CN104536443A - 一种基于双冗余can网的电磁控制陀螺罗经 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种基于双冗余内部CAN网的电磁控制陀螺罗经，该电磁控制陀螺罗经的内部功能单元包括有控制单元、随动单元、操作单元、报警显示单元、CAN转换单元、温控单元、航向显示单元和接口单元，控制单元、随动单元、操作单元、报警显示单元、CAN转换单元、温控单元、航向显示单元和接口单元分别挂接在双冗余的内部CAN网上，内部功能单元的数据交换在内部CAN网上进行；包括GPS、计程仪和磁罗经在内的外部设备经过接口单元采集数据信号并处理转发至内部CAN网上；CAN转换单元连接船舶设备网络和内部CAN网，以完成电磁控制陀螺罗经与船舶设备网络的数据交换。本发明不仅能实现罗经稳定指北的功能，而且能完成内外部网络的安全而有效的数据交换。

Description

一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经

技术领域

本发明涉及航海设备，特别涉及到用于航海导航的电磁控制陀螺罗经。

背景技术

电磁控制陀螺罗经用于提供船舶航向。它是利用陀螺仪的定轴性和进动性，接收外部GPS、计程仪、磁罗经信号，通过实时获取电磁摆仰角信号和船舶速度、纬度、磁航向信息，运行陀螺施控算法，计算并向陀螺仪施加控制和补偿电流，最终实现稳定指北功能。电磁控制陀螺罗经内部涉及到多个功能单元之间的数据交换，对外还涉及到引入多种船舶传感器数据，以及向其他船舶设备输出航向数据，此外还有可能与船舶设备网络相连。

目前电磁控制陀螺罗经在信号交换和外部联网的实现方式上有以下几种：1）模拟电压端口，这种方式通过信号电压幅值与相位的变化传递数据。这种方式实时性高，但实现线路复杂，远距离传递数据时由于信号衰减而影响精度。2 ）IO 端口，电磁控制陀螺罗经内部功能单元之间可使用IO 端***换数据。这种方式实现线路简单，但信号驱动能力差、易受干扰，无法远距离传递数据。3）RS422/RS232/RS485总线，RS422/RS485采用单主从模式传递数据，从设备之间无法通信；RS232为点对点通信，且由于存在共地噪音和不能抑制共模干扰的原因，无法实现远距离传递数据。现有技术中的上述各数据交换和通信方式缺点：1、设备内部各功能单元之间的信息共享性差。2、设备外部联网的功能差，不能方便地与船舶设备网络相连，进行数据交换。3、设备不能实现复杂的软件通信协议。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中电磁控制陀螺罗经存在的内部单元信息共享性差、外部联网功能差、不能实现复杂软件通讯等问题，提供一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经。本发明的新型电磁控制陀螺罗经作为一套高效和可靠的数据通信网络及解决方案，不仅能实现罗经稳定指北的功能，而且能完成电磁控制陀螺罗经内部网络和外部网络的安全而有效的数据交换。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

一种基于双冗余内部CAN网的电磁控制陀螺罗经，该电磁控制陀螺罗经的内部功能单元包括有控制单元、随动单元、操作单元、报警显示单元、CAN转换单元、温控单元、航向显示单元和接口单元，其特征在于，所述的控制单元、随动单元、操作单元、报警显示单元、CAN转换单元、温控单元、航向显示单元和接口单元分别挂接在双冗余的内部CAN网上，所述内部功能单元的数据交换在内部CAN网上进行；包括GPS、计程仪和磁罗经在内的外部设备经过所述的接口单元采集数据信号并处理转发至所述的内部CAN网上；所述的CAN转换单元连接船舶设备网络和内部CAN网，以完成电磁控制陀螺罗经与船舶设备网络的数据交换。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，所述的控制单元连接内部CAN网，用于通过内部CAN网接收船舶速度、纬度、磁航向、陀螺仪温度、施控参数、施控指令和报警信号，运行陀螺施控算法，计算并向陀螺仪施加控制和补偿电流，同时通过内部CAN网发送罗航向信息和随动单元工作指令。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，所述的航向显示单元连接到内部CAN网，用于通过内部CAN网接收来自控制单元的罗航向信息，采用刻度盘或数码方式加以复示。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，所述的温控单元连接到内部CAN网，用于通过内部CAN网将陀螺仪温度数据、超温报警信号发送给所述的控制单元；随动单元连接到内部CAN网，用于通过内部CAN网接收所述控制单元发出的指令，控制所述的随动单元投入工作或停止工作，同时通过内部CAN网发送随动报警信号；所述的报警显示单元连接到内部CAN网，用于通过内部CAN网接收报警信号，并作出相应的报警指示。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，所述CAN转换单元在电气上隔离内部CAN网与船舶设备网络并通过单片机交换网络数据，以完成内部CAN网与船舶设备网络之间的协议转换和信息交互。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，作为更进一步的设计，内部CAN网与船舶设备网络之间的协议转换和信息交互是指通过CAN转换单元将内部CAN网上来自控制单元的罗航向信息转发至船舶设备网络，将船舶设备网络上的速度、纬度、磁航向信息转发至内部CAN网络。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，所述电磁控制陀螺罗经自定义有内部CAN网通信协议，该通信协议规定内部CAN网上每个功能单元的通信内容和机制，协议定义包括有通信标识符和数据区定义，所述的通信标识符包括有单元编号和信息编号。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，作为更进一步设计，在所述的通信内容和机制中，CAN总线交换的数据信息包括29bit的通信标识符（含单元编号和信息编号）和8bytes的数据部分，其中29bit的标识符为ID28～ID0。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，作为更进一步设计，所述的单元编号占用ID的8位，至多表示256个功能单元；所述的信息编号占用ID的8位，至多表示256种信息类型。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，作为更进一步设计，在所述数据区定义中，内部CAN网的一帧数据包含8个字节，除去一个校验字节，实际有效字节是7 个，无定义字节保留，填0；所述内部CAN网一帧数据采用二进制数据字节或ASCII码数据字节，二进制数据字节顺序为低字节优先，ASCII码数据字节顺序为高字节优先。

基于上述技术方案，本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经与现有技术相比具有如下技术优点：

1．通过本发明提供的高效可靠数据通信网络及解决方案解决了电磁控制陀螺罗经内部单元信息共享性差、外部联网功能差、不能实现复杂软件通讯等问题。

2．本发明的电磁控制陀螺罗经由于采用了双冗余的内部局域控制网，提高了设备可靠性和数据传送效率，CAN总线通信与控制的电磁控制陀螺罗经，通过可靠和高效的组网方式，不仅实现了罗经的稳定指北功能，而且完成了电磁控制陀螺罗经内部网络和外部网络的安全而有效的数据交换。

附图说明

 图1是本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经的单元连接结构示意图。

图2是本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中的功能单元通过内部CAN网进行通信的过程状态示意图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构组成和连接方式，以及其工作流程和实现功能，但不能以此来限制本发明专利的保护范围。

本发明专利是一种基于CAN(Controller Area Network，局域控制网)总线通信与控制的电磁控制陀螺罗经，通过可靠和高效的组网方式，以实现罗经的稳定指北功能，而且能完成电磁控制陀螺罗经内部网络和外部网络的安全而有效的数据交换。

先请看图1，图1 是根据本发明的实施例的电磁控制陀螺罗经的示意图。如图1 所示，本发明是一种基于双冗余内部CAN网的电磁控制陀螺罗经，该电磁控制陀螺罗经的内部功能单元包括有控制单元1、随动单元2、操作单元5、报警显示单元7、CAN转换单元8、温控单元4、航向显示单元3和接口单元6。在各个功能单元上设有网络接口，该网络接口可以实现数据联网，以完成功能模块中信号数据的网络传输。

上述的控制单元1、随动单元2、操作单元5、报警显示单元7、CAN转换单元8、温控单元4、航向显示单元3和接口单元6分别挂接在双冗余的内部CAN网9上，上述的各个内部功能单元的数据交换在内部CAN网9上进行；包括GPS、计程仪和磁罗经在内的外部设备经过所述的接口单元6采集数据信号并处理转发至所述的内部CAN网9上；所述的CAN转换单元8连接船舶设备网络10和内部CAN网9，以完成电磁控制陀螺罗经与船舶设备网络的数据交换。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，所述的控制单元1连接内部CAN网9，用于通过内部CAN网9接收船舶速度、纬度、磁航向、陀螺仪温度、施控参数、施控指令和报警信号，控制单元1运行陀螺施控算法，计算并向陀螺仪施加控制和补偿电流，同时通过内部CAN网9发送罗航向信息和随动单元工作指令。所述的航向显示单元3连接到内部CAN网9，用于通过内部CAN网9接收来自控制单元1的罗航向信息，采用刻度盘或数码方式加以复示。所述的温控单元4连接到内部CAN网9，用于通过内部CAN网9将陀螺仪温度数据、超温报警信号发送给所述的控制单元1；随动单元2连接到内部CAN网9，用于通过内部CAN网9接收所述控制单元1发出的指令，控制所述的随动单元2投入工作或停止工作，同时通过内部CAN网9发送随动报警信号；所述的报警显示单元7连接到内部CAN网9，用于通过内部CAN网9接收报警信号，并作出相应的报警指示。

在本发明基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经中，所述CAN转换单元在电气上隔离内部CAN网9与船舶设备网络10并交换网络数据，以完成内部CAN网9与船舶设备网络10之间的协议转换和信息交互。内部CAN网9与船舶设备网络10之间的协议转换和信息交互是指：通过CAN转换单元8将内部CAN网9上来自控制单元1的罗航向信息转发至船舶设备网络10，将船舶设备网络10上的速度、纬度、磁航向信息转发至内部CAN网络9。

上述电磁控制陀螺罗经和船舶设备网络10的数据交换是通过CAN转换单元8完成的。CAN转换单元8在电气上隔离了内外两路网络，通过单片机交换网络数据。内部网络和外部网络在物理链路上隔离，保证了其中一个网络出现问题，不会影响另一网络的正常工作。这样设计即保护了电磁控制陀螺罗经内部的功能单元，又保证了数据交换的安全可靠。

图2是根据本发明的实施例的电磁控制陀螺罗经的多个重要功能单元，通过内部CAN网进行通信的过程示意图。如图2所示，示出了本发明的实施例中的电磁控制陀螺罗经的功能单元，以及它们在内部CAN网9中的所有数据通信。其中箭头指示数据在内网CAN网9上的走向。经过一系列数据交换，控制单元运行陀螺施控算法，计算并向陀螺仪施加控制和补偿电流，最终实现稳定指北功能。

电磁控制陀螺罗经几个重要的功能单元通过内部CAN网通信的过程描述如下：

操作单元：给出工作模式、工作状态、施控参数值等指令参数，数据打包后放到内部CAN网上，这些数据将发送给控制单元；同时操作单元将从内部CAN网上接收控制单元给出的罗航向，接口单元给出的船舶速度、纬度、磁航向，温控单元给出的陀螺仪温度，并在操作单元的面板上显示。

控制单元：通过内部CAN网接收船舶速度、纬度、磁航向、陀螺仪温度、工作模式、工作状态、施控参数、报警信号各类信息，通过设计的陀螺施控算法进行计算，向陀螺仪施加控制和补偿电流进行自动找北；同时通过内部CAN网发送罗航向信息和随动单元工作指令。

随动单元：通过内部CAN网接收控制单元发出的工作指令，控制随动单元投入工作或停止工作；同时通过内部CAN网发送随动报警信号；

温控单元：通过内部CAN网将陀螺仪温度数据、超温报警信号发送给控制单元；

接口处理单元：负责接收外部设备，如GPS、计程仪、磁罗经等传感器的输入信息，打包后通过内部CAN网传递给控制单元；另外接口处理单元从内部CAN网上获取来自控制单元的罗航向信息，转发给其他船舶设备。

本发明的电磁控制陀螺罗经设计自定义的CAN 通信协议，规定了内部CAN网每个功能单元的通信内容和机制，从而提高设备的通讯协调性与可靠性。以下是协议定义的部分内容：

1．通信标识符

CAN总线交换数据信息包括29bit的通信标识符(ID28~ID0) 和8bytes的数据部分，将29bit的通信标识符进行扩展使用，如下表所示：

2．单元编号

占用ID的8位，可以表示256个单元。电磁控制陀螺罗经内部功能单元的编号如下：

 3．信息编号

占用ID的8位，可以表示256种信息。电磁控制陀螺罗经内部交换信息的编号如下：

 4．数据区定义

CAN一帧数据包含8个字节，除去一个校验字节，实际有效字节是7 个，无定义字节保留，填0。内部CAN网中一帧数据采用二进制数据字节或ASCII码数据字节，若是二进制数据字节则顺序为低字节优先，若是ASCII码数据字节则顺序为高字节优先。

通过本发明的技术方案设计解决了电磁控制陀螺罗经内部单元信息共享性差、外部联网功能差、不能实现复杂软件通讯等问题。由于采用了双冗余的内部局域控制网，提高了设备可靠性和数据传送效率。不仅实现了罗经的稳定指北功能，而且完成了电磁控制陀螺罗经内部网络和外部网络的安全而有效的数据交换。

Claims (10)

1.一种基于双冗余内部CAN网的电磁控制陀螺罗经，该电磁控制陀螺罗经的内部功能单元包括有控制单元、随动单元、操作单元、报警显示单元、CAN转换单元、温控单元、航向显示单元和接口单元，其特征在于，所述的控制单元、随动单元、操作单元、报警显示单元、CAN转换单元、温控单元、航向显示单元和接口单元分别挂接在双冗余的内部CAN网上，所述内部功能单元的数据交换在内部CAN网上进行；包括GPS、计程仪和磁罗经在内的外部设备经过所述的接口单元采集数据信号并处理转发至所述的内部CAN网上；所述的CAN转换单元连接船舶设备网络和内部CAN网，以完成电磁控制陀螺罗经与船舶设备网络的数据交换。

2.根据权利要求1所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，所述的控制单元连接内部CAN网，用于通过内部CAN网接收船舶速度、纬度、磁航向、陀螺仪温度、施控参数、施控指令和报警信号，运行陀螺施控算法，计算并向陀螺仪施加控制和补偿电流，同时通过内部CAN网发送罗航向信息和随动单元工作指令。

3.根据权利要求1所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，所述的航向显示单元连接到内部CAN网，用于通过内部CAN网接收来自控制单元的罗航向信息，采用刻度盘或数码方式加以复示。

4.根据权利要求1所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，所述的温控单元连接到内部CAN网，用于通过内部CAN网将陀螺仪温度数据、超温报警信号发送给所述的控制单元；随动单元连接到内部CAN网，用于通过内部CAN网接收所述控制单元发出的指令，控制所述的随动单元投入工作或停止工作，同时通过内部CAN网发送随动报警信号；所述的报警显示单元连接到内部CAN网，用于通过内部CAN网接收报警信号，并作出相应的报警指示。

5.根据权利要求1所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，所述CAN转换单元在电气上隔离内部CAN网与船舶设备网络并通过单片机交换网络数据，以完成内部CAN网与船舶设备网络之间的协议转换和信息交互。

6.根据权利要求5所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，内部CAN网与船舶设备网络之间的协议转换和信息交互是指通过CAN转换单元将内部CAN网上来自控制单元的罗航向信息转发至船舶设备网络，将船舶设备网络上的速度、纬度、磁航向信息转发至内部CAN网络。

7.根据权利要求1所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，所述电磁控制陀螺罗经自定义有内部CAN网通信协议，该通信协议规定内部CAN网上每个功能单元的通信内容和机制，协议定义包括有通信标识符和数据区定义，所述的通信标识符包括有单元编号和信息编号。

8.根据权利要求7所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，在所述的通信内容和机制符中，CAN总线交换的数据信息包括29bit的通信标识符和8bytes的数据部分，其中29bit的通信标识符为ID28～ID0。

9.根据权利要求7所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，所述的单元编号占用ID的8位，至多表示256个功能单元；所述的信息编号占用ID的8位，至多表示256种信息类型。

10.根据权利要求7所述的一种基于双冗余CAN网的电磁控制陀螺罗经，其特征在于，在所述数据区定义中，内部CAN网的一帧数据包含8个字节，除去一个校验字节，实际有效字节是7个，无定义字节保留，填0；所述内部CAN网一帧数据采用二进制数据字节或ASCII码数据字节，二进制数据字节顺序为低字节优先，ASCII码数据字节顺序为高字节优先。