0 引　言

船舶是一个复杂的工业系统，系统内部的设备在运行过程中会进行大量数据的发送和接收，这个过程伴随着船舶工业化、自动化程度的提高而不断发展，且数据量也呈指数型增长。为了满足船舶内部数据传输速度和数据量的需求，建立一种综合性电子信息系统，采用CAN总线技术将船舶的通信网络划分为不同的层次结构，针对电子信息系统的状态监测节点进行了详细设计。

1 船舶电子信息系统的基础设计

要想实现船舶信息化，必须要具备以下2个基础：

1）船舶子系统的计算机化，包括导航、营运、船务、监控等子系统；

2）网络总线将子系统连结成一个整体，实现信息的共享、互通。

船舶电子信息系统的基本构成如图1所示。

可知，船舶电子信息系统通过中央计算机、数据库和网络线路，将监控子系统、电站控制系统、轮机控制系统、导航子系统、营运系统和船务系统等紧密结合，形成一个多模块集成的综合平台^[1]。

船舶电子信息系统为用户提供以下功能：

1）信息的共享功能

船舶电子信息系统使船舶子系统之间的信息可以实时共享，子系统之间不存在信息延误，能够保障船舶系统的安全性。此外，电子信息系统也可以通过卫星通信、无线电等将船舶信息发送至地面基站，使地面控制中心能够掌握船舶的实时动态信息。

2）子系统管理功能

电子信息系统集成了不同子系统的信息资源，子系统可以根据实际管理需求向电子信息系统发送数据请求信号，实现了船舶的管理自动化。

3）故障诊断和预警功能

以船舶机舱为例，动力系统的运行质量直接关系到船舶整体，采用电子信息系统可以提升船舶机舱的监控水平，识别机舱动力系统装置的异常运行信号，实现故障诊断和提前预警功能。

4）导航功能

船舶电子信息系统将采集的雷达信息、气象信息、航线信息发送给船舶的集控室和驾控室，为用户提供导航功能。

2 船舶电子信息系统的关键技术 2.1 船舶电子信息系统的CAN总线工作模式

电子信息系统的网络接口直接决定了船舶局域网络的数据传输质量将CAN总线应用于电子信息系统中，利用CAN总线将船舶各子系统连接起来。CAN总线的工作模式如下：

1）多主节点工作模式

在CAN总线网络中，任意CAN总线节点都可以在任意时刻向其他节点发送信息，不分主节点和从节点。这种工作模式使CAN总线网络的灵活性增高，不需要额外的寻址等通信操作。

2）非破坏性总线仲裁模式

在CAN网络中，节点的优先级别不同，当优先级别较高的节点和优先级别较低的节点同时发送信息时，优先级别较低的节点会先退出信息的发送，等优先级别较高的节点发送完信息后，再进行信息发送。在信息发送冲突过程中，不会造成信息的破坏。

3）报文滤波模式

在CAN通信网络中，要想实现网络节点之间的一对一或一对多等数据传输方式时，只需要通过报文滤波的模式就可以实现。

CAN总线的逻辑值“0”用隐性表示，逻辑值“1”用显性表示，当总线中同时出现“0”和“1”时，总线用显性表示，下图中，V_CAN-H和V_CAN-L分别表示CAN节点与总线的接口电压，Vdiff为差分电压，可得CAN总线的信号电压特性曲线如图2所示。

2.2 船舶电子信息系统的CAN总线节点设计

CAN总线节点主要有2种，一种搭载微处理器，一种不搭载微处理器，船舶电子信息系统主要采用的是搭载微处理器的智能节点，选用的微处理器为89C250微处理器，接口采用SJA1000通信控制器。

SJA1000是一个独立的CAN控制器，它和PCA82C200在硬件和软件都兼容，能够完全替代PCA82C200。SJA1000适合于多种应用场景，通过并行总线与MCU连接，通过地址、数据等多个线程进行连接。SJA1000提供了一个测试寄存器(0x09），可以利用测试寄存器反复写入和读取，确保连接的可靠性。

2.3 舰船电子信息系统的状态监测节点设计

状态监测节点是船舶电子信息系统中进行子系统状态采集的传感器节点，每个节点由控制器模块、传感及测量电路、网络芯片等模块组成，可以通过传感器采集各类模拟量和控制量数据，传感及测量电路中集成了大量的传感器^[2]，以温度和湿度传感器数量最多，状态监测节点具有如下功能：

1）采集电力系统的四路4～20 mA电流信号或电压信号。

2）采集系统的16路开关量信号。

3）通过网络芯片与CAN总线进行数据传输。

4）电源变换功能。

状态监测节点的构成图如图3所示。

1）主控制器

主控制器是状态监测节点的核心，本文在选择状态监测节点的控制器时，采用AVR系列8位微控制器ATMEGA162和RS485通信接口电路，配合时钟电路和译码电路。

时钟电路DS1339实时时钟芯片，不占用过多的总线资源，芯片的工作电压为3.3V，保证了时钟电路的节能性。

2）传感器及测量电路

环境参数监测是电子信息系统的必要监测对象，包括温度、湿度、一氧化碳浓度、风速等。

对于温湿度传感器，本文选用传感器型号为SHT11^[3]，该传感器具有极高的可靠性，可实现信号放大、A/D转换等功能，SHT11传感器的电气参数表如表1所示。

3）网络芯片模块

状态监测节点的网络芯片选型为网络接口芯片为 W5100，该芯片可实现高集成、高稳定性的网络接口数据通信，并能兼容Internet连接。W5100内部集成了TCP/IP协议栈，支持TCP^[4]、IPv4等其他通信协议，可去监测节点与CAN总线、Internet网络之间的通信。

2.4 舰船电子信息系统的串行通信接口设计

串行通信接口是舰船电子信息系统的关键接口，本文采用RS232串行通信接口，RS232是一种串行二进制数据交换接口，被广泛应用于计算机串行接口外设连接。其特点包括：

1）波特率灵活

RS232接口可以适应不同传输速率的设备，具有灵活的波特率。

2)采用负逻辑传递信号

当芯片接口的信号电平较高时，信号电路的故障率较高，而RS232采用负逻辑关系，逻辑1对应−3～−15 V；逻辑0对应+3～+15 V。

RS232的串口电平转换芯片选型为Exar公司的SP3232芯片。

3 船舶电子信息系统的通信网络冗余设计 3.1 通信网络核心层冗余设计

冗余设计是防止船舶电子信息系统网络故障的重要内容，由于电子信息系统采用CAN总线和无线局域网相结合的方式组网^[5]，因此通信网络的冗余设计可以分为两类，分别是通信网络核心层冗余设计和分布层冗余设计2种。

核心交换机的冗余设计是实现通信网络核心层冗余设计的关键，如图4所示。

网络中2个核心交换机具有互换性，当其中一台核心交换机出现故障导致链路失效时，冗余核心交换机与二级交换机之间的链路仍能进行数据传输，确保整个船舶电子信息工业网络能够正常运行。

3.2 通信网络分布层冗余设计

与通信的网络核心层冗余设计不同，分布层冗余设计只有一个核心交换机，分布层的二级交换机与现场设备组成了大量的冗余链路，当其中某一条数据链路出现故障时，其他二级交换机与设备的链路仍能保持正常工作。

通信网络分布层冗余设计如图5所示。

二级交换机1/2/3/4分别与核心交换机和现场设备之间建立了数据链路，现场设备到核心层的数据传输链路在某一时刻只有一条激活路径，因此当其中某一二级交换机出现故障时，链路仍能正常工作。

3.3 船舶电子信息系统的CAN总线通信测试

验证船舶电子信息系统的CAN总线通信能力，在进行测试之前，需要完成下述过程：

1）CAN适配卡初始化过程，定义电子信息系统中CAN总线的帧格式、波特率、源码等参数^[6]；

2）设置数据报文的格式，定义帧类型、报文长度、报文标识符等关键内容；

3）复位CAN，并开始测试。

电子信息系统的CAN总线通信测试流程如图6所示。

4 结　语

本文分别针对船舶电子信息系统的CAN总线接口、RS232串口、传感器电路以及通信网络的冗余设计等关键内容进行研究，对于改善船舶电子信息系统的网络通信性能有一定价值。