0 引　言

随着船舶信息化、智能化的发展，船舶内部自动化设备数量越来越多，为了加强船舶内部设备的监管水平，提高不同系统和模块之间的信息传递能力，设计和开发船舶集成平台系统成为一项研究热点。船舶集成平台系统通过对船舶信息的管理、船舶位置的跟踪、船舶通信的实现、船舶安全的监控和船舶运营的管理，提高了船舶运营的效率和安全性，具有非常大的应用潜力。

船舶平台系统的关键是信息网络的建设，本文重点介绍一种基于嵌入式CAN总线的信息网络，分别从CAN总线计算的原理、CAN网关设计以及船舶集成平台系统的开发等方面进行详细阐述。

1 CAN现场总线技术研究

CAN总线网络具有数据传输速度快、稳定性好等优点，CAN总线网络通常由CPU、CAN控制器、CAN收发器、节点、数据总线等组成，如图1所示。

CAN传输总线的关键特性包括：

1）CAN数据帧特点

CAN总线使用数据帧来实现数据的高速传输，数据帧的详细格式包括起始位、标识符、控制位、数据位和CRC校验位等字段。其中，起始位用于同步数据传输，标识符用于区分不同的数据帧，控制位用于控制数据传输的流程，数据位用于存储实际的数据，CRC校验位用于检测CAN数据的完整性。

2）信息的确认机制

CAN总线采用一种确认机制来保证数据的可靠传输，每当一个节点发送数据帧后，其他节点会对数据帧进行检测和确认。如果数据帧被正确接收，接收节点会发送一个确认帧给发送节点，表示数据接收成功。如果数据帧发生错误，接收节点会发送一个错误帧给发送节点，表示数据接收失败。

3）CAN的仲裁机制

当多个节点同时发送数据帧时，CAN总线使用仲裁机制来确定哪个节点可以继续发送数据，哪个节点需要终止发送数据。仲裁机制基于标识符的优先级，优先级越高的节点可以继续发送数据，优先级较低的节点需要等待。

2 基于嵌入式的船舶 CAN 网关设计 2.1 测试

网关是CAN通信网络中实现互联互通的枢纽结构，也可以用于2个具有不同协议的网络互连，当网络的通信协议不同、数据形式和体系均不同时，网关可以作为翻译器搭建起2种系统。

在设计船舶集成平台的CAN网络时，本文采用的网关控制器为MCP2510。

MCP2510主要由4个部分组成：

1）CAN控制器

MCP2510的核心部分是CAN控制器，它负责处理CAN总线的通信协议。CAN控制器具有接收和发送CAN帧的功能，并提供了一些配置选项，如过滤器和屏蔽器，以过滤和筛选接收到的CAN帧。

2）SPI接口

MCP2510通过SPI（串行外设接口）与主控器连接。SPI接口提供了与主控器之间的通信通道，通过SPI接口，主控器可以向MCP2510发送命令和配置信息，以及接收来自MCP2510的状态和数据。

3）控制和配置寄存器

MCP2510还包含一组控制和配置寄存器，用于存储和管理CAN控制器的状态和配置信息。主控器可以通过SPI接口访问这些寄存器，以读取和写入相关的控制和配置信息，从而控制和配置MCP2510的行为。

4）CAN协议引擎

其主要作用是处理总线上的报文发送和接收逻辑，当CAN总线的数据发送时，CAN协议引擎首先将数据存储在报文缓冲器和控制寄存器中，如图2所示。网关控制器MCP2510共有3个发送缓冲区，2个接收缓冲区、6个滤波寄存器，还包括协议机和控制逻辑引脚。

2.2 基于嵌入式的 CAN 网关硬件结构设计

基于嵌入式ARM技术，设计了船舶集成平台的CAN网关，其硬件构成如图3所示。

基于嵌入式ARM的CAN网关硬件核心是嵌入式处理器ARM S3C45B，该微控制器由韩国Samsung公司研发，是一种高性价比16/32位微控制器，ARM S3C45B微控制器的主要特性^[1]为：

1）处理器核心。ARM7TDMI-S，采用RISC架构。它具有16/32位指令集，可执行高性能的32位运算，并支持长指令和thumb指令集模式。

2）主频和存储。ARM S3C45B的主频通常在几十兆赫兹到数百兆赫兹之间，具体取决于系统设计。ARM通常集成了片上存储器，包括快速的闪存和SRAM，可用于存储程序代码和数据。

3）外设接口。ARM S3C45B具有多个外设接口，包括UART（通用异步收发器）、SPI（串行外设接口）、I2C（串行通信接口）和USB（通用串行总线）。这些接口可以用于与其他外部设备进行通信和数据交换。

4）定时器和计数器。该微控制器还包含多个定时器和计数器通道，可用于测量时间、进行定时操作和产生精确的时间基准。

5）ADC和DAC。ARM S3C45B集成了模数转换器（ADC）和数字模数转换器（DAC）^[2]，可以用于模拟信号的输入和输出。

6）电源管理。该微控制器具有多个电源管理功能，包括低功耗模式和电源管理单元（PMU），可以在系统的不同工作模式之间实现有效的功耗管理。

基于嵌入式ARM的CAN网关参数如表1所示。

针对船舶集成平台的CAN网关数据噪声问题，本文采用高斯低通滤波器降低信号中的噪声分量，其模型如下：

$ H(f) = \exp \left[ { - (\frac{{{\rm{ln}}2}}{2}){{(\frac{f}{{\text{B}}})}^2}} \right] 。$

式中，B为通信的带宽。

高斯低通滤波器响应特性方程为：

$ h(t) = \frac{{\sqrt {\text{π}}}}{\alpha }\exp \left[ { - {{\left( {\frac{ \text{π} }{\alpha }t} \right)}^2}} \right] \text{。} $

式中， $ \alpha = \sqrt {\displaystyle\frac{{\ln 2}}{2}\frac{1}{B}} $ 。

3 基于嵌入式CAN网关的船舶集成平台系统开发 3.1 船舶集成平台系统的整体设计

船舶集成平台系统作为船舶信息的枢纽，需要具备采集、分析、处理和转发船舶自动化设备数据的功能，同时，集成平台也需要建立大型数据库，存储和管理船舶日常的各种通信、导航数据，实现全船数据共享，提高船舶的信息化和监控水平^[3]。

集成平台位于船舶集控室和驾控室内，通过CAN总线与船舶主机、服务器、网关等连接，图4为基于嵌入式CAN的船舶集成平台系统原理图。

船舶集成平台管理系统的特点和优势包括：

1）集成性。该系统能够集成各种船舶管理功能，如船舶位置监控、航行路线规划、船舶维护保养等，实现全面的船舶管理。

2）实时性。该系统能够实时监控船舶的位置和状态，及时获取船舶的相关信息，实现对船舶的实时管理和监控。

3）自动化。该系统能够自动化处理船舶管理流程，减少人工操作，提高工作效率。

4）数据分析。该系统能够对船舶数据进行分析，提供数据报表和统计分析，帮助管理者更好地了解船舶运营情况，做出决策。

5）安全性。该系统能够确保船舶的安全，包括防止船舶被非法入侵、及时发现船舶故障等。

6）环保性。该系统能够监测船舶的排放情况，提供环保指标，帮助管理者监控和改善船舶的环境影响。

7）统一管理。该系统能够统一管理多艘船舶，集中管理船舶的各项信息和操作，提高管理效率。

8）可扩展性。该系统具有良好的可扩展性，可以根据实际需要进行功能扩展和定制化开发，满足不同船舶管理需求。

3.2 基于嵌入式CAN的船舶集成平台数据库设计

考虑到集成平台系统船舶监控数据信息查询和响应的快速性需求，采用Apache Solr数据库索引服务器实现数据的管理。

Apache Solr是一个开源的搜索平台，具有高效、可扩展、分布式的搜索和数据分析功能^[4]，其特点包括：

1）Apache Solr使用了倒排索引的数据结构，可以快速地检索和分析大规模的文本数据。它支持复杂的查询语法和过滤器，可以进行全文搜索、排序、分组、过滤、统计等操作。

2）Apache Solr提供了丰富功能和插件，可以支持多种数据源和数据格式的索引和搜索。它可以与关系型数据库、NoSQL数据库、文件系统等进行集成，并提供了RESTful API和各种客户端库，方便开发者进行数据的索引和搜索。

3）Apache Solr还支持分布式部署，可以横向扩展以处理大规模的数据和请求。它提供了高可用性和容错性的机制，可以自动进行数据的复制和故障恢复。

Apache Solr可以用于构建全文搜索引擎、数据分析和实时搜索等应用，易于集成和使用，通过API接口与外部环境相连接。

基于Apache Solr数据库的船舶集成平台系统数据处理流程如图5所示。数据报文首先进入数据队列和应用层服务端口，然后判断是否为服务消息，如果是服务消息则进入应用层和管理层处理函数进行处理，最后输出报文。

3.3 基于嵌入式CAN的船舶集成平台软件开发

基于嵌入式CAN的船舶集成平台软件开发采用Socket套接字编程技术，其包括服务层和客户层2个模块^[5]，通过数据接口连接，基本原理如图6所示。

4 结　语

嵌入式ARM 的CAN网关技术在通信传输速度、集成度、可靠性等方面具有优越性，为了提高船舶通信、导航系统的性能，本文结合嵌入式ARM 的CAN网关技术开发了船舶的集成平台系统，并从网关控制器开发、平台硬件设计、软件开发等方面进行研究，重点设计了系统的数据和软件，系统具有较高的稳定性和可靠性。