基于嵌入式CAN 網關的船舶集成平臺系統開發

鄧 威，沈守強

(1.黃河科技學院 應用技術學院，河南 鄭州 450063；2.北京信息科技大學 理學院，北京 100192)

0 引 言

隨著船舶信息化、智能化的發展，船舶內部自動化設備數量越來越多，為了加強船舶內部設備的監管水平，提高不同系統和模塊之間的信息傳遞能力，設計和開發船舶集成平臺系統成為一項研究熱點。船舶集成平臺系統通過對船舶信息的管理、船舶位置的跟蹤、船舶通信的實現、船舶安全的監控和船舶運營的管理，提高了船舶運營的效率和安全性，具有非常大的應用潛力。

船舶平臺系統的關鍵是信息網絡的建設，本文重點介紹一種基于嵌入式CAN 總線的信息網絡，分別從CAN 總線計算的原理、CAN 網關設計與開發以及船舶集成平臺系統的開發等方面進行詳細研究。

1 CAN 現場總線技術研究

CAN 總線網絡具有數據傳輸速度快、穩定性好等優點，CAN 總線網絡通常由CPU、CAN 控制器、CAN 收發器、節點、數據總線等組成，如圖1 所示。

圖1 CAN 總線網絡的構成原理圖Fig.1 Schematic diagram of the composition of the CAN bus network

CAN 傳輸總線的關鍵特性包括：

1）CAN 數據幀特點

CAN 總線使用數據幀來實現數據的高速傳輸，數據幀的詳細格式包括起始位、標識符、控制位、數據位和CRC 校驗位等字段。其中，起始位用于同步數據傳輸，標識符用于區分不同的數據幀，控制位用于控制數據傳輸的流程，數據位用于存儲實際的數據，CRC 校驗位用于檢測CAN 數據的完整性。

2）信息的確認機制

CAN 總線采用一種確認機制來保證數據的可靠傳輸，每當一個節點發送數據幀后，其他節點會對數據幀進行檢測和確認。如果數據幀被正確接收，接收節點會發送一個確認幀給發送節點，表示數據接收成功。如果數據幀發生錯誤，接收節點會發送一個錯誤幀給發送節點，表示數據接收失敗。

3）CAN 的仲裁機制

當多個節點同時發送數據幀時，CAN 總線使用仲裁機制來確定哪個節點可以繼續發送數據，哪個節點需要終止發送數據。仲裁機制基于標識符的優先級，優先級越高的節點可以繼續發送數據，優先級較低的節點需要等待。

2 基于嵌入式的船舶 CAN 網關設計（一級）

2.1 測試

網關是CAN 通信網絡中實現互聯互通的樞紐結構，也可以用于2 個具有不同協議的網絡互連，當網絡的通信協議不同、數據形式和體系均不同時，網關可以作為翻譯器搭建起2 種系統。

在設計船舶集成平臺的CAN 網絡時，本文采用的網關控制器為MCP2510。

MCP2510 主要由4 個部分組成：

1）CAN 控制器

MCP2510 的核心部分是CAN 控制器，它負責處理CAN 總線的通信協議。CAN 控制器具有接收和發送CAN 幀的功能，并提供了一些配置選項，如過濾器和屏蔽器，以過濾和篩選接收到的CAN 幀。

2）SPI 接口

MCP2510 通過SPI（串行外設接口）與主控器連接。SPI 接口提供了與主控器之間的通信通道，通過SPI 接口，主控器可以向MCP2510 發送命令和配置信息，以及接收來自MCP2510 的狀態和數據。

3）控制和配置寄存器

MCP2510 還包含一組控制和配置寄存器，用于存儲和管理CAN 控制器的狀態和配置信息。主控器可以通過SPI 接口訪問這些寄存器，以讀取和寫入相關的控制和配置信息，從而控制和配置MCP2510 的行為。

4）CAN 協議引擎

其主要作用是處理總線上的報文發送和接收邏輯，當CAN 總線的數據發送時，CAN 協議引擎首先將數據存儲在報文緩沖器和控制寄存器中，如圖2 所示，網關控制器MCP2510 共有3 個發送緩沖區，2 個接收緩沖區、6 個濾波寄存器，還包括協議機和控制邏輯引腳。

圖2 網關控制器MCP2510 原理圖Fig.2 Schematic diagram of gateway controller MCP2510

2.2 基于嵌入式的 CAN 網關硬件結構設計

基于嵌入式ARM 技術，設計了船舶集成平臺的CAN 網關，其硬件構成如圖3 所示。

圖3 基于嵌入式ARM 的CAN 網關硬件構成Fig.3 Hardware composition of CAN gateway based on embedded ARM

基于嵌入式ARM 的CAN 網關硬件核心是嵌入式處理器ARM S3C45B，該微控制器由韓國Samsung 公司研發，是一種高性價比16/32 位微控制器，ARM S3C45B 微控制器的主要特性[1]為：

1）處理器核心。ARM7TDMI-S，采用RISC 架構。它具有16/32 位指令集，可執行高性能的32 位運算，并支持長指令和thumb 指令集模式。

2）主頻和存儲。ARM S3C45B 的主頻通常在幾十兆赫茲到數百兆赫茲之間，具體取決于系統設計。ARM 通常集成了片上存儲器，包括快速的閃存和SRAM，可用于存儲程序代碼和數據。

3）外設接口。ARM S3C45B 具有多個外設接口，包括UART（通用異步收發器）、SPI（串行外設接口）、I2C（串行通信接口）和USB（通用串行總線）。這些接口可以用于與其他外部設備進行通信和數據交換。

4）定時器和計數器。該微控制器還包含多個定時器和計數器通道，可用于測量時間、進行定時操作和產生精確的時間基準。

5）ADC 和DAC。ARM S3C45B 集成了模數轉換器（ADC）和數字模數轉換器（DAC）[2]，可以用于模擬信號的輸入和輸出。

6）電源管理。該微控制器具有多個電源管理功能，包括低功耗模式和電源管理單元（PMU），可以在系統的不同工作模式之間實現有效的功耗管理。

第二，以市、縣、鄉、村示范戶相結合的農業技術推廣服務網絡體系逐漸成熟。隨著各級農科推廣服務組織的健全，農業技術推廣服務組織市場化程度越來越高，在落實穩定市一級、完善縣一級、強化鄉一級、延伸村一級的政策引導下，圍繞服務對象和主導產業，積極開展技術推廣工作，完善服務體系，進一步增強發展活力，實現多功能、高效能建設。

基于嵌入式ARM 的CAN 網關參數如表1 所示。

表1 基于嵌入式ARM 的CAN 網關參數表Tab.1 Parameter table of CAN gateway based on embedded ARM

針對船舶集成平臺的CAN 網關數據噪聲問題，本文采用高斯低通濾波器降低信號中的噪聲分量，其模型如下：

式中，B為通信的帶寬。

高斯低通濾波器響應特性方程為：

3 基于嵌入式CAN 網關的船舶集成平臺系統開發

3.1 船舶集成平臺系統的整體設計

船舶集成平臺系統作為船舶信息的樞紐，需要具備采集、分析、處理和轉發船舶自動化設備數據的功能，同時，集成平臺也需要建立大型數據庫，存儲和管理船舶日常的各種通信、導航數據，實現全船數據共享，提高船舶的信息化和監控水平[3]。

集成平臺位于船舶集控室和駕控室內，通過CAN 總線與船舶主機、服務器、網關等連接，圖4 為基于嵌入式CAN 的船舶集成平臺系統原理圖。

圖4 基于嵌入式CAN 的船舶集成平臺系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of ship integrated platform system based on embedded CAN

1）集成性。該系統能夠集成各種船舶管理功能，如船舶位置監控、航行路線規劃、船舶維護保養等，實現全面的船舶管理。

2）實時性。該系統能夠實時監控船舶的位置和狀態，及時獲取船舶的相關信息，實現對船舶的實時管理和監控。

3）自動化。該系統能夠自動化處理船舶管理流程，減少人工操作，提高工作效率。

4）數據分析。該系統能夠對船舶數據進行分析，提供數據報表和統計分析，幫助管理者更好地了解船舶運營情況，做出決策。

5）安全性。該系統能夠確保船舶的安全，包括防止船舶被非法入侵、及時發現船舶故障等。

6）環保性。該系統能夠監測船舶的排放情況，提供環保指標，幫助管理者監控和改善船舶的環境影響。

7）統一管理。該系統能夠統一管理多艘船舶，集中管理船舶的各項信息和操作，提高管理效率。

8）可擴展性。該系統具有良好的可擴展性，可以根據實際需要進行功能擴展和定制化開發，滿足不同船舶管理需求。

3.2 基于嵌入式CAN 的船舶集成平臺數據庫設計

考慮到集成平臺系統船舶監控數據信息查詢和響應的快速性需求，采用Apache Solr 數據庫索引服務器實現數據的管理。

Apache Solr 是一個開源的搜索平臺，具有高效、可擴展、分布式的搜索和數據分析功能[4]，其特點包括：

1）Apache Solr 使用了倒排索引的數據結構，可以快速地檢索和分析大規模的文本數據。它支持復雜的查詢語法和過濾器，可以進行全文搜索、排序、分組、過濾、統計等操作。

2）Apache Solr 提供了豐富功能和插件，可以支持多種數據源和數據格式的索引和搜索。它可以與關系型數據庫、NoSQL 數據庫、文件系統等進行集成，并提供了RESTful API 和各種客戶端庫，方便開發者進行數據的索引和搜索。

3）Apache Solr 還支持分布式部署，可以橫向擴展以處理大規模的數據和請求。它提供了高可用性和容錯性的機制，可以自動進行數據的復制和故障恢復。

Apache Solr 可以用于構建全文搜索引擎、數據分析和實時搜索等應用，易于集成和使用，通過API 接口與外部環境相連接。

基于Apache Solr 數據庫的船舶集成平臺系統數據處理流程如圖5 所示，數據報文首先進入數據隊列和應用層服務端口，然后判斷是否為服務消息，如果是服務消息則進入應用層和管理層處理函數進行處理，最后輸出報文。

圖5 基于Apache Solr 數據庫的船舶集成平臺系統數據處理流程Fig.5 Data processing flow of ship integrated platform system based on Apache Solr database

3.3 基于嵌入式CAN 的船舶集成平臺軟件開發

基于嵌入式CAN 的船舶集成平臺軟件開發采用Socket 套接字編程技術，其包括服務層和客戶層2 個模塊[5]，通過數據接口連接，基本原理如圖6所示。

圖6 Socket 技術的基本原理如圖Fig.6 The basic principle of Socket technology is shown in the figure

4 結 語

嵌入式ARM 的CAN 網關技術在通信傳輸速度、集成度、可靠性等方面具有優越性，為了提高船舶通信、導航系統的性能，本文結合嵌入式ARM 的CAN網關技術開發了船舶的集成平臺系統，并從網關控制器開發、平臺硬件設計、軟件開發等方面進行研究，重點設計了系統的數據和軟件，系統具有較高的穩定性和可靠性。