嵌入式船舶網絡綜合網關的設計

白艷祥，趙　旭，沈文淵

（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

嵌入式船舶網絡綜合網關的設計

白艷祥，趙旭，沈文淵

（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

為滿足船舶綜合信息平臺對全船各子系統或設備網絡互聯的需求，針對某型船網絡結構，基于W7100A 網絡微處理器 + CAN 控制器 SJA1000，設計船舶網絡綜合網關，給出具體的軟硬件設計方法。移植μC/OS-II嵌入式操作系統，使數據傳輸具有很高的實時性，實現船舶以太網、CAN和RS485 三種網絡的互聯及數據的共享，該網關全部采用雙冗余的網絡結構，具備很高的可靠性。

船舶綜合信息平臺；網關；嵌入式；以太網

0　引　言

電子技術、計算機技術、網絡技術在船舶中的廣泛應用，加快了船舶自動化的進程，船舶自動化系統正在向船舶信息集成化方向發展—船舶綜合信息平臺管理系統（IPMS）［1］。船舶主推進系統、電站及電能管理系統、輔機系統、損管系統、船橋系統或設備都實現了智能化，但是不同的系統采用的組網方式不同，數據傳輸格式與協議不同，各系統間具有獨立性，無法實現全船聯網與數據共享［2］。船舶集成平臺管理系統中上層網傳輸數據量大，一般采用以太網，現場層數據傳輸實時性要好，一般采用現場總線網或RS485 串口網絡，本文針對某型船，開發 Ethernet、CAN 現場總線及 RS485 串口綜合網關，實現了 3種網絡的聯網，采用嵌入式系統保證數據的實時性，CAN網絡和以太網分別采用雙冗余設計，保證了系統的可靠性，滿足船舶各系統及船舶集成平臺間的網絡互連，實現數據共享的要求［3］。

1　船舶綜合信息平臺網絡結構及工作原理

圖1為某型船綜合信息平臺網絡結構圖。主要包括系統或設備通信節點、Ethernet、CAN 總線、RS485串行總線和船舶網絡綜合網關。系統或設備通信節點包括船舶主推進系統、AIS 自動識別系統、視屏監控系統、主推進系統、模擬操作系統、船橋系統等，所有設備通信節點通過 Ethernet、CAN 總線或 RS485 串行總線掛接到船舶網絡綜合網關上［4］。船舶網絡綜合網關實現不同設備通信節點的協議轉換與通訊連接，將船舶所有系統連接到統一的平臺之上，實現了全船網絡信息共享，使各系統協調配合工作，加強了船舶自身的安全性能。

圖1　船舶綜合信息平臺網絡結構圖Fig. 1　Network structure of IPMS

2　船舶網絡綜合網關接口方案設計

船舶網絡綜合網關硬件結構如圖2所示。主要包括以太網接口電路、CAN 接口電路及 RS485 接口電路。各接口電路均采取了相應的隔離與保護措施［5］。

圖2　船舶網絡綜合網關結構圖Fig. 2　The hardware block diagram of gateway

1）以太網接口電路。采用含有以太網控制器的微處理器 + 網絡變壓器 + RJ45 的形式，W7100A 網絡微處理器內嵌全硬件的 TCP/IP 協議棧，支持 TCP，UDP等硬件協議，內部集成 PHY 物理接口收發器，設計中只需要通過帶網絡變壓器的 RJ45 接口便可以與 10/100 M以太網連接。

2）CAN 接口電路。采用雙冗余的 CAN 總線結構，具體方案為：采用 2 套總線控制器 SJA1000和CAN 收發器 82C250。正常工作時，2 套控制器的初始化設置完全一致，兩路上傳送相同的數據，當一路出現故障時，另外一路能正常傳送數據，不影響正常的通信，同時 CPU 對故障總線的控制器重新進行初始化，使其恢復正常。

3）RS485 接口電路。RS485 收發器選用MAX3485，硬件電路設計中采用了瞬態抑制二極管進行過壓保護。

3　船舶網絡綜合網關軟件設計

為提高數據傳輸的實時性，如圖3所示，整個軟件系統基于嵌入式操作系統 μC/OS-II 利用 C 語言進行開發，主要包括各接口的硬件驅動及協議轉換程序。由于移植了多任務嵌入式操作系統μC/OS-II，程序設計時只需將協議轉換程序劃分為幾個任務然后分別編寫實現代碼即可，簡化了開發流程，便于程序維護。在μC/OS-II 系統滴答函數 OSTimeTick（）中調用了時鐘節拍鉤子函數 OSTimTickHook（），用來實現網關模塊的運行狀態指示，若運行指示燈不閃爍表明網關死機［6］。

圖3　船舶網絡綜合網關軟件架構Fig. 3　The software architecture of gateway

3.1各通信接口驅動程序設計

1）以太網接口驅動程序設計

由于 W7100A 網絡微處理器內嵌了全硬件的TCP/IP 協議棧，并且支持 UDP和TCP 兩種工作方式，數據通信的出棧和進棧以及以太網幀的封裝和解包等以太網數據處理過程全都在硬件 TCP/IP 協議棧中完成。故在該部分程序的設計中不需要 TCP/IP 協議集代碼的編寫，只需要進行比較簡單的網絡端口（Socket）編程即可。本系統數據傳輸的實時性要求較高，故采用的是 UDP 通信方式。

2）CAN 接口驅動程序設計

CAN 通信程序主要包括：初始化程序、CAN 數據發送程序及CAN 數據接收程序幾部分。初始化程序主要完成波特率的設置、控制器 CAN 模式的選擇、中斷的開啟及配置驗收濾波器等。CAN 控制器 SJA1000 會自動完成 CAN 數據報幀的封裝與拆包，用戶編寫的收發程序只需完成對 SJA1000 數據寄存器的讀寫。

3）RS485 接口驅動程序設計。

RS485 數據收發程序實質上是微處理器 UART 的數據收發。串口驅動程序主要包括串口初始化和串口收發程序。初始化程序主要完成串口的通訊波特率、停止位、校驗位及收發中斷等參數的配置。串口收發程序采用中斷的方式完成，即在串口中斷服務程序中完成函數的收發，對數據緩沖區的讀寫。

3.2協議轉換程序任務劃分及任務之間的通信與同步設計

各通信接口的驅動程序已經實現了各總線數據幀的收發功能。在協議轉換程序開發中主要完成的是數據的讀寫和幀格式的轉換。如圖4為協議轉換程序流程圖，劃分了 CanData_T_Task、TCPData_T_Task和URTData_T_Task 三個協議轉換與發送任務，分別將接收到的數據封裝成 CAN 報文、以太網幀和串口數據幀格式并將其發送出去，各接口數據的接收全部在各自的中斷服務程序中完成。此外，還設計了一個網關模塊的以太網參數配置任務 SetPrameter_Task，用于配置IP 地址，端口號及 MAC 地址等參數。系統的起始任務 Gateway_Start_Task 主要是完成上述幀格式封裝與發送任務以及以太網參數配置任務的創建與激活、W7100A 初始化、各通信接口的參數配置以及系統節拍的開啟。起始任務完成上述工作后便調用任務掛起函數 OSTaskSuspend（OS_PRIO_SELF）將自身掛起不再運行［7］。

圖4　協議轉換任務流程圖Fig. 4　The flow chart of protocol conversion task

任務設計中將 CanData_T_Task 優先級設為最高為3，其次 TCPData_T_Task 優先級為4，最后URTData_T_Task 優先級為5。系統的起始任務優先級為0，運行后將自身掛起進入睡眠狀態不再運行。

任務設計中使用了信號量進行中斷程序與任務之間的同步與通信。數據轉發任務同步機制如圖5所示。定義數據的第一字節標志數據流向。例如當接收以太網 UDP 數據報時，00 表示接收到的是以太網參數配置命令，此時調用函數 OSSemPost（）發送信號量SetPrameter_sem，以太網參數配置任務使用 OSSem-Pend（）獲得信號量 SetPrameter_sem 后被喚醒，執行參數配置程序；FF 表示要將以太網數據發送到 CAN總線，此時將有效的以太網數據寫入數據緩沖區，并發送信號量 CanTx_sem，同樣 CAN 數據幀封裝與轉換任務被喚醒，將以太網數據幀封裝成 CAN 數據報并發送到 CAN 總線上。

3.3船舶網絡綜合網關通信協議設計

船舶網絡綜合網關通信協議設計主要是基于應用層的協議設計，CAN、Ethernet和RS485 采用統一的協議格式。CAN 協議采用 2.0B 版本的 29位標識符的擴展幀格式，加上 3位標識符正好為4個字節，再加上CAN 標準協議格式中的 8個數據字節正好為12個字節（見表1），各通信方式均采用 12個有效字節。其中第 1個字節標志數據要傳輸到何種網絡（11 代表RS485，FF 代表 CAN 總線，F1 代表以太網），第 2 字節為設備或系統標識碼，第 3～12 字節為具體的數據。

4　船舶網絡綜合網關以太網冗余設計

船舶網絡綜合網關具有以太網冗余功能，使用該設備構建的網絡具有很高的可靠性和自愈能力［8］。

要實現以太網冗余，需要 2個或 2個以上的網關模塊配合使用，并且都工作在 UDP 工作模式下，其他網絡參數設置要保持完全相同。綜合網關通過控制其內部繼電器的開啟和閉合來控制后續設備的上電和下電，最終實現以太網的冗余。要使用網關模塊的以太網冗余功能，需要按照圖6所示的連接方式供電。

以太網冗余功能的實現流程如圖7所示，給系統上電后，默認情況下網關模塊會打開開關（繼電器），防止對后續的模塊供電，隨后綜合網關就開始自動檢測網絡是否連接正常，如果檢測到網絡連接正常，就會維持繼電器的打開狀態，不對后續的模塊供電。否則就會閉合繼電器，對后續的模塊供電，啟用后續的模塊。同時，還會定期檢測網絡連接是否恢復，如果網絡恢復連接，就打開繼電器，切斷后續模塊的電源，啟用本設備。

圖5　協議轉換任務同步機制流程圖Fig. 5　The flow chart of task synchronization mechanism

表1　通信協議解析表Tab. 1　The communication protocol analysis table

圖6　以太網冗余原理圖Fig. 6　The schematic diagram of Ethernet redundancy

圖7　冗余以太網工作流程圖Fig. 7　The flow chart of redundant Ethernet

5　結　語

隨著船舶自動化技術的不斷進步，船舶自動化產品進一步向數字化與網絡化發展，構造網絡集成的船舶綜合信息平臺己成為一種必然趨勢，實現船舶所有系統網絡化及信息共享是現代船舶網絡發展的需要。本文針對某型船網絡結構形式，采用嵌入式 W7100A網絡微處理器 + SJA1000CAN 控制器形式，基于μC/OS-II 嵌入式操作系統的方案開發的以太網、CAN與串口協議轉換器在某型船的應用能夠實現 3種網絡的互連，實現船舶各系統或設備之間數據共享，具有很高的實時性，雙冗余的網絡結構確保了綜合信息平臺的可靠性。

［1］任悅琴， 徐慧. 艦船綜合平臺管理系統［J］. 艦船科學技術，2005， 27（6）： 105-108. REN Yue-qin， XU Hui. Development of integrated platform management system［J］. Ship Science and Technology， 2005，27（6）： 105-108.

［2］夏學知， 吳向軍， 張子鶴. 船舶一體化網絡系統技術研究［J］.船舶工程， 2005， 27（2）： 54-57. XIA Xue-zhi， WU Xiang-jun， ZHANG Zi-he. Research on ship borne integrated network system［J］. Ship Engineering， 2005，27（2）： 54-57.

［3］周震， 雷志廣. 基于Ethernet的冗余CAN總線協議轉換器設計［J］. 計算機技術與發展， 2013， 23（3）： 249-253. ZHOU Zhen， LEI Zhi-guang. Design of CAN Bus protocol convertor based on Ethernet［J］. Computer Technology and Development， 2013， 23（3）： 249-253.

［4］馮亮. 信息技術下的艦船動力設備綜合性能研究［J］. 艦船科學技術， 2014， 36（12）： 62-65. FENG Liang. Research of control strategy for source converter in integrated ship power system［J］. Ship Science and Technology， 2014， 36（12）： 62-65.

［5］吳向軍. 艦船綜合平臺管理系統網絡通信與集成技術研究［J］.艦船電子工程， 2005， 25（5）： 47-51. WU Xiang-jun. Researches on network and integration technology of ship's integrated platform management system［J］. Ship Electronic Engineering， 2005， 25（5）： 47-51.

［6］段新， 褚健， 施一明. 船舶綜合數字信息系統研究與探討［J］.中國造船， 2010， 51（1）： 183-190. DUAN Xin， CHU Jian， SHI Yi-ming. Research and discussion on integrated digital information system for ship［J］. Shipbuilding of China， 2010， 51（1）： 183-190.

［7］萬軍， 陳凱華. 船舶導航信息系統接口設計［J］. 艦船科學技術，2015， 37（1）： 204-208. WAN Jun， CHEN Kai-hua. Research and design of interface in marine navigation information system［J］. Ship Science and Technology， 2015， 37（1）： 204-208.

［8］趙德福. 基于云計算的船舶動態監控系統設計［J］. 艦船科學技術， 2014， 36（12）： 120-123. ZHAO De-fu. Ship dynamic monitoring system design based on cloud computing［J］. Ship Science and Technology， 2014，36（12）： 120-123.

Design of embedded ship integrated network gateway

BAI Yan-xiang， ZHAO Xu， SHEN Wen-yuan
（The 704 Research Institute of CSIC. Shanghai 200031， China）

In this paper， a marine network protocol converter based on W7100A is designed to meet the demand of the Integrated Platform Management System for each subsystem or device internetworking. Ethernet， CAN and RS485 protocol conversion is realized. The hardware design and software program design of related interfaces are described. The μC/OS-II embedded operating system is successfully transplanted and this can achieve the high real-time transmission of field data. The design achieves interconnection of the three networks and data sharing. The protocol converter uses dual-redundant network structure with very high reliability.

ship's integrated platform management system；gateway；embedded system；ethernet

U665.261

A

1672-7619（2016）09-0096-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.019

2016-03-22；

2016-04-20

白艷祥（1989-），男，助理工程師，主要從事特種推進器和動力系統集成設計。