船舶導航系統網絡通信關鍵技術研究＊

孟士超 唐正茂

（1.海軍駐431廠軍代表室 葫蘆島 125004）（2.武漢第二船舶設計研究院 武漢 430064）

1 引言

隨著海軍艦船技術的不斷發展，各艦船裝備進行著大規模的改進和創新，以提高艦船的戰斗力。艦船導航系統作為艦船的千里眼和順風耳，不僅要求提供準確的船位信息，而且要求與武器裝備、測量系統相結合，提供武器發射的精確位置和落點測量等各種數據，是艦船航行和作戰的重要保證[1～3]。因此，導航系統內部和各系統間信息傳輸技術的改進是整個系統升級中的重要一環。

當前的綜合導航系統是一個結合不同特點的導航設備和導航方法的復雜系統，是利用計算機技術對多種導航信息進行綜合處理，來提高系統性能的導航系統，其涉及到各導航信息源許多設備的相關技術、計算機技術、顯示技術、控制系統、通訊系統和數據處理等理論[4～5]。為此，有必要對船舶導航系統的網絡通信技術進行研究，以實現船舶導航系統的快速網絡通信技術的發展。

2 傳統的導航系統網絡通信技術分析

在傳統的艦船導航系統中，各導航設備間普遍采用EIARS－422A接口通訊標準，使用NMEA－0183碼或二進制補碼的形式進行通訊。RS－422A采用平衡輸出的發送器，差分輸入的接收器。在艦船通訊中采用全雙工通訊，需要四根信號線，兩根信號輸出線，兩根信號輸入線。一般情況下，RS－422A線路不使用公共地線，這使得通訊雙方由于地電位不同而對通訊線路產生的干擾減至最小。采用普通雙絞線時，RS－422A可在1200m范圍內以38.4Kbit／s的波特率進行通訊。在短距離（200m范圍內），RS－422A的線路可以輕易達到200Kbit／s以上的波特率[6]。因此這種接口電路被廣泛地應用在艦船導航系統中。

雖然使用傳統的串行口（RS－422A）進行通訊，具有連接形式簡單、通訊距離遠、信息傳輸可靠等優點。但是，由于串行通訊是逐位進行傳送的，故傳輸速度較慢；并且，它采用的是點對點的連接方式，當各導航設備間的連接關系復雜時，設備間的走線也就變得更為復雜。目前，隨著艦船信息化程度的提高，各設備、各系統間的信息通訊越來越頻繁，信息量越來越大，使用傳統單一的串行口進行通訊己經不能滿足導航系統發展的要求。

3 現代導航系統網絡通信系統研究

3.1 通信網絡方案的確定

使用RS－422A標準的通訊接口連線形式簡單，通訊距離相對較遠，適合那些位置、信息相對獨立的設備；而使用CAN總線可以比較方便地實現點對點、一點對多點，以及全局廣播等多種傳輸方式，它所提供的非破壞性的總線仲裁方式，有效地解決了多節點同時發送報文時各報文相互沖突的問題，保障了CAN總線網絡上信息傳遞的可靠性[7～8]。CAN總線網絡屬于底層控制網絡，程序可操作性強；另一方面，加上目前流行的以太網技術，提出一種集串口、CAN總線和以太網技術于一體的信息傳輸網絡，來解決單一傳輸方式帶來的缺陷。同時，網絡組建還要考慮導航設備位置對建立通訊網絡的影響[9]。由于上述三種通訊技術己經相當成熟，所以組建的自由度很大，可以根據不同的船舶，不同的設備類型以及不同的協議要求對網絡進行適當的組建。

3.2 通信網絡的體系結構設計

圖1 船舶導航系統通信網絡體系結構圖

由于傳統單一的通訊方式存在著缺陷，又因為串口、CAN總線和以太網相結合的方式能方便有效地彌補上述的不足[3]，因此確定了這種多元化的通訊方案。如圖1所示，是現代船舶導航系統通信網絡體系結構圖。的部分。CAN控制器就是扮演這個角色，CAN控制器是以一塊可編程芯片上邏輯電路的組合來完成實現這些功能，對外提供了與微處理器物理線路的接口。如圖3所示，接口電路主要由四部分組成[10]：控制器AT89C52、CAN控制器SJA1000、CAN總線驅動器82C250和高速光電隔離6N137。微處理器負責SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實現數據的接受和發送等任務。

圖2 導航系統網絡通信結構組成示意圖

為了增強CAN節點的抗干擾能力，SJA1000的TXO和RXO并不是直接與82C250的TXD和RXD相連接而是通過高速光耦6N137與82C250相連，這樣就很好地實現了總線上各CAN節點的電器隔離。

圖3 CAN總線接口電路示意圖

如圖1所示，綜導顯控臺與各導航設備之間的通訊方式發生了變化，在原來的多串口卡的基礎上，還增加了CAN通訊卡來實現CAN總線的通訊，為了保證在局部故障或受損時，全系統不至于癱瘓失效，CAN總線導航信息通訊網絡采用雙環形冗余結構設計。但我們也不能完全廢除串行口通訊，對某些信息相對獨立的設備，也可以保留原有的RS－422A通訊。

3.3 系統組成

導航系統從串口到CAN網絡的改進必須是整個導航系統同時進行的，各種導航設備和綜合導航顯控臺的接口都必須從串口升級成CAN，從而能形成統一的CAN網絡。在早些時間提出的方案中，提出先完成綜導顯控臺的CAN網絡化改造，而其他導航設備還是用原有的串口通訊，那么在與綜合導航顯控臺的通訊中還必須加上中間一個環節，那就是實現串口和CAN的相互轉換。這樣的改造并不徹底：1）沒有改變綜導顯控臺與各導航設備之間連線相對復雜的問題。2）沒有改變各導航系統之間信息不能互享的局面。3）由于加了CAN與RS－422A信號之間的轉換模塊，使綜導顯控臺內的信號流程更加復雜，降低了系統的可靠性。4）不能為今后的改造帶來方便。

綜合考慮了上述情況，為了使艦船導航系統通訊可靠性得以提高，提出下面的網絡系統結構示意圖。具體如圖2所示。

4 現代導航系統網絡通信系統關鍵技術研究

4.1 CAN總線通信接口電路設計

在網絡的層次結構中，數據鏈路層和物理層是保證通信質量至關重要、不可缺少的部分，也是網絡協議中最復雜

4.2 以太網通信接口電路設計

為了實現采用以太網卡通信的導航設備能夠將數據信息接入通信網絡傳輸到綜導臺，需要為以太網卡設計通信接口電路。出于簡化電路設計和降低成本的考慮，這里選用RTL8019AS以太網通信接口芯片，電路設計框圖如圖4所示。

圖4 以太網通信接口電路示意圖

采用10BASE－T布線標準通過雙絞線進行以太網通訊，而RTL8019AS內置10BASE－T收發器，所以網絡接口電路比較簡單，外接一個隔離濾波器，TPIN±為接收線，TPOUT±為發送線，經隔離后分別與RJ－45接口的RX±、TX±端相連。時鐘電路通過Tl、T2接一個20MHz晶振以及兩個電容，實現全雙工通訊。

4.3 通信網絡的可靠性設計

冗余是指系統或設備中具有多一種手段執行同一種規定功能的能力。設置冗余可提高系統的可靠性，但同時又增加了系統的復雜性、重量和體積。工程經驗認為：采用成熟設計的冗余技術是實現高可靠性的有效途徑。

在本論文中，為了提高整個網絡系統的可靠性，采用了兩套完全一樣的總線拓撲結構，使用兩臺計算機（監控計算機A和監控計算機B）來監控兩個網絡（A路和B路）。它們的配置方式完全相同，都通過CAN接口與CAN網絡A和CAN網絡B相連，實時監測各導航設備和兩條網絡的工作狀態。兩臺監控計算機之間使用以太網來進行通訊。CAN總線上各個節點的接口均采用冗余設計，即采用兩個CAN控制器接口分別與兩個總線相連。兩路CAN總線結構互相冗余備份，當其中一路發生故障，節點設備可以通過另一路繼續通訊，可以避免因某個CAN接口或線路發生故障對網絡系統的影響。通過切換電路來顯示正常工作的CAN總線網絡上的信息。從而實現了網絡的冗余設計。

5 結語

根據傳統通訊技術的特點，分析其不足，提出了用CAN總線結合串口、以太網絡代替傳統的單一串口通訊技術，并對通訊網絡的組建進行了設計說明，給出完成綜合導航顯控臺網絡通信硬件結構的設計方案，并完成了相關關鍵技術的設計，對于提高現代船舶導航系統網絡通信技術水平具有一定的理論和實踐指導意義。

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