船舶導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計(jì)研究院 武漢 430064）

1 引言

隨著海軍艦船技術(shù)的不斷發(fā)展，各艦船裝備進(jìn)行著大規(guī)模的改進(jìn)和創(chuàng)新，以提高艦船的戰(zhàn)斗力。艦船導(dǎo)航系統(tǒng)作為艦船的千里眼和順風(fēng)耳，不僅要求提供準(zhǔn)確的船位信息，而且要求與武器裝備、測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合，提供武器發(fā)射的精確位置和落點(diǎn)測(cè)量等各種數(shù)據(jù)，是艦船航行和作戰(zhàn)的重要保證[1～3]。因此，導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部和各系統(tǒng)間信息傳輸技術(shù)的改進(jìn)是整個(gè)系統(tǒng)升級(jí)中的重要一環(huán)。

當(dāng)前的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)合不同特點(diǎn)的導(dǎo)航設(shè)備和導(dǎo)航方法的復(fù)雜系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)多種導(dǎo)航信息進(jìn)行綜合處理，來(lái)提高系統(tǒng)性能的導(dǎo)航系統(tǒng)，其涉及到各導(dǎo)航信息源許多設(shè)備的相關(guān)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、顯示技術(shù)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等理論[4～5]。為此，有必要對(duì)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的快速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展。

2 傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

在傳統(tǒng)的艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中，各導(dǎo)航設(shè)備間普遍采用EIARS－422A接口通訊標(biāo)準(zhǔn)，使用NMEA－0183碼或二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式進(jìn)行通訊。RS－422A采用平衡輸出的發(fā)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(hào)線，兩根信號(hào)輸出線，兩根信號(hào)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(duì)通訊線路產(chǎn)生的干擾減至最小。采用普通雙絞線時(shí)，RS－422A可在1200m范圍內(nèi)以38.4Kbit／s的波特率進(jìn)行通訊。在短距離（200m范圍內(nèi)），RS－422A的線路可以輕易達(dá)到200Kbit／s以上的波特率[6]。因此這種接口電路被廣泛地應(yīng)用在艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中。

雖然使用傳統(tǒng)的串行口（RS－422A）進(jìn)行通訊，具有連接形式簡(jiǎn)單、通訊距離遠(yuǎn)、信息傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于串行通訊是逐位進(jìn)行傳送的，故傳輸速度較慢；并且，它采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式，當(dāng)各導(dǎo)航設(shè)備間的連接關(guān)系復(fù)雜時(shí)，設(shè)備間的走線也就變得更為復(fù)雜。目前，隨著艦船信息化程度的提高，各設(shè)備、各系統(tǒng)間的信息通訊越來(lái)越頻繁，信息量越來(lái)越大，使用傳統(tǒng)單一的串行口進(jìn)行通訊己經(jīng)不能滿(mǎn)足導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的要求。

3 現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)研究

3.1 通信網(wǎng)絡(luò)方案的確定

使用RS－422A標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口連線形式簡(jiǎn)單，通訊距離相對(duì)較遠(yuǎn)，適合那些位置、信息相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備；而使用CAN總線可以比較方便地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，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(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)各報(bào)文相互沖突的問(wèn)題，保障了CAN總線網(wǎng)絡(luò)上信息傳遞的可靠性[7～8]。CAN總線網(wǎng)絡(luò)屬于底層控制網(wǎng)絡(luò)，程序可操作性強(qiáng)；另一方面，加上目前流行的以太網(wǎng)技術(shù)，提出一種集串口、CAN總線和以太網(wǎng)技術(shù)于一體的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，來(lái)解決單一傳輸方式帶來(lái)的缺陷。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)組建還要考慮導(dǎo)航設(shè)備位置對(duì)建立通訊網(wǎng)絡(luò)的影響[9]。由于上述三種通訊技術(shù)己經(jīng)相當(dāng)成熟，所以組建的自由度很大，可以根據(jù)不同的船舶，不同的設(shè)備類(lèi)型以及不同的協(xié)議要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M建。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 船舶導(dǎo)航系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

由于傳統(tǒng)單一的通訊方式存在著缺陷，又因?yàn)榇?、CAN總線和以太網(wǎng)相結(jié)合的方式能方便有效地彌補(bǔ)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(xiàn)代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖。的部分。CAN控制器就是扮演這個(gè)角色，CAN控制器是以一塊可編程芯片上邏輯電路的組合來(lái)完成實(shí)現(xiàn)這些功能，對(duì)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(qū)動(dòng)器82C250和高速光電隔離6N137。微處理器負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送等任務(wù)。

圖2 導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)組成示意圖

為了增強(qiáng)CAN節(jié)點(diǎn)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(guò)高速光耦6N137與82C250相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)的電器隔離。

圖3 CAN總線接口電路示意圖

如圖1所示，綜導(dǎo)顯控臺(tái)與各導(dǎo)航設(shè)備之間的通訊方式發(fā)生了變化，在原來(lái)的多串口卡的基礎(chǔ)上，還增加了CAN通訊卡來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線的通訊，為了保證在局部故障或受損時(shí)，全系統(tǒng)不至于癱瘓失效，CAN總線導(dǎo)航信息通訊網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但我們也不能完全廢除串行口通訊，對(duì)某些信息相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備，也可以保留原有的RS－422A通訊。

3.3 系統(tǒng)組成

導(dǎo)航系統(tǒng)從串口到CAN網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)必須是整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行的，各種導(dǎo)航設(shè)備和綜合導(dǎo)航顯控臺(tái)的接口都必須從串口升級(jí)成CAN，從而能形成統(tǒng)一的CAN網(wǎng)絡(luò)。在早些時(shí)間提出的方案中，提出先完成綜導(dǎo)顯控臺(tái)的CAN網(wǎng)絡(luò)化改造，而其他導(dǎo)航設(shè)備還是用原有的串口通訊，那么在與綜合導(dǎo)航顯控臺(tái)的通訊中還必須加上中間一個(gè)環(huán)節(jié)，那就是實(shí)現(xiàn)串口和CAN的相互轉(zhuǎn)換。這樣的改造并不徹底：1）沒(méi)有改變綜導(dǎo)顯控臺(tái)與各導(dǎo)航設(shè)備之間連線相對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題。2）沒(méi)有改變各導(dǎo)航系統(tǒng)之間信息不能互享的局面。3）由于加了CAN與RS－422A信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換模塊，使綜導(dǎo)顯控臺(tái)內(nèi)的信號(hào)流程更加復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的可靠性。4）不能為今后的改造帶來(lái)方便。

綜合考慮了上述情況，為了使艦船導(dǎo)航系統(tǒng)通訊可靠性得以提高，提出下面的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。具體如圖2所示。

4 現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 CAN總線通信接口電路設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層是保證通信質(zhì)量至關(guān)重要、不可缺少的部分，也是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中最復(fù)雜

4.2 以太網(wǎng)通信接口電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)采用以太網(wǎng)卡通信的導(dǎo)航設(shè)備能夠?qū)?shù)據(jù)信息接入通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄C導(dǎo)臺(tái)，需要為以太網(wǎng)卡設(shè)計(jì)通信接口電路。出于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和降低成本的考慮，這里選用RTL8019AS以太網(wǎng)通信接口芯片，電路設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)通信接口電路示意圖

采用10BASE－T布線標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，而RTL8019AS內(nèi)置10BASE－T收發(fā)器，所以網(wǎng)絡(luò)接口電路比較簡(jiǎn)單，外接一個(gè)隔離濾波器，TPIN±為接收線，TPOUT±為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分別與RJ－45接口的RX±、TX±端相連。時(shí)鐘電路通過(guò)Tl、T2接一個(gè)20MHz晶振以及兩個(gè)電容，實(shí)現(xiàn)全雙工通訊。

4.3 通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性設(shè)計(jì)

冗余是指系統(tǒng)或設(shè)備中具有多一種手段執(zhí)行同一種規(guī)定功能的能力。設(shè)置冗余可提高系統(tǒng)的可靠性，但同時(shí)又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、重量和體積。工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：采用成熟設(shè)計(jì)的冗余技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高可靠性的有效途徑。

在本論文中，為了提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性，采用了兩套完全一樣的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)（監(jiān)控計(jì)算機(jī)A和監(jiān)控計(jì)算機(jī)B）來(lái)監(jiān)控兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)（A路和B路）。它們的配置方式完全相同，都通過(guò)CAN接口與CAN網(wǎng)絡(luò)A和CAN網(wǎng)絡(luò)B相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各導(dǎo)航設(shè)備和兩條網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間使用以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行通訊。CAN總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的接口均采用冗余設(shè)計(jì)，即采用兩個(gè)CAN控制器接口分別與兩個(gè)總線相連。兩路CAN總線結(jié)構(gòu)互相冗余備份，當(dāng)其中一路發(fā)生故障，節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以通過(guò)另一路繼續(xù)通訊，可以避免因某個(gè)CAN接口或線路發(fā)生故障對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響。通過(guò)切換電路來(lái)顯示正常工作的CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的信息。從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)傳統(tǒng)通訊技術(shù)的特點(diǎn)，分析其不足，提出了用CAN總線結(jié)合串口、以太網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一串口通訊技術(shù)，并對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)的組建進(jìn)行了設(shè)計(jì)說(shuō)明，給出完成綜合導(dǎo)航顯控臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通信硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并完成了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)于提高現(xiàn)代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)水平具有一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

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