基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與常見故障分析

張強(qiáng)

（中國(guó)人民解放軍四八O 五工廠軍械修理廠 上海市 200439）

船舶電子通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的正常傳輸，在船舶自動(dòng)化水平不斷提升的過程中，為滿足大數(shù)據(jù)、不間斷、多節(jié)點(diǎn)的通信要求，則需要對(duì)傳統(tǒng)電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，在充分發(fā)揮CAN 總線技術(shù)特點(diǎn)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)有效規(guī)避CAN 總線技術(shù)存在的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，以構(gòu)建更加穩(wěn)定的船舶電子通信環(huán)境。

1 CAN總線技術(shù)概述

電子信息技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使船舶自動(dòng)化、信息化和智能化水平得到明顯提升，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間的協(xié)同動(dòng)作，則需要建立更加廣泛的電子通信系統(tǒng)。由于不同自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間的通信機(jī)制存在差異，以及線束增加帶來的各種問題等，設(shè)計(jì)人員提出基于LAN 的高速通信技術(shù)，即CAN 總線技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在多行業(yè)領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。

相比較傳統(tǒng)集散通信模式，CAN 總線通信技術(shù)具有以下四大優(yōu)勢(shì)：

（1）可擴(kuò)展性強(qiáng)。CAN 總線技術(shù)是以局域網(wǎng)為載體，因此，其繼承了網(wǎng)絡(luò)的開放性特點(diǎn)，能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)的擴(kuò)展。

（2）標(biāo)準(zhǔn)程度高。CAN 總線技術(shù)作為世界上使用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，并通過ISO11898、ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在滿足該協(xié)議的基礎(chǔ)上，則可以與總線上其它自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)進(jìn)行通信。

（3）實(shí)時(shí)性好。根據(jù)CAN 總線通信協(xié)議，所有自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)需要對(duì)其傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，從而獲取總線訪問的優(yōu)先權(quán)，并保證相應(yīng)節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)接收目標(biāo)數(shù)據(jù)，從而顯著增強(qiáng)了自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間通信的實(shí)時(shí)性。

（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。由于傳統(tǒng)集散通信模式面對(duì)多節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)存在數(shù)據(jù)擁堵的情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試周期較長(zhǎng)，而CAN 總線通信技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)“自鎖”效果，從而保證總線數(shù)據(jù)的正常傳輸，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。

2 基于CAN總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在船舶自動(dòng)化水平不斷提升的背景下，基于控制效率和成本方面的考慮，則需要更加高校、穩(wěn)定的電子通信系統(tǒng)，傳統(tǒng)集散通信模式的缺點(diǎn)較為明顯，基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)也就得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

基于船舶空間環(huán)境特點(diǎn)，以及船舶自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)大量使用的實(shí)際情況，為保證相關(guān)自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的正常傳輸，則需要對(duì)船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出以下要求。

2.1.1 系統(tǒng)高度兼容

船舶作為高價(jià)值屬性單元，其使用周期較長(zhǎng)，在此過程中，船舶自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)構(gòu)成將發(fā)生變化，因此，為最大限度避免自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)調(diào)整帶來的影響，在船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮未來一段時(shí)間內(nèi)的兼容性。

2.1.2 系統(tǒng)集中控制

船舶自動(dòng)化水平的提升是一把“雙刃劍”，其雖能夠提升船舶管理效率，但是，在單一節(jié)點(diǎn)故障的情況下，極易引發(fā)的不可控的“雪崩”效應(yīng)。針對(duì)這一情況，船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)ο嚓P(guān)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)全節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)的集中控制，有效提升船舶自動(dòng)控制效率，保證船舶航行安全。

2.1.3 系統(tǒng)智能糾錯(cuò)

船舶電子通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)所有在線自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，由于自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中受多種因素的影響而出現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文錯(cuò)誤的情況，為避免有限的船舶電子通信資源被占用，則要求船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加智能糾錯(cuò)功能。根據(jù)系統(tǒng)智能糾錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)方式，可以分為“反饋糾錯(cuò)”、“前向糾錯(cuò)”和“混合糾錯(cuò)”三種設(shè)計(jì)方案，以保證船舶電子通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 基于CAN總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

總線技術(shù)的使用改變了船舶自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間的通信機(jī)制，以局域網(wǎng)為載體的CAN 總線技術(shù)則進(jìn)一步優(yōu)化了船舶電子通信系統(tǒng)架構(gòu)，而完善的通信協(xié)議為其提供了系統(tǒng)化的“軟支撐”。

2.2.1 基于CAN 總線技術(shù)的通信標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議

基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸效率和穩(wěn)定性方面較傳統(tǒng)電子通信系統(tǒng)明顯提升，主要原因在于其采用了更加科學(xué)的通信標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議?；贑AN 總線技術(shù)的通信標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的制定為船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了規(guī)范性文件，為詳細(xì)區(qū)分基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的分布情況，可將其劃分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層（如圖1 所示），由于相應(yīng)層級(jí)的功能設(shè)定存在差異，因此，其適用的標(biāo)準(zhǔn)也存在較大差異。

圖1：基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成示意圖

（1）應(yīng)用層。現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議類型可細(xì)分為現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文子層和現(xiàn)場(chǎng)總線訪問子層，依托智能分布式系統(tǒng)控制器通信接口標(biāo)準(zhǔn)（SDS EN 50325-3）、局域網(wǎng)控制器通信接口標(biāo)準(zhǔn)（DeviceNet EN 50325-2）、開放式總線控制器通信接口標(biāo)準(zhǔn)（CANopen EN 50325-4）與數(shù)據(jù)鏈路層提供增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)（J1939.ISO 11783 NAMEA 2000）實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電子通信系統(tǒng)狀態(tài)及對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)的控制，保證船舶電子通信系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議構(gòu)成則較為簡(jiǎn)單，根據(jù)其信息傳輸幀數(shù)的不同，主要包括標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議（ISO 11898-1 11-bit ID）和擴(kuò)展幀協(xié)議（ISO 11898-1 11-bit ID），其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2 所示，標(biāo)準(zhǔn)幀的由11 位ID 標(biāo)識(shí)符和SOF 位構(gòu)成，而擴(kuò)展幀則是在標(biāo)準(zhǔn)幀的基礎(chǔ)上增加了SRR、IDE 和RTR 位組成，而SRR 在擴(kuò)展幀中屬于仲裁段的隱性位，標(biāo)準(zhǔn)幀中的則是將擴(kuò)展幀中SRR 位與RTR 位進(jìn)行調(diào)換。

圖2：數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展幀幀定義示意圖

所以，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的通信協(xié)議，無論是標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴(kuò)展幀，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，均會(huì)首先發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)幀位，即ID28-ID18 的11bit 基本ID，而擴(kuò)展幀的18bit 擴(kuò)展ID（ID17-ID0）是在標(biāo)準(zhǔn)幀之后發(fā)送。

（3）物理層。基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)需要通過科學(xué)的物理地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，才能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，物理層則是依托船舶電子通信設(shè)備在不同自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間搭建的通信網(wǎng)絡(luò)。物理層能夠根據(jù)CAN控制器發(fā)出的指令靈活調(diào)整總線電平，選擇最佳信令方案，在考慮船舶電子通信質(zhì)量的情況下，對(duì)基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通信線纜的選擇提供參考。

船舶電子通信系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟠嬖诓町?，因此，在物理層的設(shè)計(jì)中，較為常見的CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)為ISO 11898-2 和ISO 11898-3 兩種。ISO 11898-2 為高速CAN 總線，屬于雙線平衡信令方案；ISO 11989-3 雖為低速CAN 總線，但同樣屬于雙線平衡信令方案，由于ISO 11898-3 具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性，所以，基于ISO 11898-3 的電子通信系統(tǒng)可靠性較高。

2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)在組織架構(gòu)設(shè)計(jì)方面更加靈活，由于其涉及平臺(tái)所有自動(dòng)控制設(shè)備，基于CAN 總線技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)集約化管理模式，能夠保證各自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間的高度協(xié)同，通過上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電子通信系統(tǒng)中不同通信節(jié)點(diǎn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3：基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

CAN 總線技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)船舶電子通信系統(tǒng)架構(gòu)，上位機(jī)與船舶自動(dòng)化設(shè)備/系統(tǒng)之間的控制關(guān)系由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)對(duì)多，為保證基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)正常工作，則需要進(jìn)一步完善其設(shè)計(jì)方案。

（1）控制單元設(shè)計(jì)?；贑AN 技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)控制單元主要包括上位機(jī)、微控制器（CAN 控制器與CAN 收發(fā)器），在控制單元設(shè)計(jì)中，需要參考系統(tǒng)控制功能的具體實(shí)現(xiàn)方式與要求，從而提高控制效率和準(zhǔn)確度，其控制流程如圖4 所示。

圖4：控制單元設(shè)計(jì)流程圖

以上位機(jī)、控制器為核心的控制單元能夠?qū)ο到y(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，并通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣后有上位機(jī)軟件判定電子通信系統(tǒng)是否存在故障。根據(jù)ISO 11898-2/ISO 11898-3協(xié)議規(guī)定，上位機(jī)所發(fā)出的狀態(tài)尋位報(bào)文為固定幀模式，在無法獲取對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)反饋幀時(shí)，上位機(jī)則顯示電子通信系統(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)存在故障。

為提升船舶電子通信系統(tǒng)控制單元的可靠性，在優(yōu)化其控制流程的同時(shí)，也完善了CAN 收/發(fā)器為核心的物理傳輸媒介構(gòu)成，這里可選擇較為典型的差分信號(hào)模式（如圖5所示），CAN 發(fā)送器與CAN 接收器之間通過CAN_Tx 線進(jìn)行連接，為保證二進(jìn)制編碼準(zhǔn)確無誤的傳輸至CAN 接收器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中則需要采用差分線的方案，由于CAN 總線網(wǎng)絡(luò)僅能夠識(shí)別差分信號(hào)，而CAN 收/發(fā)器的作用就是將普通邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為滿足條件的差分信號(hào)。

不僅如此，從圖5 中左側(cè)通信線纜結(jié)構(gòu)圖可以看出，由于差分信號(hào)傳輸僅需要CAN_Tx 和CAN_Rx 兩根線，采取交叉繞線的方式，可以有效減少船舶內(nèi)部復(fù)雜電磁空間對(duì)信號(hào)的影響，使控制單元信號(hào)質(zhì)量更高。

圖5：CAN 總線控制單元設(shè)計(jì)效果圖

（2）總線接口設(shè)計(jì)。船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合考慮不同接口類型的適應(yīng)性，針對(duì)低速CAN 總線與高速CAN 總線的特點(diǎn)，對(duì)總線方案進(jìn)行優(yōu)化，在保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的同時(shí)，還能夠提升船舶電子通信系統(tǒng)的電磁兼容性。

圖6 中所示L1 為工模扼流圈，其能夠更好的適應(yīng)船舶內(nèi)部空間中較為復(fù)雜的電磁環(huán)境，從而起到EMI 濾波的良好效果。不僅如此，該設(shè)計(jì)對(duì)于控制單元的高頻交流信號(hào)所產(chǎn)生的電磁輻射也能夠起到更好的屏蔽作用，從而避免了基于CAN 總線設(shè)計(jì)的船舶電子通信系統(tǒng)的內(nèi)生干擾。為保證總線接口設(shè)計(jì)的合理性，這里將L1 的阻抗設(shè)定為120Ω/100MHz-2200Ω/100MHz 之間，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際阻抗進(jìn)行可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

圖6：CAN 總線接口示意圖

C1、C2 同樣能夠起到抗干擾的作用，由于電容、電感對(duì)交流、直流信號(hào)的響應(yīng)機(jī)制存在差異，在設(shè)計(jì)中應(yīng)正確選擇C1、C2 的范圍，為保證相關(guān)數(shù)據(jù)的順利傳輸，通常將C1、C2 的電容值設(shè)定在22pF-1000pF。圖6 中所示C3 為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中較為常見的跨地電容，其主要適用于同時(shí)存在接口地和數(shù)字地共線設(shè)計(jì)中，該跨地電容需要具有良好的耐壓性，在系統(tǒng)整體安全的前提下，其耐壓值建議為2600KV以上。

D1、D2 為瞬態(tài)抑制二極管，該二極可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的靜電防護(hù)功能，對(duì)飲電路功率瞬變所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓有著良好的隔斷效果，避免敏感元器件因電壓波動(dòng)受損情況的發(fā)生。根據(jù)該設(shè)計(jì)方案，D1、D2 應(yīng)保證關(guān)斷電壓反向耐壓應(yīng)超過3.5V，對(duì)于其功率不做具體要求。

這里需要注意的是，在船舶電子通信系統(tǒng)的CAN 總線接口設(shè)計(jì)中，如果該設(shè)備外殼為金屬導(dǎo)電材質(zhì)，且對(duì)應(yīng)電路部分預(yù)留了獨(dú)立接地線路，則該設(shè)備外殼可以與CAN 總線接口地（PGND）之間通過隔直電容進(jìn)行連接，該電容參數(shù)設(shè)置為1000pF-1500pF。如果該通信系統(tǒng)中設(shè)備外殼為非導(dǎo)電材質(zhì)，則CAN 總線接口地（PGND）可以與系統(tǒng)地之間直接連接，而不需要電容進(jìn)行防護(hù)。

（3）總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)?；贑AN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)分布缺乏規(guī)律，且不同節(jié)點(diǎn)之間所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存在一定差異，在總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，需要明確區(qū)分節(jié)點(diǎn)類型，并從可靠性的角度出發(fā)，綜合考慮總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的隔離、阻抗匹配、總線保護(hù)等相關(guān)要求，從而保證船舶電子通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

信號(hào)隔離作為CAN 總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中較為常用的一種技術(shù)手段，其能夠?qū)π盘?hào)較為復(fù)雜的控制電路與CAN 總線進(jìn)行隔離，這里需要使用到隔離收發(fā)器。[5]例如，隔離收發(fā)器可實(shí)現(xiàn)高壓隔離效果，并通過電氣隔離減少共模干擾現(xiàn)象的發(fā)生，最大限度降低因高壓變頻信號(hào)對(duì)CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽３^為常見的信號(hào)隔離技術(shù)外，還可以選擇低功耗的磁隔離技術(shù)，或者是在信號(hào)通道隔離的基礎(chǔ)上，直接采用DC-DC 隔離模塊進(jìn)行電源隔離。

阻抗匹配是指船舶電子通信系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)阻抗連續(xù)變化時(shí)會(huì)影響信號(hào)傳輸質(zhì)量，其主要表現(xiàn)為非連續(xù)狀態(tài)下的阻抗變化將出現(xiàn)明顯的信號(hào)反射現(xiàn)象，而整個(gè)反射的過程在多個(gè)節(jié)點(diǎn)中會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，當(dāng)反射信號(hào)相互疊加時(shí)，將導(dǎo)致信號(hào)傳輸功率增加，最終影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。針對(duì)這一問題，則需要對(duì)基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)的阻抗進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠在閾值范圍以內(nèi)變化，根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)電阻檢測(cè)的結(jié)果，通過串、并電阻的形式可以對(duì)總線節(jié)點(diǎn)阻抗進(jìn)行調(diào)整。這里需要注意的是，在船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，終端節(jié)點(diǎn)的阻抗必然會(huì)發(fā)生突變，這里需要通過接入終端電阻的形式使其與非終端節(jié)點(diǎn)電阻之間保持連續(xù)性。

由于船舶內(nèi)部電磁空間環(huán)境較為復(fù)雜，基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間存在相互影響的情況，尤其是對(duì)于高功率控制電路來說，極易對(duì)總線上的其它節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)于電壓變化對(duì)CAN 接收器的沖擊。通過增加防護(hù)電路，可以避免功率異常等因素導(dǎo)致的船舶電子通信系統(tǒng)可靠性降低等問題。

如圖7 所示，該保護(hù)電路采用了CAN 收發(fā)器模塊、DC-DC 信號(hào)隔離模塊與信號(hào)隔離模塊，由此，則實(shí)現(xiàn)了基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)的集成優(yōu)化，在提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。

圖7：CAN 總線節(jié)點(diǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

（4）總線協(xié)議設(shè)計(jì)。基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步規(guī)范相關(guān)設(shè)備/系統(tǒng)所使用的協(xié)議，目前，CAN-Bus 在通信系統(tǒng)中的使用有效提升了其通信質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，通過明確總線協(xié)議的方式提出通信時(shí)序約束、編碼規(guī)則，并區(qū)分不同層級(jí)通信協(xié)議之間的差異，從而更好的發(fā)揮CAN 總線技術(shù)在船舶電子通信系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。

首先，統(tǒng)一時(shí)序約束。基于CAN 總線協(xié)議的數(shù)據(jù)通信需要對(duì)其發(fā)送內(nèi)容進(jìn)行編輯，為保證通信系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送行為的有序性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)不同節(jié)點(diǎn)設(shè)備/系統(tǒng)的比特率（bps：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)設(shè)備/系統(tǒng)所傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)）和波特率（Baud：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)設(shè)備/系統(tǒng)所傳輸?shù)姆?hào)數(shù)量）進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定。通過規(guī)范CAN 總線時(shí)序協(xié)議，增加統(tǒng)一時(shí)鐘設(shè)計(jì)，使船舶電子通信系統(tǒng)的通信周期保持穩(wěn)定，如此，則可以避免因時(shí)序混亂導(dǎo)致的通信系統(tǒng)工作狀態(tài)異常等問題發(fā)生。

其次，完善編碼規(guī)則。CAN 總線功能的實(shí)現(xiàn)需要相關(guān)節(jié)點(diǎn)遵循統(tǒng)一的編碼規(guī)則，即通信設(shè)備/系統(tǒng)在對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新封裝，除主體數(shù)據(jù)外，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，還需要增加節(jié)點(diǎn)ID、優(yōu)先級(jí)、校驗(yàn)等相關(guān)內(nèi)容。例如，平臺(tái)羅經(jīng)通過CAN 總線想船舶綜合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送航向、姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，經(jīng)系統(tǒng)編碼后應(yīng)遵循NMEA2000 協(xié)議，同時(shí)，為符合國(guó)際無線電通信管理要求，即通用ITU-RM.1371-5 協(xié)議，其二進(jìn)制編碼包括數(shù)據(jù)幀、應(yīng)用標(biāo)識(shí)符、應(yīng)用數(shù)據(jù)三個(gè)部分組成，具體如表1 所示。優(yōu)化后的編碼規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)船舶內(nèi)、外通信協(xié)議的統(tǒng)一，減少多次解析造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等問題發(fā)生。

表1：基于TU-RM.1371-5 協(xié)議的CAN 總線通信報(bào)文格式

最后，優(yōu)化高層協(xié)議。基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)主要包括應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，而應(yīng)用層在作為船舶電子通信系統(tǒng)的核心控制單元，在系統(tǒng)協(xié)議體系中屬于高層協(xié)議范疇。如表1 所示，應(yīng)用數(shù)據(jù)中標(biāo)識(shí)符位數(shù)為16，由于CAN 協(xié)議中對(duì)于標(biāo)識(shí)符的顯性位有著明確規(guī)定，這也說明了該設(shè)計(jì)方案中發(fā)送ID 和接收ID 位數(shù)設(shè)定為30的原因，這基本滿足了船舶電子通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)充的要求。即便通信設(shè)備/系統(tǒng)需要介入CAN 總線，可以設(shè)定二級(jí)總線的形式進(jìn)行擴(kuò)充。在優(yōu)先級(jí)方面，除通過ID 進(jìn)行判定外，還可以建立優(yōu)先級(jí)可編輯幀（建議選擇數(shù)據(jù)幀中的備用位），從而靈活調(diào)整不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。

基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)其繼承性，通過優(yōu)化總線控制單元、接口、節(jié)點(diǎn)和協(xié)議等，能夠以最小代價(jià)提升船舶電子通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3 基于CAN總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)常見故障分析

CAN 總線技術(shù)在船舶電子通信系統(tǒng)中的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)集控模式下的干擾問題，并能夠在規(guī)范總線協(xié)議的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備/系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)式管理，優(yōu)化船舶電子通信系統(tǒng)接口形態(tài)。然而，基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)依然存在諸多故障，且不同故障所產(chǎn)生的影響也存在一定差異，這里通過以下幾種典型故障進(jìn)行介紹。

3.1 數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤及應(yīng)對(duì)策略

基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是以幀的形式進(jìn)行傳輸，當(dāng)CAN 總線系統(tǒng)電平與節(jié)點(diǎn)設(shè)備/系統(tǒng)輸出點(diǎn)評(píng)之間差異超出閾值后出現(xiàn)的一種錯(cuò)誤。船舶電子通信系統(tǒng)中物理層可以通過發(fā)送單元、接收單元的對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)設(shè)備/系統(tǒng)。

關(guān)于數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤的處理需要在定位故障節(jié)點(diǎn)后，對(duì)節(jié)點(diǎn)輸出電平進(jìn)行檢測(cè)，在強(qiáng)化內(nèi)部電路屏蔽的同時(shí)，選用交叉屏蔽線纜傳輸模擬信號(hào)，減少因干擾信號(hào)疊加導(dǎo)致的電平異常問題。與此同時(shí)，對(duì)于接收端的數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤問題，在需要采取雙向校對(duì)補(bǔ)償機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

3.2 填充錯(cuò)誤及應(yīng)對(duì)策略

為保證CAN 總線數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確性，在其數(shù)據(jù)幀中如連續(xù)出現(xiàn)五個(gè)相同的位時(shí)，則需要在第六位插入相反的位，即電平翻轉(zhuǎn)，也被稱為總線數(shù)位填充機(jī)制，其適用于起始段、仲裁段、控制端、與校驗(yàn)段。因此，如果在數(shù)據(jù)幀中連續(xù)出現(xiàn)六個(gè)或六個(gè)以上相同的位，則意味著該電子通信系統(tǒng)出現(xiàn)了位填充錯(cuò)誤。

位填充錯(cuò)誤的出現(xiàn)其主要原因包括計(jì)數(shù)問題和電平干擾兩種，針對(duì)計(jì)數(shù)問題需要在應(yīng)用層對(duì)持續(xù)電平計(jì)數(shù)進(jìn)行分析，保證反相數(shù)位準(zhǔn)確填充；對(duì)于位填充錯(cuò)誤中的電平干擾，則需要通過優(yōu)化差分電路設(shè)計(jì)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽，同時(shí)對(duì)關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)輸出電平進(jìn)行分析，優(yōu)化總線節(jié)點(diǎn)布局，避免同頻節(jié)點(diǎn)之間相互干擾導(dǎo)致的填充錯(cuò)誤。

3.3 格式錯(cuò)誤及應(yīng)對(duì)策略

CAN 總線技術(shù)優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)是不同報(bào)文格式之間可以實(shí)現(xiàn)無障礙的通信，然而，由于報(bào)文中存在一定數(shù)量的非法位，導(dǎo)致船舶電子通信系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)之間無法按照約定機(jī)制進(jìn)行通信，即接收到的幀和規(guī)定的幀格式不一致。根據(jù)格式錯(cuò)誤的形成機(jī)制可以分為主動(dòng)錯(cuò)誤、被動(dòng)錯(cuò)誤和總線關(guān)閉三種類型，主動(dòng)錯(cuò)誤是CAN 總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備/系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生格式上的錯(cuò)誤，其特征為REC&&TEC∈（0，127）；被動(dòng)錯(cuò)誤的判定條件為REC ||TEC∈（127，255）；當(dāng)CAN 總線TEC ≥255 時(shí)，則總線將臨時(shí)關(guān)閉該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)權(quán)限，但并不影響總線其它節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。這里需要注意的是，無論是主動(dòng)錯(cuò)誤還是被動(dòng)錯(cuò)誤，總線節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能不會(huì)受到影響。

針對(duì)格式錯(cuò)誤的應(yīng)對(duì)策略較為簡(jiǎn)單，當(dāng)判定格式錯(cuò)誤為主動(dòng)錯(cuò)誤時(shí)，則需要對(duì)CAN 總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備/系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位處理。而被動(dòng)錯(cuò)誤則是在判定對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不可信，在CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸中將不允許該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不參與系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，避免破壞系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同樣可以采取復(fù)位處理方式。對(duì)于總線關(guān)閉錯(cuò)誤則需要將故障節(jié)點(diǎn)設(shè)備脫離CAN 總線，對(duì)導(dǎo)致收發(fā)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器溢出的原因進(jìn)行分析，對(duì)電平、功率等導(dǎo)致的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，調(diào)整CAN 收發(fā)控制器參數(shù)，保證CAN 總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備/系統(tǒng)狀態(tài)。

4 總結(jié)

CAN 總線技術(shù)在船舶電子通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)集控式通信管理模式存在的不足，通過優(yōu)化系統(tǒng)總線設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步提升船舶電子通信系統(tǒng)對(duì)差異化通信設(shè)備/系統(tǒng)的適應(yīng)性。然而，在考慮CAN 總線技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也需要高度關(guān)注其中存在的問題，在船舶電子通信系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，以提升基于CAN 總線技術(shù)的船舶電子通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。