王孜倬

（中海電信有限公司，上海 200090）

0 引 言

對(duì)于船舶而言，導(dǎo)航系統(tǒng)十分重要，不僅能夠幫助船舶進(jìn)一步明確行使方向，而且在海軍艦船的研究中也有著一定的實(shí)際價(jià)值。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，以提高戰(zhàn)斗力。艦船導(dǎo)航系統(tǒng)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。因此，當(dāng)前船舶導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)已經(jīng)成為了如何通過(guò)現(xiàn)代通信技術(shù)對(duì)多種信息進(jìn)行綜合處理和分析，旨在促進(jìn)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展。

1 傳統(tǒng)船舶導(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接口通信標(biāo)準(zhǔn)，使用NMEA-0183碼或二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式進(jìn)行通信。但是由于串行通信是逐位進(jìn)行傳送的，故傳輸速度較慢，在對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行探討的過(guò)程中，必須要做到明確傳統(tǒng)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際功能與其應(yīng)用價(jià)值，從而以此為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使其功能更加完善，更能夠滿(mǎn)足人們對(duì)船舶的需求。首先，傳統(tǒng)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)一般都是采取全雙工的通信方式，通過(guò)平衡輸出的發(fā)送器與差分輸入的接收器實(shí)現(xiàn)船舶中的通信，這也是當(dāng)前船舶通信的主要途徑之一，同時(shí)船舶導(dǎo)航通信系統(tǒng)所采取的接口也有一定的標(biāo)準(zhǔn)。而針對(duì)通信架構(gòu)，船舶系統(tǒng)中的信號(hào)線也有一定的要求，一般都是由兩根信號(hào)輸出線與兩根信號(hào)輸入線構(gòu)成，這4根信號(hào)線也是保證船舶正常通信的前提，如果信號(hào)線出現(xiàn)損毀，則會(huì)影響船舶的通信狀態(tài)。此外，為了進(jìn)一步保障船舶的通信狀態(tài)，使得船舶具有一定的通信能力，一般情況下，RS-422A線路不使用公共地線，這使得通信雙方由于地電位不同而對(duì)通信線路產(chǎn)生的干擾減至最小。采用普通雙絞線時(shí)，RS-422A可在1 200 m范圍內(nèi)以38.4 kb/s的波特率進(jìn)行通信，在短距離（200 m）范圍內(nèi)可以輕易達(dá)到200 kb/s以上的波特率，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。

使用傳統(tǒng)的串行口進(jìn)行通信不僅能夠保證通信安全，對(duì)于船舶通信設(shè)備的要求也較低，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)距離中的通信要求，但是由于串行通信逐位進(jìn)行傳送，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)間的信息通信越來(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)行通信已經(jīng)不能滿(mǎn)足導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的要求。

2 現(xiàn)代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)方案的確定

在船舶的通信網(wǎng)絡(luò)上，使用RS-422A線路端口有一定的優(yōu)勢(shì)，能夠進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的穩(wěn)定通信，適合位置、信息相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備；而CAN總線通信則能夠?qū)崿F(xiàn)多端口的通信，使得船舶的通信方式更加多元化，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)一通信、一對(duì)多通信，也能夠進(jìn)行全局通信。它所提供的非破壞性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[1]。由于上通信技術(shù)己經(jīng)相當(dāng)成熟，因此組建的自由度很大，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。

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

通過(guò)上述分析，由于傳統(tǒng)單一的通信方式存在著缺陷，又因?yàn)榇凇AN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，因此確定了這種多元化的通信方案[2]?，F(xiàn)代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在這種新型的船舶通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，不僅能夠通過(guò)串口卡實(shí)現(xiàn)單口通信對(duì)接，還增加了CAN通信卡來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線的通信。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)航信息通信網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但不能完全廢除串行口通信，對(duì)于某些信息相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備，也可以保留原有的RS-422A通信。

2.3 系統(tǒng)組成

首先，應(yīng)當(dāng)明確船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)整體，通信網(wǎng)絡(luò)是船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中的一個(gè)較為重要的分支，這也就要求在進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)化時(shí)，需要從整體的角度進(jìn)行考慮，保證導(dǎo)航系統(tǒng)能夠正常使用。即在對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的功能性得到保障[3]。例如，在將船舶的通信系統(tǒng)由串口改為CAN通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相應(yīng)的導(dǎo)航設(shè)備與端口都需要進(jìn)行更換，使其能夠適應(yīng)CAN通信網(wǎng)絡(luò)的需求，這也是進(jìn)行船舶導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題。在早些時(shí)間提出的方案中，提出在導(dǎo)航系統(tǒng)中增設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)換器，將實(shí)現(xiàn)串口與CAN的相互轉(zhuǎn)換，使得導(dǎo)航設(shè)備能夠與通信網(wǎng)絡(luò)相匹配，從而保障導(dǎo)航系統(tǒng)能夠發(fā)揮其功能。但從系統(tǒng)的功能優(yōu)化而言，這種優(yōu)化方案并不應(yīng)當(dāng)作為首選，其在系統(tǒng)的改進(jìn)上不夠徹底，從而導(dǎo)致船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)不能正常使用，影響導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性能，具體原因如下。第一，轉(zhuǎn)換器雖然能夠使得船舶以串口端口接收CAN通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，但并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)CAN通信網(wǎng)絡(luò)的功能，造成船舶之間的通信網(wǎng)絡(luò)依舊較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)問(wèn)題。而同時(shí)，這種方式也沒(méi)有改變當(dāng)前船舶通信網(wǎng)絡(luò)單向連接的現(xiàn)狀，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的信息共享，不利于船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。第二，沒(méi)有改變各導(dǎo)航系統(tǒng)之間信息不能互享的局面[2]。故本文也提出了具有一定可行性的船舶導(dǎo)航通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建方式，以此來(lái)保證船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性，具體如圖2所示。

圖2 船舶道行通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建

3 現(xiàn)代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究要點(diǎn)

3.1 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)是CAN總線在現(xiàn)代船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中得以應(yīng)用的重要前提之一，也是進(jìn)行船舶導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)化的前提?？茖W(xué)且完善的電路設(shè)計(jì)能夠保障CAN總線接口在船舶導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)中正常應(yīng)用，而這同時(shí)也是船舶通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)與難點(diǎn)。由于CAN總線接口的復(fù)雜性，使得在應(yīng)用了這一通信技術(shù)后，船舶的電路設(shè)計(jì)需要進(jìn)行一定的調(diào)整。而在進(jìn)行其電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要明確其具體的組成。在CAN總線接口的電路設(shè)計(jì)中，必須要注重CAN控制器的功能與位置。

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，主要由總線控制器、微處理器、接口驅(qū)動(dòng)器、高速光耦4部分構(gòu)成，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等任務(wù)。例如，為了使得CAN總線接口中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠正常應(yīng)用，增強(qiáng)其實(shí)用性，一般都是由高速光耦器對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行處理和分析，從而保證節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力[3]。CAN總線接口的電路設(shè)計(jì)對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)有著較為重要的意義，在其架構(gòu)建設(shè)中，也需要相關(guān)人員根據(jù)船舶的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和分析[4]。

圖3 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

3.2 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)備將數(shù)據(jù)信息接入通信網(wǎng)絡(luò)并傳輸?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)和降低成本考慮，這里選用RTL8019AS以太網(wǎng)通信接口芯片，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用10BASE-T布線標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通信，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、RJ-45端相連。時(shí)鐘電路通過(guò)T1、T2接一個(gè)20 MHz晶振以及兩個(gè)電容，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

圖4 以太網(wǎng)接口電路示意圖

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性設(shè)計(jì)

在分析船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，同樣不能忽略通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。具有一定可靠性設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)，在船舶的實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)問(wèn)題的可能性較小，可以較好地滿(mǎn)足船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，實(shí)現(xiàn)船舶的安全行駛。而在本文中，也通過(guò)了一定的設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性，從而保證船舶的安全性能。首先，采取了兩套完全相同的總線拓?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)，大大降低了出現(xiàn)問(wèn)題的可能性。其次，在船舶CAN總線通信系統(tǒng)的架構(gòu)中也進(jìn)行了一定的調(diào)整，為了充分保障CAN總線中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠正常進(jìn)行工作，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中都進(jìn)行了一定的冗余設(shè)計(jì)，防止節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，影響CAN總線通信系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，在CAN總線通信系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，相關(guān)人員也能夠?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)保障導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性[5]。

4 結(jié) 論

在對(duì)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析時(shí)，首先需要考慮到當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展問(wèn)題，使得所提出的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有可行性，這也是進(jìn)行船舶通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要前提。而在綜合考慮了技術(shù)層面上的問(wèn)題后，則也需要考慮到船舶通信的實(shí)際需求，分析傳統(tǒng)的船舶通信方式中存在的不足，并據(jù)此進(jìn)行通信系統(tǒng)的優(yōu)化，使得所提出的新型船舶通信方式具有實(shí)際價(jià)值與可行性。而傳統(tǒng)的船舶通信中，所存在的最大問(wèn)題即為單口通信帶來(lái)的不便，故本文中著重分析了CAN總線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)技術(shù)在船舶網(wǎng)絡(luò)通信中應(yīng)用的可行性，并提出了綜合性的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式，對(duì)于船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與完善具有一定的實(shí)用性。