0 引　言

船舶控制网络以现场总线、有限网络、无线链路为枢纽，将船舶控制系统的所有船载设备串联成一个整体，并提供硬件设备通信所需的物理接口，对外与基站或卫星等网络直接连接，确保船舶控制系统的对外通信。因此，船舶控制网络故障检测系统对于整船的运行质量、设备安全性、航行效率等有非常重要的意义。

本文研究船舶控制网络故障检测系统的总线应用，设计和开发故障检测系统的总线融合模块，并分别介绍了CAN总线和Profibus总线技术的原理与应用现状，有助于改善当前船舶控制网络的数据传输质量。

1 船舶控制网络故障检测系统的概要设计

随着船舶自动化程度的增加，船舶控制网络中需要监控的设备数量越来越多，船舶网络故障检测系统的性能需求也不断提高。

船舶控制网络故障检测系统的基本框架如图1所示。

1）数据采集模块设计

控制网络故障检测系统的数据采集模块负责对网络中的通道列表、信号通断状态、网络速度和时延等指标进行采集，并将采集的信号发送至数据过滤和融合模块，以便信号的后续处理。

2）数据过滤和融合模块

数据采集模块采集的控制网络信号涵盖的数据量非常大，种类也非常多，为了提高控制网络故障检测系统的信号处理效率，必须通过数据过滤和融合模块将采集的信号进行处理，过滤掉无效、错误以及对控制网络运行影响较小的原始数据。由于数据采集模块的信道接口和数据类型存在差异，因此必须通过数据融合来提升信号的精确度^[1]。

3）数据解析和故障检测模块

数据解析和故障检测模块是整个控制网络故障检测系统的核心，故障检测系统作为船舶的一个辅助检测工具，检测对象面向船舶以太网络及设备、总线网络及相关设备，通过对大量网络运行信号的解析，获取当前船舶控制网络的工作状况，保障船舶控制网络的正常运行。

4）模拟模块

故障检测系统的模拟模块是系统的执行单元，当控制网络中的信号经过数据解析和检测后，发现控制网络的运行存在异常状态，则通过模拟模块触发报警机制。此外，模拟模块还具有控制网络工作状态显示、报警信息自动记录等功能。

2 基于多总线融合技术的船舶控制网络故障检测系统 2.1 总线融合模块设计

随着船舶自动化，信息化的不断提高，船载机电设备的复杂程度和可靠性要求变得更高了，因此对于船载机电设备的信号监测要求也更高，多总线技术能够克服单一总线技术信号采集不完全的缺点，并结合总线信号融合技术，成为一种行之有效的控制网络故障监测方案。

图2为本文设计的多总线数据融合模块整体方案图。

多总线数据融合模块的设计功能包括：

1）针对网络故障监测系统的CAN总线和Profibus总线，实现总线信道和网络仪器的透明化，不同总线仪器控制指令、数据收发等工作场景能够共用同一函数，总线信息可以实现直接转换。

2）实现具有功能相近的接口总线仪器的互换性，实现了资源共享。

2.2 CAN 现场总线

CAN现场总线是应用于其优良的性能，已被广泛应用并成为国际标准(ISO 11898)，CAN现场总线的技术特点包括：

1) CAN现场总线采用通信数据库编码的工作方式，在CAN网络上任意节点都可以在任意时刻作为信息源节点，向周围的其他节点发送信息，而不区分主节点和从节点的类型。

2) 按照优先级将CAN节点进行划分，并基于优先级的先后顺序，确定总线的仲裁方式。当同一时刻网络中的多个节点向总线发送报文时，通过优先级别的排序解决这一报文冲突，优先级别较高的节点先发送报文，而优先级别较低的节点自动退出，提高了CAN总线的通信效率。

3) CAN网络节点能够快速识别网络通信的数据报文标识符，通过识别数据标志符，可以快速进行信息的滤波、传送和接收。

4 ) CAN网络通信的数据传输速度快，最高可达1 Mbps。

5) CAN网络通信基于国际标准，采用统一的数据通信协议和规范，不同场景下具有良好的设备、仪器的互换性。

6) CAN网络的通信介质可采用双绞线，一方面成本较低，易于维护，另一方面可以适应船舶机舱等复杂场景下的路线需求。

7) CAN总线具有2种逻辑状态，分别是显性状态和隐性状态，显性状态用“1”表示，隐性状态用“0”表示。当差分电压大于阈值时，总线成显性状态，即“Vcan”，当差分电压小于阈值时^[2]，总线成隐性状态，即“Vtiff”，

CAN总线的逻辑电位示意图如图3所示。

2.3 Profibus总线架构的研究

Profibus总线是同样在工业领域有非常广泛的应用。Profibus总线根据使用场景的不同可以分为3种：

1）Profibus-DP(外围设备)总线^[3]

主要应用场景为工业设备控制系统和分散式I/O的通信系统，本文在船舶控制网络中使用的是这类总线。

2）Profibus-PA(过程自动化)总线

该总线是一种用于过程自动化的总线类型，基于IEC61158-2标准。

3）Profibus-FMS(报文规范)总线

Profibus-DP(外围设备)总线的架构原理如图4所示。

Profibus-DP总线包括用户层、数据链路层和物理层，用户层包括DP设备规范、DP基本功能扩展和用户接口；数据链路层包括FMA、数据链路FDL，物理层中含有RS-485标准，该标准确定了物理连接、传输介质特性等内容，链路的传输速率可达12 Mbps。

2.4 Profibus-DP总线报文研究

Profibus-DP总线的报文通常由标识符、目的地址、校验码、源地址和数据单元等构成，报文数据帧的格式如图5所示。

1）标识符

数据报文中标识符占18个字节，主要作用是对节点接收的信号进行识别，获取信号源节点的优先级别等信息。

2）源地址和目的地址

源地址和目的地址分别占6个字节，表明数据帧的来源和目标。

3）数据单元

数据单元所占的字节为46~1500个字节，负责存储总线网络中的数据，数据单元满足通信协议，是关键的报文信息。

3 基于多总线融合技术的船舶控制网络故障检测系统 3.1 网络故障检测系统的总线融合方法

将CAN总线和Profibus总线在数据传输方面的优势进行结合，建立控制网络故障检测系统的总线融合方案。

总线融合方案基于OPC技术^[4]，将光纤通道网络作为传输介质，多总线融合方案的示意图如图6所示。

图中，FC是系统的Linux命令^[5]，负责处理不同总线和接口的命令历史列表。

基于光纤通道的多总线融合过程为：

步骤1　将监测系统的CAN/Profibus总线协议映射到光纤通道的数据单元中，继续将数据域进行划分，分别对应CAN/Profibus总线协议划分出子数据域，定义子数据域的标识符。

步骤2　定义子数据帧的长度小于2112个字节，映射协议区分依据数据的帧头字符，数据帧的结束依据帧尾来确认。

步骤3　基于光纤通道网络完成数据帧的发送和接收，实现不同总线的数据帧融合。

基于光纤通道的多总线融合流程如图7所示。

3.2 控制网络故障检测系统的总线融合仿真测试

船舶控制网络的监测指标包括信号传输时延和阻塞比2种，通过分析2种指标可以确定控制网络的总线工作状态、网络负荷等信息^[6]。

船舶控制网络的延时可表示为：

$ {\bar T_{total}} = {T_s} + {\bar T_t} + {\bar T_n} \text{。} $

式中： $ {\bar T_{total}} $ 为平均网络延时； $ {T_s} $ 为总线数据发送耗时； $ {\bar T_t} $ 为光纤通道信号延时； $ {\bar T_n} $ 为总线数据接收耗时。

控制网络的信号阻塞比计算方法为：

$ \lambda = \frac{{{T_m}}}{{{T_f}}} \text{，} $

可知， $ \bar T = \left( {1 + \lambda } \right){T_f} $ 。

分别采集单一现场总线方案和总线融合方案的网络阻塞比，得到图8所示的对比曲线。

4 结　语

船舶控制网络的功能是进行船载设备和关键系统的控制，对于确保船舶整体的运行质量意义重大。为了提升船舶控制网络的通信可靠性，本文分别介绍了CAN总线、Profibus总线的特性，提出一种基于多总线数据融合的故障检测系统，并对多总线融合原理和流程进行研究。