齊英凱，何潤添，初秀民，徐海潮

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢 430063;2.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北武漢 430063)

近年來，國家對內(nèi)河航運高度重視，大力發(fā)展內(nèi)河智能航運的技術(shù)。其中，在航船舶與貨物狀態(tài)感知與集成是內(nèi)河智能航運的重要基礎(chǔ)。盡管我國內(nèi)河營運船舶正在朝著標(biāo)準(zhǔn)化和高速化邁進(jìn)，然而老舊船舶、中小船舶所占比重依然偏高，存在諸多安全隱患，為船舶運行與貨物狀態(tài)信息的集成帶來了挑戰(zhàn)。加之船舶運行與貨物信息具有多態(tài)異構(gòu)的特點，包括船舶航行信息:船位、航速、航向、艏向、風(fēng)速、風(fēng)向、回聲測深等20余種數(shù)據(jù)。機艙設(shè)備狀態(tài)信息:主機系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)和輔機系統(tǒng)等8大類400多個數(shù)據(jù)。貨物狀態(tài)信息包括:貨物溫度、濕度、壓力、進(jìn)水等信息。如何在現(xiàn)有內(nèi)河船舶上實現(xiàn)上述信息的集成、構(gòu)建船舶信息網(wǎng)絡(luò)是內(nèi)河智能航運面臨的亟需解決的問題。

目前船舶機艙設(shè)備應(yīng)用較多的現(xiàn)場總線為CAN總線。CAN協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)是一種由CAN控制器組成的高性能串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前國際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一。以太網(wǎng)則是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)時代信息交互平臺的傳輸媒體，也是TCP/IP使用最普遍的物理網(wǎng)絡(luò)。隨著航運管理與船舶自動化及信息化的發(fā)展，以太網(wǎng)越來越多地應(yīng)用于船舶信息交互現(xiàn)場，將船舶駕駛、機艙控制、貨物狀態(tài)等信息在局域網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，從而可實現(xiàn)通過WEB方式瀏覽甚至遠(yuǎn)程訪問船舶設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫及遠(yuǎn)程控制，以確保船舶設(shè)備的各子系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)、安全、可靠、長時間地運行。從船舶機艙控制設(shè)備的實際應(yīng)用情況來看，連接各種船舶現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)將成為今后船舶信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的重點［1］。因此，針對內(nèi)河船舶自動化與信息化程度低、數(shù)據(jù)多源異構(gòu)特點，開發(fā)低成本內(nèi)河船舶專用網(wǎng)關(guān)具有應(yīng)用價值。本文將采用嵌入式技術(shù)設(shè)計一種適合于內(nèi)河船舶使用的經(jīng)濟型網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，將CAN總線與以太網(wǎng)之間形成物理層與數(shù)據(jù)鏈路層對接，將現(xiàn)場總線上的底層數(shù)據(jù)與Internet的數(shù)據(jù)形成信息交互。由于CAN總線與以太網(wǎng)兩者的物理接口及通信協(xié)議不一致，無法實現(xiàn)簡單相連，因此在設(shè)計開發(fā)上述的網(wǎng)關(guān)需要完成的2個任務(wù):①物理層的接口連接;②數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

1 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)整體設(shè)計

基于CAN總線與以太網(wǎng)的船舶信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，由CAN總線現(xiàn)場總線構(gòu)建的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，由以太網(wǎng)構(gòu)建上層廣域信息網(wǎng)，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)兩者的有機無縫通信，進(jìn)而為中小型船舶的現(xiàn)場設(shè)備信息采集通信及控制提供必要的平臺支持。CAN與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換的嵌入式網(wǎng)關(guān)功能是實現(xiàn)CAN協(xié)議格式的總線數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)協(xié)議格式的相互傳輸，與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場CAN通信節(jié)點構(gòu)成通信采集及控制體系。以太網(wǎng)信息管理終端與CAN總線上的CAN節(jié)點設(shè)備通過Ethernet、協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、CAN Bus相互通信，其中嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)起到核心的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連作用。

圖1 CAN總線與以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信息架構(gòu)圖

嵌入式網(wǎng)關(guān)的整體示意圖如圖2所示，由微處理器、電源電路、時鐘電路、接口電路等組成。系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵是將CAN現(xiàn)場總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)檢測和信息接入功能及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)檢測及信息接入功能。系統(tǒng)的具體工作原理如下:上層管理網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送信息指令時，微控制器將接收到的數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)協(xié)議格式進(jìn)行解析并重新封裝成標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線通信協(xié)議格式，然后向現(xiàn)場測試設(shè)備終端發(fā)送，由此完成上層管理網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備終端網(wǎng)絡(luò)的控制;底層設(shè)備終端網(wǎng)絡(luò)向上層管理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，微控制器將接收到的數(shù)據(jù)由CAN總線協(xié)議格式進(jìn)行解析并重新封裝成標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，然后往以太網(wǎng)的監(jiān)控端發(fā)送［2］。由于以太網(wǎng)固有的優(yōu)勢，因此底層的數(shù)據(jù)信息還支持互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問及共享。

圖2 嵌入式網(wǎng)關(guān)示意圖

2 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括電源設(shè)計、時鐘電路設(shè)計、CAN總線接口電路設(shè)計以及以太網(wǎng)接口電路設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用常用的直流12 V供電，在設(shè)計過程中采取兩級供電。微處理器采用3.3 V供電，采用AMS1117系列穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3.3 V電壓，為保證整體系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性需要前級電路來調(diào)整;前級供電選用美國半導(dǎo)體公司的LM2576系列開關(guān)電源芯片。LM2576系列開關(guān)穩(wěn)定芯片內(nèi)部集成一個52 KHz的振蕩器，只須必要的容感就能形成高效的穩(wěn)壓電路，內(nèi)部有完善的保護(hù)電路。

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)時鐘電路設(shè)計

雖然嵌入式網(wǎng)關(guān)選用的微處理器內(nèi)置有簡單的RC振蕩器，但為了提高整體系統(tǒng)的性能，嵌入式網(wǎng)關(guān)的時鐘電路采用的是外部8 MHz有源晶振。該有源晶振有精度和溫度比較性能，內(nèi)置有諧振整形電路。該有源晶振能產(chǎn)生一個非常精確的頻率為系統(tǒng)提供原始的時鐘源，嵌入式網(wǎng)關(guān)以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，以降低因高速開關(guān)時鐘所造成的高頻噪聲。

2.3 CAN總線接口電路設(shè)計

CAN總線接口電路主要包括CAN控制器及CAN發(fā)收器兩部分。本系統(tǒng)設(shè)計中選用的SAJ1000作為CAN控制器來實現(xiàn)對外提供與微處理器的物理線路的接口;選用CA82C250作為CAN發(fā)收芯片，在不需要通信中斷節(jié)點的情況下，通訊節(jié)點數(shù)目可達(dá)110個。

SAJ1000為獨立的CAN協(xié)議控制器，芯片的AD0～AD7為地址數(shù)據(jù)復(fù)用線，與微處理器的通信協(xié)議接口進(jìn)行相連;當(dāng)用戶通過遠(yuǎn)程服務(wù)器查詢現(xiàn)場CAN總線數(shù)據(jù)時，SJA1000負(fù)責(zé)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)解析并往微處理器發(fā)送，再傳到以太網(wǎng)［3－4］。

CAN控制器經(jīng)過RX和TX引腳的信號分別經(jīng)過2個光耦隔離器6N137的OUT引腳和IN引腳，然后分別與PCA82C250的TXD和RXD相連，以此連接到PC82C250的內(nèi)部收發(fā)器;CAN收發(fā)器通過有差動發(fā)送和接收功能的2個總線終端CANH和CANL連接到總線電纜。

在CANH輸出端與地之間接入一個肖特基二極管用以防止過高的電壓來保護(hù)芯片;CANH和CANL與地之間分別串聯(lián)30 pF的陶瓷電容，對于濾除總線上的高頻干擾及信號噪聲有明顯效果。

2.4 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

以太網(wǎng)控接口電路主要由以太網(wǎng)控制器RTL8019AS和隔離變壓器 20F001組成。RTL8019AS是一款高集成、能夠?qū)崿F(xiàn)Ethernet協(xié)議的MAC層的以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。RTL8019有以下3種工作模式:跳線方式、即插即用方式和免跳線方式，后2種工作方式一般用于PC機，在本系統(tǒng)設(shè)計中由于使用微處理器代替了PC機的功能，因此使用跳線方式顯得更加簡單方便［5－6］。

在電路設(shè)計中，將RTL8019AS數(shù)據(jù)線與微處理器的PB0～PB7相連，其它口作為保留，為后期二次開發(fā)作預(yù)留接口。系統(tǒng)配置過程中需要存儲的網(wǎng)關(guān)IP地址、MAC地址和SJA1000的ID網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符、網(wǎng)絡(luò)掩碼等數(shù)據(jù)，通過總線形式存儲到微處理器的片內(nèi)Flash空間內(nèi)，如此，能夠靈活方便地修改有關(guān)參數(shù)，適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境及方便后期二次開發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，CAN協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議間的信息流轉(zhuǎn)換設(shè)計為透明式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電之后，程序開始對各功能模塊進(jìn)行相應(yīng)的初始化，由此完成系統(tǒng)的整體配置。在此過程中，完成處理器的配置、IO端口的配置、功能模塊時鐘的配置、波特率的設(shè)置等?？赏ㄟ^硬件方式和軟件方式對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的配置，系統(tǒng)配置成功之后，進(jìn)入循環(huán)等待接收數(shù)據(jù)幀，如果收到符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀則進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序，完成數(shù)據(jù)的傳遞。不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)傳輸主要是由微處理器的接收與發(fā)送中斷處理程序完成，各總線協(xié)議的實現(xiàn)分別是由對應(yīng)的功能模塊完成，微處理器的中斷處理程序?qū)l(fā)送緩沖區(qū)中等待處理的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到協(xié)議總線上，同時將從協(xié)議總線上接到的數(shù)據(jù)幀存在接收緩沖區(qū)里等待相應(yīng)的程序處理。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 軟件設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)功能測試

當(dāng)整體系統(tǒng)設(shè)計完成后，必須經(jīng)過完整的測試才能保證系統(tǒng)按照設(shè)計目的進(jìn)行正常工作。在進(jìn)行系統(tǒng)整體功能測試時，以功能模塊為基本單元，循序漸進(jìn)的對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與測試。首先加載協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)程序，包括系統(tǒng)參數(shù)的配置及以太網(wǎng)上位機客戶端程序，運行服務(wù)器程序和客戶端程序，然后就可以檢測以太網(wǎng)與協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是否連通。設(shè)置好相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)IP地址子網(wǎng)掩碼，通過使用局域網(wǎng)ping命令測試系統(tǒng)是否連通，每次系統(tǒng)發(fā)送4個隨機產(chǎn)生的ICMP數(shù)據(jù)包，協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)答4個ICMP數(shù)據(jù)包，嵌入式網(wǎng)關(guān)對其CAN控制的一個發(fā)送緩沖區(qū)里進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入操作，“This is a test!”，測試效果如圖5所示，結(jié)果正確。

圖5 CAN→Ethernet數(shù)據(jù)通信測試

為了進(jìn)一步驗證嵌入式網(wǎng)關(guān)的性能，選用具有CAN接口AIS－B級船臺在武漢長江二橋附近進(jìn)行實船測試，通過AIS接收機的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)，可以準(zhǔn)確地顯示在電子江圖顯示系統(tǒng)中。

5 結(jié)語

本文針對由現(xiàn)場總線構(gòu)成的船舶現(xiàn)場終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和由以太網(wǎng)構(gòu)成的上層信息管理網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)難以有效共享這一問題，從現(xiàn)實需求出發(fā)，結(jié)合CAN總線和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢特點，采用意法半導(dǎo)體公司的微處理器，以功能模塊組合，設(shè)計了嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)CAN總線與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，提高內(nèi)河船舶機艙設(shè)備與貨物狀態(tài)信息的集成能力。在后續(xù)的開發(fā)中，將完善系統(tǒng)，規(guī)范嵌入式網(wǎng)關(guān)的輸入、輸出結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行可靠性測試使其產(chǎn)品化。

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