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1、NMEA2000：21世纪的一个数字界面摘要船舶都配备了包括台式机和笔记本电脑，GPS，有航海仪表数据的磁盘等的一套电子设备。这篇文章就描述了这个新的协议，该协议实现这些设备之间通信的功能。美国海洋电子协会NMEA介绍这个用于船舶电子设备交流的新的协议NMEA2000。使用一个简单的电缆网络代替现在使用的多条电缆的互联方式。NMEA2000可以适应航海设备、发电机组、轮机、导航、舵系统、火警和控制的要求。数据和指令传输都享用同一个电缆，而且速度是NMEA0183的26倍。NMEA2000是自配置的，无需设定，也不需要控制器。在不关闭网络的情况下设备可以加入或者移除。这篇文章就深入介绍它的功能，
2、以及在海洋业内外和美国以及国际的申请和认可。说明NMEA2000是一个低成本的数据网络，传输速度可达250kbps，并利用控制局域网集成电路。CAN最初是用于汽车工业的，现如今应用于许多工业领域，被许多生产商生产。NMEA0183是一系列异步传输速度为4.8kbps的基于PC的接口。除了传输速度外最关键的区别在于，NMEA0183是一个接口，NMEA2000是一个网络。NMEA2000网络允许多个电子设备一起连接到一个共同的通道上，目的是信息共享。因为它是一个网络，同时有多个设备传输数据，所以就需要一系列的规范来对网络设备进行管理。CAN自动的提供了一些规则，大多是关于网络信道控制，数据包传送
3、，错误监测等。类似于NMEA0183，NMEA2000定义了标准的数据传输格式，但是增加了用来识别网络节点、发送请求到设备和请求信息的网络管理规则。除了大量控制和集成的要求NMEA2000用一个简单的电缆代替了NMEA018350个接口并且可以处理50到100个NMEA0183数据流。背景综合船舶系统，系统的控制，信息的共享，数据传输速度的增加都在船舶上应用。这些在船舶机舱、驾驶台、个人的住舱甚至通过卫星通信在传动的办公室等很多地方都在使用。这些应用出现在远洋船舶、沿海船舶、渔船和游船上，只是使用的程度不同，它们都需要标准数据来进行通信。船舶网络和接口简单的数据总线把数据分类，这样的数据传输的
4、应用覆盖全船，如NMEA0183，是一个全方位的办公室的现场局域网。这些应用在某些要求上有不同甚至是冲突。从图中指出船舶的应用可能有一个或者多个局域网通过电脑连接到打印机，扫描器，备用系统等等。这些系统在维持船舶航行上很有用，也可能由于管理工资单，存货清单，和电子邮件，它们既不是重要安全系统，也不是实时要求系统。它们使用非自身的以以太网为基础的组件，也使用微软公司的软件还有其他的。在集成驾驶台系统和船舶集成控制系统中，驾驶台或者其他集控部位的决策影响船舶的工作，以及船舶、工作人员、乘客、货物和环境的安全。为了有效的作出决定和把决定执行需要有一个通道连接船舶的各个系统。这些系统包括航行系统，电力
5、系统，轮机部，火警和控制系统。独特的海上环境，安全性，可用性，冗余性，潜伏性要求这些链接排除使用办公类型的局域网。国际电工委员会IEC标准IEC61162-4就说明了这些网络要求。根据挪威人创的海事信息技术标准MITS，这个以太网的速率设计成高达100MbPS，已经在船上使用并测试，将来会增加在船上的应用。在一个基本平台广泛使用的今天，NMEA0183（IEC 61162-1）提供了一系列从一个简单传输器将数据分配给多个接收器。该协议以4800bPS的速度可以每秒传输大约10条信息或者语句。当一个设备对另一个设备广播数据时被证明是够用的。但是很快就陷入了一个极限当系统开始混合数据的时候。因此它
6、在未来会应用于简单通信或者点对点通信的备用连接。现在船舶电子设备越来越多的要求数据多源化使其能够控制事件的进程且为工作人员所用。没有一个网络标准去完成数据集成，设计这就必须提供许多数据输入，这样就需要增加投资，也会增加布线，或者使用数据者就要把数据统一到一个通道上。个别船上的系统，比如机舱或者导航系统，都是专用的系统，经常要实时的对设备管理通常在毫秒单位级，并且节点要少。和别的系统比这些系统应该尽可能小并且有更强的自控力，数据体积要小。因为这个网络应用结合便宜的传感器和执行器于一体，每个节点的花费必须比别的船舶应用要少。这个网络应用是NMEA2000（IEC 61162-3）。由于我们知道了它
7、如何适应于整个船舶应用的，文章剩余的部分就描述了一个低价的，功能稳定的（250KbPS），双向的多收发器的网络用来实现创博电子设备互联的工具。概述NMEA2000标准包含了船舶电子设备实行数据交流的最基本的要求。在这个标准下的设备有共享数据的能力，包括指令和在单一通道上与其它设备兼容性问题。数据信息以数据块的形式传输，每个数据块都有错误检测和确定模块传送的能力，数据模块除了控制和检错比特外，有八个字节的数据，29位的标识段包括信息的优先级，数据信息的认证，源地址和目的地址。实际数据的内容最好占50%的传送位，这个标准旨在支持周期性的需要传输的或是按需使用的查询命令短时数据信息。典型的数据包括离
8、散参数,例如位置纬度和经度,GPS状态值自动驾驶仪的舵角指令，有限的参数列表,如路点中等大小的数据块,如电子海图数据库更新。本标准也不是必然的旨在支持高带宽等领域的应用，比如雷达、电子海图或其他视频数据,或其他密集的数据库或文件传输的应用。这个标准的定义了所有的相关的层国际标准组织的开放系统互连模型(ISO / OSI)，从应用层到物理层，是实施NMEA2000的必要要求。NMEA2000网络的组成是：物理层：完全由标准定义,包括信号电压、电缆和连接器等。数据链路层：ISO 11783-3所定义并附加规定的标准。网络管理：ISO 11783-5所定义并附加规定的标准。应用层：完全定义的标准包括
9、制造商专有信息。NMEA2000的重要特征总结在网络特征表中。网络的总电缆长度是受关注的，现在设定为200m。网络的最大长度由CAN要求控制，其中所有节点在同一时间应该有同样的传输速度。理论上关系如下：1000kbps25m；500kbps75m；250kbps200m；125kbps500m；62.5kbps1100m。然而,如果节点操作在不同比特率下被连接到一个网段则问题可以想象。目前的标准是确定在250kbps网络数据传输速率和相应的200m的总线长度。本标准定义了数据格式,网络协议,和最低物理层的必要设备接口。从某种意义上说,它可被看成一个传送资料的通道。这个通道被当作什么特殊应用有些
10、时候要根据设备需要网络做什么来决定。例如，标准对于一个电子的图表显示系统 ,希望一个有定位模式信息的自动的必须指定位置的参考输入数据。此外，简单的节点错误的存在将有可能影响网络工作。因此它的一个重要应用是保证必要的出错时候的安全设计来减少网络的故障。这些方法超越了NMEA2000的范围但是当网络应用的时候必须考虑到。物理层这一层定义了电子的和机械方面的与网络的物理连接，参考了CAN设备的特点和用于NMEA2000网络的接口。物理层的电气特点如下：1、媒体访问使用CAN协议标准ISO11898.2、CAN利用显形和隐性数据进行传输，3、时间延迟和网络负载限制网络传输速度和网络布线总长度。4、差分
11、信号技术增强了抗干扰能力。不同的信号表明有电的接口回路和对所有节点的公共的信号参考是网络需要的。一个单点共同参考是为了避免电磁干扰造成对地回路和控制节点之间对地电压稳定,他们保持在共模范围(大约+ / -2.5伏特)的网络收发电路。这个标准允许使用船用的12v的电池为网络供电，前提是总电缆长度和网络节点数足够小。另一种方法，用一个或者多个规定的电源向网络进行供电。单点电源和公共节点或者大电流可以通过之前要求的网络总线由双绞线分配到设备。该特征要求设备对电源的工作电流多加注意并且要将接口复杂性降到最小。对于每个设备，接口电路的电源是不允许接地或者与其它设备相接，做到这种隔离的方法有很多，其中一种
12、是利用光绝缘器，将其放在设备与设备连接的特定位置，就可以做到设备之间的隔离。另一种方法就是确保设备与地和电源之间没有任何连接，除非接上网络电源。后一种方法适合比如显示器或者传感器这样的设备，可以通过NMEA2000网络的电源获得他们的所有工作电流，同时又具有独自的包装和安装设计。关于典型的物理层接口回路使用的收发器整体回路设备的数据上的说明见ISO 11898。用光电隔离法的对地隔离在网络、CAN控制器和其他回路之间都需要。但是，像上面说的隔离其他回路需要用其他的方法。收发器回路需要5v的电压，由调节器和保护回路提供。保护回路的目的是防止调节器因为过电压或者负电压而损坏。非永久性的损坏是因为接
13、口中任意两根线电压值达到+-18v或者小于该值并持续一段不确定的时间，或者误把接口中两根线接在了一起。物理层的主要点NMEA2000的可用性必须面对耐用性和耐环境性的问题，在IEC 60945的第八部分有描述，同时要面对减少电子干扰和抵抗外部电磁干的问题，在IEC 60945第九和第十部分有叙述。屏蔽电缆是需要的，对于后续设备也是必需的。地隔离接口连接器终端和其他船舶的地和电源的交流和直流电的隔离是需要的，当网络电缆断开的时候。像上面所述的这个可以完成隔离设备的任务，比如光电隔离器或者屏蔽双绞线的设计。对于除了那些需要电力非常低的设备的大多数应用，隔离接口是很有效的。网络信号两个信号线传输不一
14、样的信号。网络信号有两种：显性的或者说是逻辑0和隐性的或者说是逻辑1。在显性传输过程中一个或者多个节点对网络是显性的。接口必须被设计以至于信号线是隐性的当节点没有电的时候。显性电压是2v。隐性电压是0v。一般范围是：-2.5v+2.5v。网络电源接口回路必须工作在916v的直流电条件下。接口电压可以通过网络总线供电或者使用电力电缆双绞线将设备节点与电源相连。网络电缆传输的电流大小是有限的。当传输电流连接用于节点时允许额外电流通过，但是连接点必须贴上标签，并且进行物理隔离，将其与其他电源以及地隔离。任何情况下节电电源或者地连接到其他设备的电源或者地都是不允许的。网络设备制造商被要求把每个连接的设
15、备的电源范围以“负荷数”表示出来。网络的原电原可以是一个单点连接的船舶电池，或者是一个或多个独立的分布在网络上的电源供给。电缆的尺寸和布线必须认真考虑。节点数量的增加相当于负荷的增加，直流电压在电缆中的快速损耗将成为限制网络长度的要点而不是数据的传输时间。对于较短的有较少的连接设备的网络，船舶电池可以直接对网络供电。如果网络需要扩充容量，需要的话电隔离的电力供应可以代替电池供电。电缆和接头有两种方法使设备连入总线网络中：标准连接器或者扩展条。这些连接点用来把总线各个网段连接起来，用来连接电源，用来连接电缆的两端，用来连接节点。短的用来连接总线和节点的分接电缆用来按照生产上的选择连接设备。这些连
16、接是受NMEA2000标准控制的。扩展条仅用于连接点受到特殊保护或者是连接点不允许受到环境影响的情况下，要求设备耐环境影响的条约是IEC 60945.扩展条的位置必须依照标准定义标号或者涂色标记。NMEA2000总线选择的连接器是在工业网络使用的5脚的多源的连接器。两种连接器的选择要根据总线负载的大小。连接其中最常用的是三脚“T”型连接器，此外还有线端连接器和特殊配置的终端电阻。网络电缆的选择必须根据阻抗和传输延迟来决定，同时还要考虑直流电分布所要求的绞线尺寸和功能。电缆的长度，节点的数量，节点的分布，电源连接点的连入总线的位置都在电缆要求中写到。两种电缆尺寸会按要求使用安装。NMEA2000的重型电缆是5根线绞在一起的由两个屏蔽双绞线和一个普通非屏蔽线组成的。双绞线是No.16AWG（1.33sq.mm）用于直流电，No.18AWG（0.83sq.mm）用于
