基于CAN總線的船舶導航通信系統的設計

成 鄭，王 平

（1.海裝駐上海地區第一軍事代表室，上海 201913；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

引言

船舶導航通信系統是保證其安全、正確行使的重要保障。當前船舶通信導航系統有基于GPS實現功能的，也可基于北斗導航系統實現功能。簡單地說，船舶通信導航系統是將艦載導航、操作控制系統和雷達躲避系統有機結合的整體，是將計算機控制技術、信息處理技術和現代控制技術有機融合應用的結晶[1]。但是，當前基于NEMA0183協議（GPS）實現信息交換的船舶導航通信系統具有傳輸速率低、可靠性差、線路復雜的缺點。鑒于CAN總線通訊技術具有較強的抗干擾能力和高通信速率的特點，本文將基于CAN總線完成船舶導航通信系統的設計。

1 CAN總線與其他模塊的通信基礎

目前，船舶通信導航系統中除了CAN總線外還采用其他總線模式進行信息傳輸。因此，實現CAN總線與其他總線傳輸模式的通信轉換是最終實現基于CAN總線設計船舶導航通信系統的重要基礎。比如，基于CAN總線的話重點解決其與磁羅經數據、GPS數據、方位儀數據通信的協議轉換。

1.1 CAN協議與GPS協議之間的轉換

GPS為當前船舶導航通信所采用的主要方式，當前船舶的GPS模塊均是基于NEMA0183協議實現數據傳輸的[2]。因此，解決GPS模塊在CAN總線協議下的問題，需實現CAN協議與NEMA0183的轉換，也是必須解決的問題，二者之間的轉換流程如圖1所示。基于NEMA0183協議進入系統的信號通過光電隔離進入微控制處理后轉換為CAN協議的信號，而后通過CAN控制器、光電隔離、收發器最終達到CAN總線完成數據的下一步傳輸。

1.2 CAN協議與RS協議之間的轉換

目前，船舶導航通信系統計算機與計算機之間的通信均是通過串行或者并行方式實現的。而且，由于串行通信方式具有成本低、線路簡單的優勢被工業生產中廣泛應用。因此，對于CAN總線通信協議而言，還需重點解決其與RS232和RS485接口之間的通信轉換問題[3]。以CAN總線與RS232協議之間的通信轉換為例。

如圖2所示，基于RS232通信協議的信號經232電平轉換后進入微處理器+CAN協議控制器完成RS232到CAN協議之間的轉換；而后通過光電隔離和CAN總線收發器將轉換所得的基于CAN協議的信號傳輸至CAN總線中。

同理，對于RS485通信協議與CAN通信協議之間的轉換流程如下：基于RS485總線的信號通過CAN/485總線轉換器完成轉換后進入CAN總線中；而后基于CAN總線將信號傳輸至上位機或現場儀表、設備等。

2 基于CAN總線導航通信系統的設計

在上述通信協議轉換的基礎上，本節重點對基于CAN總線的導航通信系統進行設計。從理論上講，基于CAN總線所設計的導航通信系統將船舶上的各類儀表有機整合到一起，各類儀表之間不在為孤立的單獨個體，從而能夠充分發揮導航通信的功能，最終保證船舶航行的安全性和經濟性[4]。基于CAN總線導航通信系統的結構如圖3所示。

如圖3所示，船舶導航通信系統主要由自動舵/電子海圖/雷達分系統、GPS導航分系統、數字磁羅經儀導航分系統、數字方位儀以及其他儀器儀表分系統組成。

2.1 關鍵子模塊的設計

數字方位儀、數字磁羅經和GPS接收機為船舶導航通信系統的關鍵子模塊。本小節重點對上述子模塊進行設計。

1）數字方位儀子模塊的設計。數字方位儀是船舶導航通信系統的重要組成部分，其有效解決了傳統手動直接瞄準和機械式儀表記錄的問題，極大的提升了系統的自動化水平和可靠性。此外，基于數字方位儀子模塊還能夠提供目標的視頻影像，子模塊所采用的步進電機可將監測精度提高至0.01°，其核心控制主板由ARM芯片和77E58芯片組成。

2）數字磁羅經子模塊的設計。數字磁羅經的主要功能是消除由于船舶本體搖擺所引入的測量誤差，從而保證導航通信系統采集數據的準確性[5]。基于數字磁羅經還可根據監測數據完成對船舶的操縱和控制，其預留的通信接口也可實現與其他模塊的數據通信。本文系統所選擇數字磁羅經可將誤差控制在±5%之內，具體型號為HMR3300磁阻羅盤模塊，可為船舶航行提供航向、俯仰和橫滾等姿態信息。

3）GPS子模塊的設計。GPS子模塊是實現船舶導航的關鍵模塊，本系統采用GR-87智能型衛星接收模塊。

2.2 CAN總線接口電路及防雷設計

為了避免船舶導航通信系統的電路面積過大導致不必要的麻煩，比如電路板的安裝、線路之間的通信干擾等問題，本系統采用內置CAN控制器的dsPIC30F微控制器作為基于CAN總線的船舶導航通信系統的核心控制，采用該微控制器后不再外接一個CAN控制器。本系統涉及CAN總線標準的接口電路如圖4所示。

鑒于船舶在海上航行遇到的天氣屬于極端惡劣天線，為了避免在惡劣天氣下對導航通信系統的高頻發射機、衛星發射機以及其他雷達設備造成干擾，進而進行設備的安全和傳輸數據的可靠性。因此，需要對CAN總線進行防雷設計。防雷設計的核心在于在原電路中增加熱敏電阻、雙向TVS管和壓敏電阻等，所形成的防雷CAN總線如圖5所示。

3 結論

船舶通信導航系統是保證船舶在正確航向上安全、穩定運行的基礎。鑒于傳統船舶通信導航系統存在誤碼率高、傳輸速率慢的特點，本文特基于CAN總線完成船舶導航通信系統的設計，具體總結如下：

1）整個系統設計前，根據船舶導航通信系統當前所采用的通信協議，重點完成了CAN協議與GPS協議、RS232和RS485協議之間的通訊轉換；

2）結合船舶導航通信系統的應用場景和性能要求，確定選用核心控制主板由ARM芯片和77E58芯片組成數字方位儀子模塊、HMR3300磁阻羅盤模塊、GR-87智能型衛星接收模塊；

3）為保證基于CAN總線導航通信系統數據傳輸的安全性和可靠性，選用dsPIC30F微控制器完成導航通信系統核心控制系統的設計；同時，加裝壓敏電阻、雙向TVS二極管完成CAN總線的防雷設計。