设备模块可分为3部分,如图1所示。通信接口和协议软件用于提供在总线上收发通信对象的服务;不同CANopen设备间的通信都是通过交换通信对象来完成的, 这一部分直接面向CAN控制器进行操作。对象字典描述了设备使用的所有数据类型、通信对象和应用对象;对象字典位于通信程序和应用程序之间,用于向应用程序提供接口。应用程序对对象字典进行操作,即可实现CANopen通信。它包括功能部分和通信部分,通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen通信;而功能部分则根据应用要求来实现。

　　在CANopen网络系统中每个节点都有唯一的一个对象字典,而且每个节点的对象字典都具有相同的结构；但具体的内容要根据不同的设备而定,包含了描述该设备及其网络行为的所有参数。CANopen协议还定义了4种报文(通信对象),用于对不同作用的信息进行处理,分别为管理报文（NMT）、服务数据对象（SDO）、过程数据对象（PDO）和预定义报文或特殊功能对象。

2 液位遥测系统总体结构

　　液位遥测系统主要实现2项功能：

① 对各舱的液位、温度、压力等进行实时监测；
② 当监测高于报警值时发出报警信号。

　　针对这2项功能，采用了CAN总线的网络拓扑结构，系统总体结构框图如图2所示。

图2 液位遥测系统总体结构

　　由图2可知，整个系统以CAN总线进行通信，然而CAN芯片只提供了开放系统互连参考模型(OSI)中的物理层和链路层功能，一般用户必须直接用驱动程序操作链路层。不能直接满足控制网络的组态和产品互连要求。为了以CAN芯片为基础构成完整的工业控制现场总线系统，必须制定相应的应用层协议，实现系统的组态、设备互连和兼容功能。下面分别介绍各部分的功能。

2.1 分布式处理单元DPU

　　DPU是采用模块化设计、具有通信功能的智能化远程I/O单元。DPU单元分布在船舱各处，作为传感器和执行器的接口，直接与传感器和执行器相连。各个DPU单元可以用两根普通的双芯屏蔽电缆（或双绞线等）连接到CAN总线上，将定时采集的各船舱液位高度、温度等各种实时数据发送到总线上。

　　目前，基于CANopen的DPU的各种模块（模拟量输入/输出、数字量输入/输出等）可以根据具体的监测点连接到网络中，完成液位、温度、压力等的监测。

图3 上位监测点结构图

2.2 上位监测点

　　在本系统中，上位监测点主要实现通信和应用两个方面功能，具体结构如图3所示。

　　ARM9的开发平台已将CAN驱动嵌入，根据CAN2.0协议，可以直接完成物理层和数据链路层的通信，因此，在WinCE操作系统下，实现CANopen通信，解析通信对象，调用应用程序，完成整个上位系统的CANopen通信。

3 CANopen通信的实现

3.1 CAN通信

　　CAN通信通过调用底层封装的接口函数实现，主要包含：

　　开端口CAN_StartChip；
　　关端口CAN_StartChip；
　　接收CAN数据CAN_GetNextReceivedFrame；；
　　发送CAN数据CAN_SendFrame。

　　具体通信流程如图4所示。

图4 CAN通信流程

3.2 CANopen通信

　　CANopen协议是CAN通信应用层的协议。通信标准定义了不同的通信对象，这些通信对象通过标识符（COB_ID）来进行区分。

　　网络管理报文（NMT）：提供网络管理服务，例如初始化、错误控制和设备状态控制。NMT对象映射到一个单一的带2字节数据长度的CAN帧，它的标识符为0。在本系统中主要用于系统启动的初始化。

　　过程数据对象（PDO）：过程数据对象用来传递实时数据，数据传输被限制在1～8字节，每个PDO有一个唯一的标识符。标识符具有优先级，遥测系统主要是对实时的液位等信息进行显示，大量的PDO数据进行实时传送。

　　服务数据对象（SDO）：SDO的传送是有证实的服务，可靠性比较高，主要用于对系统中各节点的配置或信息的设置。

　　以上4种对象都有不同的优先级。对于接收到的报文根据其COB_ID进行解析,分送各不同的应用变量，即可实现CANopen通信。

4 应用模块实现

4.1 系统配置

　　本系统中采用了配置文件的形式增强配置的灵活性，配置文件是根据下位DPU中各模块、通道的现场分布汇总成的txt文件。首先，利用移动磁盘或者Remote File Viewer在PC机上载入配置文件。其次是读取工作，通过函数GetProfileString，根据不同的字段获取需要的内容。最后，对所获得内容赋给相应的变量，并进行显示更新。

　　具体配置形式如图5所示。由图可知，可以对系统中模块的使用、舱名、信号类型、单位、范围、报警上下限、报警延时等进行设置。因此，在集控室就可完成基本的配制，大大减轻了工作人员的负担。

图5 系统配置

4.2 实时显示

　　为了实现实时、准确、生动地显示系统运行状况，在该模块中利用了文本加图形的方式。因为数据量较大，界面类型较多，切换频繁，故主要采用了动态创建控件的解决方法。

　　液位遥测系统主要完成各舱液位的实时显示。此外，还包括货舱的温度、压力，以及管路管道的压力等重要信息。

4.3 数据存储

　　在本系统中，数据存储主要完成的是对报警数据的存储和对舱容信息的监测，利用的是WinCE自带数据库系统。

　　系统存储的主要是报警数据，因此数据量比较小，采用自带数据库可以很方便地实现所需功能。此外，EVC4.0没有提供访问外部数据库ADOCE的接口。

4.4 实时打印

　　在本系统中实现了实时打印，即只要出现报警信息，立即将该信息进行打印输出；当故障排除后，重新进行打印，以便对数据进行保存分析。

5 结论

　　本文所研究的是基于CANopen协议，在ARM9的WinCE嵌入式开发平台上的船舶液位遥测系统软件。CANopen作为CAN总线的应用层协议，在船舶遥测系统中有着广阔的应用前景。

　　系统中CAN总线的应用大大提高了系统总体传输速率，双CAN机制更加增强了整个系统的容错能力，保证了船舶运行的安全性。整个软件系统实现了CANopen通信，完成了数据显示、存储、打印、报警，并使配置更智能，实验证明了其运行的可靠性。