基于CAN總線的船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

成 鄭，王 平

（1.海裝駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

引言

船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)是保證其安全、正確行使的重要保障。當(dāng)前船舶通信導(dǎo)航系統(tǒng)有基于GPS實(shí)現(xiàn)功能的，也可基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能。簡單地說，船舶通信導(dǎo)航系統(tǒng)是將艦載導(dǎo)航、操作控制系統(tǒng)和雷達(dá)躲避系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的整體，是將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)有機(jī)融合應(yīng)用的結(jié)晶[1]。但是，當(dāng)前基于NEMA0183協(xié)議（GPS）實(shí)現(xiàn)信息交換的船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)具有傳輸速率低、可靠性差、線路復(fù)雜的缺點(diǎn)。鑒于CAN總線通訊技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和高通信速率的特點(diǎn)，本文將基于CAN總線完成船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 CAN總線與其他模塊的通信基礎(chǔ)

目前，船舶通信導(dǎo)航系統(tǒng)中除了CAN總線外還采用其他總線模式進(jìn)行信息傳輸。因此，實(shí)現(xiàn)CAN總線與其他總線傳輸模式的通信轉(zhuǎn)換是最終實(shí)現(xiàn)基于CAN總線設(shè)計(jì)船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。比如，基于CAN總線的話重點(diǎn)解決其與磁羅經(jīng)數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、方位儀數(shù)據(jù)通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

1.1 CAN協(xié)議與GPS協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換

GPS為當(dāng)前船舶導(dǎo)航通信所采用的主要方式，當(dāng)前船舶的GPS模塊均是基于NEMA0183協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腫2]。因此，解決GPS模塊在CAN總線協(xié)議下的問題，需實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議與NEMA0183的轉(zhuǎn)換，也是必須解決的問題，二者之間的轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。基于NEMA0183協(xié)議進(jìn)入系統(tǒng)的信號(hào)通過光電隔離進(jìn)入微控制處理后轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議的信號(hào)，而后通過CAN控制器、光電隔離、收發(fā)器最終達(dá)到CAN總線完成數(shù)據(jù)的下一步傳輸。

1.2 CAN協(xié)議與RS協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換

目前，船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信均是通過串行或者并行方式實(shí)現(xiàn)的。而且，由于串行通信方式具有成本低、線路簡單的優(yōu)勢(shì)被工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)于CAN總線通信協(xié)議而言，還需重點(diǎn)解決其與RS232和RS485接口之間的通信轉(zhuǎn)換問題[3]。以CAN總線與RS232協(xié)議之間的通信轉(zhuǎn)換為例。

如圖2所示，基于RS232通信協(xié)議的信號(hào)經(jīng)232電平轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微處理器+CAN協(xié)議控制器完成RS232到CAN協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；而后通過光電隔離和CAN總線收發(fā)器將轉(zhuǎn)換所得的基于CAN協(xié)議的信號(hào)傳輸至CAN總線中。

同理，對(duì)于RS485通信協(xié)議與CAN通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換流程如下：基于RS485總線的信號(hào)通過CAN/485總線轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CAN總線中；而后基于CAN總線將信號(hào)傳輸至上位機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備等。

2 基于CAN總線導(dǎo)航通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在上述通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)基于CAN總線的導(dǎo)航通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。從理論上講，基于CAN總線所設(shè)計(jì)的導(dǎo)航通信系統(tǒng)將船舶上的各類儀表有機(jī)整合到一起，各類儀表之間不在為孤立的單獨(dú)個(gè)體，從而能夠充分發(fā)揮導(dǎo)航通信的功能，最終保證船舶航行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[4]?；贑AN總線導(dǎo)航通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)主要由自動(dòng)舵/電子海圖/雷達(dá)分系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航分系統(tǒng)、數(shù)字磁羅經(jīng)儀導(dǎo)航分系統(tǒng)、數(shù)字方位儀以及其他儀器儀表分系統(tǒng)組成。

2.1 關(guān)鍵子模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)字方位儀、數(shù)字磁羅經(jīng)和GPS接收機(jī)為船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的關(guān)鍵子模塊。本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)上述子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）數(shù)字方位儀子模塊的設(shè)計(jì)。數(shù)字方位儀是船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的重要組成部分，其有效解決了傳統(tǒng)手動(dòng)直接瞄準(zhǔn)和機(jī)械式儀表記錄的問題，極大的提升了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和可靠性。此外，基于數(shù)字方位儀子模塊還能夠提供目標(biāo)的視頻影像，子模塊所采用的步進(jìn)電機(jī)可將監(jiān)測(cè)精度提高至0.01°，其核心控制主板由ARM芯片和77E58芯片組成。

2）數(shù)字磁羅經(jīng)子模塊的設(shè)計(jì)。數(shù)字磁羅經(jīng)的主要功能是消除由于船舶本體搖擺所引入的測(cè)量誤差，從而保證導(dǎo)航通信系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[5]。基于數(shù)字磁羅經(jīng)還可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完成對(duì)船舶的操縱和控制，其預(yù)留的通信接口也可實(shí)現(xiàn)與其他模塊的數(shù)據(jù)通信。本文系統(tǒng)所選擇數(shù)字磁羅經(jīng)可將誤差控制在±5%之內(nèi)，具體型號(hào)為HMR3300磁阻羅盤模塊，可為船舶航行提供航向、俯仰和橫滾等姿態(tài)信息。

3）GPS子模塊的設(shè)計(jì)。GPS子模塊是實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航的關(guān)鍵模塊，本系統(tǒng)采用GR-87智能型衛(wèi)星接收模塊。

2.2 CAN總線接口電路及防雷設(shè)計(jì)

為了避免船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的電路面積過大導(dǎo)致不必要的麻煩，比如電路板的安裝、線路之間的通信干擾等問題，本系統(tǒng)采用內(nèi)置CAN控制器的dsPIC30F微控制器作為基于CAN總線的船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的核心控制，采用該微控制器后不再外接一個(gè)CAN控制器。本系統(tǒng)涉及CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的接口電路如圖4所示。

鑒于船舶在海上航行遇到的天氣屬于極端惡劣天線，為了避免在惡劣天氣下對(duì)導(dǎo)航通信系統(tǒng)的高頻發(fā)射機(jī)、衛(wèi)星發(fā)射機(jī)以及其他雷達(dá)設(shè)備造成干擾，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)備的安全和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。因此，需要對(duì)CAN總線進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。防雷設(shè)計(jì)的核心在于在原電路中增加熱敏電阻、雙向TVS管和壓敏電阻等，所形成的防雷CAN總線如圖5所示。

3 結(jié)論

船舶通信導(dǎo)航系統(tǒng)是保證船舶在正確航向上安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。鑒于傳統(tǒng)船舶通信導(dǎo)航系統(tǒng)存在誤碼率高、傳輸速率慢的特點(diǎn)，本文特基于CAN總線完成船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體總結(jié)如下：

1）整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，根據(jù)船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)當(dāng)前所采用的通信協(xié)議，重點(diǎn)完成了CAN協(xié)議與GPS協(xié)議、RS232和RS485協(xié)議之間的通訊轉(zhuǎn)換；

2）結(jié)合船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求，確定選用核心控制主板由ARM芯片和77E58芯片組成數(shù)字方位儀子模塊、HMR3300磁阻羅盤模塊、GR-87智能型衛(wèi)星接收模塊；

3）為保證基于CAN總線導(dǎo)航通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，選用dsPIC30F微控制器完成導(dǎo)航通信系統(tǒng)核心控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；同時(shí)，加裝壓敏電阻、雙向TVS二極管完成CAN總線的防雷設(shè)計(jì)。