CN107911290A - 一种用于海事电子通信的网关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于海事电子通信的网关设备，包括：CAN总线收发模块、CAN总线控制器模块、协议转换模块、FIFO输出存储器、FIFO输入存储器和RS422接口模块；CAN总线收发模块和RS422接口模块，分别用于外接NMEA 2000协议总线和NMEA 0183接口设备，从而NMEA的不同版本数据帧能够通过此网关设备互相转换、达到互通互连的功能。本发明实现了在一个船体上的不同版本的NMEA产品设备互相通信，解决目前很多船只上并存两种通信协议设备，但是无法交互信息的缺陷具有维护成本低、占用空间小、配线简单、电源功耗小等特点，符合智能化、标准化设计的行业趋势。

Description

一种用于海事电子通信的网关设备
技术领域
本发明涉及一种网关设备，具体是一种用于海事电子通信的网关设备。
背景技术
随着船舶自动化技术的发展，船载电子设备之间的数据通信越来越广泛，船舶设备的通信网络需要建议在一个统一的传输标准之上。美国国家海洋电子协会（NationalMarine Electronics Association）在上个世纪为海事电子设备制定了一套统一的标准协议NMEA 0183。截止目前NMEA 0183协议依然是海事电子设备中应用最广泛、最通用的通信协议。然而随着海事通信设备的接口多样化、通信速率的不断提高，以及设备环境越来越复杂，NMEA 0183逐渐暴露出其局限性。虽然从NMEM 0183协议颁布之初，美国国家海洋电子协会更新了至少15次不同版本，但是当初点对点的串口通信架构已经无法改变，必须有一种全新的总线型的协议才能适应不断发展的海事电子通信的要求。美国国家海洋电子协会最初在2000年的时候基于CAN(控制器局域网络,Controller Area Network)总线通信协议的的基础上制定了NMEA 2000标准，在最初的几年NMEA 2000并未得到迅速的应用。但是近几年来，随着船舶自动化技术的快速发展，基于NMEA 2000通信接口的海事电子设备在国外迅速普及。虽然目前NMEA 0183还是电子设备上的必备接口类型，但是随着NMEA 2000设备和CAN总线设备的快速普及，相信后面会有越来越多的公司和设备放弃NMEA 0183协议，而直接采用NMEA 2000的标准。
NMEA 2000协议在低成本、安装便捷、易维护、简单化、易于配置等方面有很大的优越性。NMEA 2000协议其核心是CAN总线的访问仲裁机制和网络管理等功能。CAN总线控制器还完成电气、机械等标准控制功能。可以说,NMEA 2000通信协议是CAN总线协议在海事电子设备应用中的延伸与扩展。
NMEA 2000标准协议和之前的NMEA 0183协议相比主要有如下优势：
1）NMEA 2000是基于CAN总线网络的低成本串行通信网络，传输速率为250 Kb/s，NMEA0183是一种基于异步通信的串行数据接口，传输速率为4.8Kb/s。
2）除了数据传输速率的明显不同之外，NMEA 0183主要定义的是一个数据接口，而NMEA 2000是定义了一个完整的网络系统。
3）NMEA 2000协议具有访问总线仲裁机制和网络管理功能。实现多个设备通过一条总线来共享信息，允许多设备互连互通，能容纳船舶导航设备、电站设备、主机动力设备、自动舵系统、火灾报警及其它控制系统共享信息，而NMEA 0183只具有点到点的数据传输功能。
4）NMEA 2000网络具有自我配置功能，不需要安装驱动程序，也不需要主控制器，设备的增加和移除操作简便，支持即插即用功能。
综上所述NMEA 2000的优点非常突出，取代NMEA 0183协议，从而成为海事电子设备通信接口的主流标准是大势所趋。然而在相当长的一段时间内，NMEA 0183协议和NMEA2000在市场上共存的情况将一直存在，NMEA 0183接口设备和NMEA 2000接口设备同时应用于一个船体上的情况也会是个普遍的、长期的现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于海事电子通信的网关设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于海事电子通信的网关设备，包括：CAN总线收发模块、CAN总线控制器模块、协议转换模块、FIFO输出存储器、FIFO输入存储器和RS422接口模块，所述CAN总线收发模块通过CAN总线控制器模块连接协议转换模块，协议转换模块还分别连接FIFO输出存储器的输入端和FIFO输入存储器的输出端，FIFO输出存储器的输出端和FIFO输入存储器的输入端均连接到RS422接口模块；所述CAN总线收发模块还用于和NMEA 2000总线连接，接收和发送NMEA 2000格式的数据帧。
作为本发明进一步的方案：所述CAN总线收发模块包括电平转换单元和光耦隔离单元，光耦隔离单元分别连接CAN总线控制器模块和电平转换单元。
作为本发明再进一步的方案：所述协议转换模块包括NMEA 2000帧解析单元、协议解析数据表、NMEA 0183帧封装单元、NMEA 2000帧封装单元和NMEA 0183帧解析单元，协议解析数据表分别连接NMEA 2000帧解析单元、NMEA 0183帧封装单元、NMEA 2000帧封装单元和NMEA 0183帧解析单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明用于海事电子通信的网关设备，提供了两种版本的NMEA协议互通互连的接口功能，实现了在一个船体上的不同版本的NMEA产品设备互相通信，解决目前很多船只上并存两种通信协议设备，但是无法交互信息的缺陷，采用所述新型网关的船体和之前的两种独立设备系统相比，具有维护成本低、占用空间小、配线简单、电源功耗小等特点，符合智能化、标准化设计的行业趋势。
附图说明
图1为用于海事电子通信的网关设备的电路原理框图。
图2为用于海事电子通信的网关设备中CAN总线收发模块的电路原理框图。
图3为用于海事电子通信的网关设备中协议转换模块的电路原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中，一种用于海事电子通信的网关设备，包括：CAN总线收发模块1、CAN总线控制器模块2、协议转换模块3、FIFO输出存储器4、FIFO输入存储器5和RS422接口模块6。
如图1所示，网关设备通电后开始工作。CAN总线收发模块1和RS422接口模块6分别在两个端口监听NMEA 2000总线和NMEA 0183收发设备，NMEA 0183收发设备包括NMEA 0183输出设备和NMEA 0183输入设备，分别开始执行NMEA 2000数据帧转换成NMEA 0183帧，以及NMEA 0183数据帧转换成NMEA 2000的数据帧功能。网关设备在通电后同时双向操作上述功能。
如图1所示，所述CAN总线收发模块1和外部NMEA 2000总线连接，接收和发送NMEA2000格式的数据帧。
如图1所示，所述CAN总线控制器模块2和CAN总线收发模块1连接，实现CAN总线的上电初始化、总线监控、访问仲裁、中断控制、数据包校验、错误报警等功能。管理控制CAN总线的数据包的发送和接收。
如图1所示，所述协议转换模块3和CAN总线控制器模块2连接，实现NMEA 2000格式的数据帧的解析、格式转换和数据帧的重新封装。所述协议转换模块3还和FIFO输入存储器5连接，实现NMEA 0183格式的数据帧的解析、格式转换和数据帧的重新封装。协议转换模块3是所述网关设备的核心模块，完成数据帧格式相互转换的核心功能。
如图1所示，所述FIFO输出存储器4和协议转换模块3连接。FIFO输出存储器4是一个先入先出的异步数据存储器，实现不同速率接口之间的数据缓存功能，接收来自经过协议转换模块3处理后的NMEA 0183数据。
如图1所示，所述FIFO输入存储器5和RS422接口模块6连接。FIFO输出存储器5是一个先入先出的异步数据存储器，实现不同速率接口之间的数据缓存功能，接收来自RS422接口模块6发送的NMEA 0183数据帧,然后发送到协议转换模块3,用于进一步的处理。
如图1所示，所述RS422接口模块6可以和外部NMEA 0183输入设备以及NMEA 0183输出设备连接，用于数据交互。RS422接口模块6在所述的网关设备内部和FIFO输出存储器4以及FIFO输入存储器5分别相连，用于接收来自FIFO输出存储器4的NMEA 0183数据帧和发送外部NMEA 0183数据帧到FIFO输入存储器5。
如图2所示，CAN总线收发模块1包括电平转换单元1.1和光耦隔离单元1.2。光耦隔离单元1.2和CAN总线控制器模块2连接，通过光耦隔离CAN总线上的其他设备和所述的网关设备，实现CAN总线上的每个节点电气隔离，提高系统的抗干扰能力以及节点的稳定性和安全性。电平转换单元1.1和外部NMEA 2000总线直接相连，实现将光耦隔离单元1.2的TTL电平信号转换成CAN总线的标准差分信号，实现数据双向连接。
如图3所示，所述协议转换模块3包括了NMEA 2000帧解析单元3.1，协议解析数据表3.2、NMEA 0183帧封装单元3.3、NMEA 2000帧封装单元3.4和NMEA 0183帧解析单元3.5。协议转换模块3同时完成NMEA 2000数据帧转换成NMEA 0183格式帧，以及NMEA0183数据帧转换成NMEA 2000的格式帧双向过程。网关设备在通电后同时执行这两个功能，双向操作。
如图3所示，所述NMEA 2000帧解析单元3.1接收来自CAN总线控制器模块2的NMEA2000数据帧，根据标准的帧格式解析出帧头、数据段、校验和以及帧尾数据，提取其中的数据段，发送到协议解析数据表3.2进行信息匹配。NMEA 2000帧解析单元3.1还实现对于检测出的无效或者CRC校验错误的数据帧进行过滤。
如图3所示，所述协议解析数据表3.2和NMEA 2000帧解析单元3.1相连，在实现NMEA 2000数据帧到NMEA 0183转换的过程中，对从NMEA 2000帧解析单元3.1发送来的数据段进行匹配、映射，进而封装到NMEA 0183的数据帧的数据段去。从而实现NMEA 2000帧的数据段到NMEA 0183帧的数据段转换过程。
如图3所示，所述NMEA 0183帧封装单元3.3和协议解析数据表3.2相连，进一步完成NMEA 0183数据帧的封装，添加开始位、地址域、校验和以及停止位。
如图3所示，所述NMEA 0183帧解析单元3.5和FIFO输入存储器5相连，在实现NMEA0183格式的数据帧到NMEA 2000的转换过程中，接收来自FIFO输入存储器5的NMEA 0183格式数据帧。NMEA 0183帧解析单元3.5根据标准的NMEA0183格式数据帧解析出对应的开始位、地址域、数据段、校验和以及停止位，然后把数据段送入协议解析数据表3.2，用于信息匹配。NMEA 0183帧解析单元3.5还自动删除CRC校验错误的数据帧。
如图3所示，所述协议解析数据表3.2和NMEA 0183帧封装单元3.5相连。所述协议解析数据表3.2在实现NMEA 0183数据帧到NMEA 2000格式的转换过程中，对从NMEA 0183帧解析单元3.5发送过来的数据段进行匹配、映射，进而封装到NMEA 2000数据帧的数据段去。从而实现NMEA 0183帧的数据段到NMEA 2000帧的数据段转换过程。
如图3所示，所述NMEA 2000帧封装单元3.4和协议解析数据表3.2相连。所述NMEA2000帧封装单元3.4在实现NMEA 0183数据帧到NMEA 2000格式的转换过程中，对从协议解析数据表3.2发送过来的NMEA 0183数据段按照NMEA 2000的格式重新封装数据段, 添加帧头、校验和以及帧尾数据。从而实现NMEA 0183数据帧到NMEA 2000数据帧转换完整过程。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种用于海事电子通信的网关设备，包括：CAN总线收发模块（1）、CAN总线控制器模块（2）、协议转换模块（3）、FIFO输出存储器（4）、FIFO输入存储器（5）和RS422接口模块（6），其特征在于，所述CAN总线收发模块（1）和NMEA 2000总线连接，接收和发送NMEA 2000格式的数据帧，CAN总线收发模块（1）包括电平转换单元（1.1）和光耦隔离单元（1.2），光耦隔离单元（1.2）和CAN总线控制模块（2）连接，电平转换单元（1.1）和外部NMEA 2000总线直接相连，将光耦隔离单元（1.2）的TTL电平信号转换成CAN总线的标准差分信号；所述CAN总线控制器模块（2）和CAN总线收发模块（1）连接，实现CAN总线的上电初始化、总线监控、访问仲裁、中断控制、数据包校验、错误报警功能，管理控制CAN 总线的数据包的发送和接收；所述协议转换模块（3）和CAN总线控制器模块（2）以及FIFO输入存储器（5）连接，实现数据帧的解析、格式转换和数据帧的重新封装，协议转换模块（3）完成数据帧格式相互转换的核心功能,；所述CAN总线收发模块（1）和RS422接口模块（6），分别用于外接NMEA 2000协议总线和NMEA 0183接口设备，从而NMEA的不同版本数据帧能够通过此网关设备互相转换、达到互通互连的功能。
2.根据权利要求1所述的用于海事电子通信的网关设备，其特征在于，所述CAN总线收发模块（1）包括电平转换单元（1.1）和光耦隔离单元（1.2），光耦隔离单元（1.2）分别连接CAN总线控制器模块（2）和电平转换单元（1.1）。
3.根据权利要求1所述的用于海事电子通信的网关设备，其特征在于，所述协议转换模块（3）包括NMEA 2000帧解析单元（3.1）、协议解析数据表（3.2）、NMEA 0183帧封装单元（3.3）、NMEA 2000帧封装单元（3.4）和NMEA 0183帧解析单元（3.5），协议解析数据表（3.2）分别连接NMEA 2000帧解析单元（3.1）、NMEA 0183帧封装单元（3.3）、NMEA 2000帧封装单元（3.4）和NMEA 0183帧解析单元（3.5）。
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