NMEA2000：21世纪的一个数字界面说课讲解

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。NMEA2000：21世纪的一个数字界面-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

2、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，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

3、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，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

4、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，

5、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（IEC61162-1）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

6、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

7、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（IEC61162-3）。由于我们知道了它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

8、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：I

9、SO11783-3所定义并附加规定的标准。网络管理：ISO11783-5所定义并附加规定的标准。应用层：完全定义的标准包括制造商专有信息。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

10、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

11、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

12、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ISO11898。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

13、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IEC60945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IEC60945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

14、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

15、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

16、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IEC60945.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

17、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）用于数据。NMEA2000轻型线分别使用的是No.22（0.38sq.mm）和No.24（0.24sq.mm）。电缆被定义为不同的颜色，如果这些颜色不适用，代替电缆根据标准将被标记。数据链路层工业网络在船舶上的使用不止一个。同样的功能如信息共享，收集传感器数据，控制进程在工业环境，在陆地交通工具上，和工厂车间都有使用。CAN

18、最初是发展应用在车辆和已经找到了它的方式到其他许多领域。尽管应用程序可能不同,许多这些网络共享相同的控制需要与管理的数据通信网络。汽车工程师的社会(SAE)已经发展出一种基于CAN的网络中使用于拖车卡车,客车。这个标准是SAEJ1939后来被国际组织标准化(ISO)使用于农业机械。这些应用在数据和指令传输上有不同，物理层要求也不同，建立网络的数据交流和管理和NMEA2000的要求非常相似。由于这些原因，为了简化NMEA2000被以一个国际海事应用接受。NMEA2000数据链路层国际标准ISO11783-3与SAE的数据链路层SAEJ1939-21几乎一致的。这个国际标准被全部使用，但NMEA2

19、000的数据链路层提供增强的特点和功能。这些增强更好支持NMEA2000数据包的类型和格式，并且以独特的方式支持船舶电子设备的设计、安装、操作。控制局域网CAN像物理层一样，一些数据链路层的选择也是根据CAN的媒体使用权。CAN是英特尔和博世共同开发的一个外围微处理器。这个设备在应用于一些台式电脑时可以和通用非同步首发传输器相比，是一个输入输出机制的所有船舶电子设备由NMEA0183数据控制的、附属于微处理器或者是微处理器的一部分。几乎现在每个公司的集成电路都采用CAN。CAN有更优于通用非同步首发传输器的功能：在网络上产生连续的比特流。当设备需要传输数据时提供传输通道，前提是网络处在不忙的状

20、态。当多个设备需要传输数据时，CAN将会对数据进行仲裁，根据优先级的先后进行数据传输。支持错误数据诊断和将错误数据回发的功能，CAN还可以自动判断一个节点的连续性错误并使该节点断开以保护网络正常工作。CAN使用的数据模块有29位标识符和从0到8的数据字节。此外数据模块包括数据的开始段和终止段，保留位，控制位，15位的循环冗余效验码，和认证位。数据链路层的主要任务定义CAN8个字节的数据和29位的认证信息的可用性。提供生产商发送所有权信息的方法。定义数据传输的方法。定义数据形式、发送和接收设备需求信息的格式和要求。CAN域的使用NMEA2000适用于SAEJ1939/ISO11783规定的CAN

21、的标识符。最高位是第一个被传输的，表示使用网络的优先权,标识符的每一位在网络拥挤的时候都参与仲裁过程，但是这些位首先进行。保留位之后被传送的还是一组标识符。信息可以对其他节点广播，或者发送到一个特定的地址。广播信息用2个字节（8到23位）来定义，地址信息是一个字节，第二个字节存放的是目的地址。数据长度为八个字节或者更小的时候，数据将会以一个CAN模块传输。当数据长度大于8个字节时，数据将会被分开成多个CAN模块打包发送，为了保证数据向特殊地址发送，包括开始和结束的数据流控制是必需的。大多数信息被设计成广播信息。这种信息只有一个字节存放地址信息，它常用于网络管理（请求，一般指令，认证，错误报告，

22、生产商所有权地址信息）。每个被有效传输的模块都包含源地址，目的地址包含在非公共信息模块里。地址的概念是重要的因为连接在网络的物理接口是有限的。网络物理连接不是直接由名称或者特殊地址定义的，而且一个简单的物理连接可能有多个功能地址。网络功能连接的最大值是252，多于其物理连接点。信息规格CAN信息模块有至多8个字节，当超过8个字节被传输时，一般用两种方法中的一种。最多1785字节的多包数据将会根据ISO11783-3协议送出，把这些数据装到“信封”里送到公共或者特定的地址。流量控制将被提供以至于发送数据到特定地址的开始，终止，控制可以完成。不幸的是，当数据用这种方式传输时，他的身份认证将会丢失除

23、非“信封”被打开才能知道传输的是什么数据。因为许多信息用于NMEA2000超过8个字节（但是不到1785个字节），NMEA2000允许使用快速数据包传送最多223个字节的拥有它们自己认证信息的数据。这种方法允许连续的模块发送。开始的两个字节用来说明信息的大小，顺序计数器用来区分快速数据包是不是同一类型的，还有数据计数器。每个额外的模块用一个字节给顺序计数器和数据计数器。请求和指令数据链路层的最后的功能是提供一个信息请求或指令的标准，当请求或指令不能被遵照的时候认证信息会被使用。NMEA2000扩展了ISO11783-3的功能通过提供可能用于发送值或者会使接收设备产生动作的指令信息实现。另外NM

24、EA2000允许请求信息有间隔，而且允许信息在特定区域被请求。例如，有航途基准点信息的信息可能包含航路位置，航途基准点名称，航途基准点数，航路基准点符号。基于NMEA2000的航途基准点信息地请求允许将航途基准点名称（或航途基准点数）在航途基准点信息里具体说明。网络管理与数据链路层相似，用于NMEA2000网络管理的过程是均衡了ISO11783-5的标准并根据SAEJ1939-81制定的。网络管理的责任：声明和分配网络地址。对连入网络的设备进行身份认证。网络的初始化。要求每个接入网络的设备都有地址，有256个可能的地址（一个字节）。有252个地址（0-251）可用。255被用于公共地址，用于向

25、所有节点发送信息，254是一个用于当地址找不到时相应问题的空地址。253和252留下未来用。ISO11783-5提供了不同的设备来寻址。一些是自配置的并有公开地址和从别的节点取地址的能力，如果他们有需要可以申请地址。其他的设备有固定的，或者是人工可变的地址，这个地址不能被改变并且不能被别的节点所公开。所有NMEA2000下的设备根据ISO11783-5协议必须有自配置和公开地址的能力。地址公开的部分过程允许一个设备通过使用NAME把地址给另一个设备。NAME是由数据组成的地址声明信息，对每个网络上的设备要唯一。它包括设备编码功能同类型设备为例的数据，生产商编码，有生产上唯一确定的数字。后者像一

26、连串数字生产时对每个同型号的设备是唯一的。在地址声明的过程中，NAME的优先级决定了设备取得地址的先后。除了NAME之外，NMEA2000提供了包含额外消息的信息给设备。如型号数，生产版本，软件版本，NMEA2000版本的支持，可用的安装信息的参数都会被提供。更多请求信息在数据链路层定义可能被用来寻找这些信息，NAME信息的目的是建立一个网络来认证被连接设备的数字和型号。网络层这一层将会定义当不止一个网段在系统里的时候数据是如何通过网络从源地址到目的地址，它在将来NMEA2000版本里会有应用。大多数的设备安装是直接连接到同一个网段，像这些应用是不需要网络层的。当有多个网段或者为了有更高配置而

27、延长最大网络电缆长度或者增加地址数量时，网络可以分成多个网段。应用层应用层定义在NMEA2000网络上传输的被认可的信息，包括网络管理和数据信息。此外，生产商的所有权信息会被按照数据链路层协议传输。在网络上传递的信息被组织成参数群的形式，可以以参数群数来辨认出现在CAN标识符中的根据参数群是地址还是广播信息的8位或者16位的信息。根据这些数据，参数群需要至少一个CAN模块来传输数据。参数群的内容是按照包含许多表格的数据库组织建立的。数据是按下述方法建立的：A数据字典对每个数据都有描述。数据字典应尽可能多地应用于参数群。一个人数据字典项的例子：风向，True风从哪个方向刮过来。正北方向。B每个数

28、据字典项有一个定义格式，代表被定义的物理参数。物理参数是有限的，所以数据格式的数目比数据字典的词数要少。数据格式是国际单位制的。“风向，True”的数据格式是：角度：单位=弧度，弧度=0到2，精度=0.0001C每个被定义的数据格式会被一个标准数据类型代表，如字符，整数，无符号整数，浮点数，或者二进制数。“角度”的数据类型是：16位无符号整数，从0到65532。65533=保留。65534=超出范围。65535=数据不可用。参数群的必要描述在远程记录数据参数群定义表里。数据代表积累的航行距离。NMEA2000信息是优先级为6的广播信息，优先级是从0到7的。这个信息由14个字节并且不是一个单独的

29、数据模块。远程记录数据信息是由3个CAN模块组成的快速打包信息。信息由4个数据域分布在3个模块组成。数据域的边界对CAN模块没有意义，接收节点的任务包括重新组装数据。时间和数据可能通过发送有指令群功能信息的数据域1和2初始化或者改进。如果设备不知道时间和数据当参数群数生成的时候，那么时间和数据域应该显示适当的值。对于16字节的数据类型这个值应该是表示“数据不可用的”65535。对于32字节的时间域这个值应该是表示“数据不可用的”4294967295。数据字典提供这些定义信息在4个数据域里。NMEA2000信息1.000版本的参数群信息在下面列出供参考。新的信息还在添加，这个表仅用于NMEA20

30、00提供的信息。网络管理参数群Acknowledgement,basic基本认证AcknowledgmentGroupFunction认证群功能AddressClaim地址声明Address,Commanded地址指令ConfigurationInformation配置信息CommandGroupFunction指令群功能ProductInformation生产信息Proprietary,Addressed所有权地址Proprietary,Global公共所有权ReceivedPGNListGroupFunction收到参数群数列表组功能Request,basic基本请求RequestGrou

31、pFunction请求组功能TransportProtocol,ConnectionManagement传输协议，连接管理TransportProtocol,DataTransfer数据传输协议TransmittedPGNListGroupFunction传输参数群列表组功能应用参数群Attitude态度BatteryStatus电池状态BearingandDistancebetweentwoMarks两个标志之间的距离BinarySwitchBankStatus二进制转换COG&SOG,RapidUpdateCOG和SOG的快速更新CrossTrackError通道交点错误CurrentSt

32、ationData电流数据Datum基准DGNSSCorrectionsDGNSS更正DirectionData方向数据DistanceLog距离记录DSCCallInformation动态稳定控制系统呼叫信息EngineParameters,Dynamic动态机械参数EngineParameters,RapidUpdate快速更新机械参数EngineParameters,Static静态机械参数EnvironmentalParameters环境参数FluidLevel流体液位GLONASSAlmanacData全球导航卫星系统年历数据GNSSControlStatus全球导航卫星系统控制GN

33、SSDifferentialCorrectionReceiverInterface全球导航卫星系统不同的连接接受器接口GNSSDifferentialCorrectionReceiverSignal全球导航卫星系统不同的连接接受器数据GNSSDOPs全球导航卫星系统底片GNSSPositionData全球导航卫星系统位置数据GNSSPseudorangeErrorStatistics全球导航卫星系统伪距错误统计GNSSPseudorangeNoiseStatistics全球导航卫星系统伪距噪声统计GNSSRAIMOutput全球导航卫星系统接收机自动完好监视输出GNSSRAIMSettings

34、全球导航卫星系统接收机自动完好监视设定GNSSSatsinView全球导航卫星系统监视GPSAlmanacData全球定位系统年历数据Heading/TrackControl标题/轨道控制Loran-CRangeData远距离导航范围数据Loran-CSignalData远距离导航信号数据Loran-CTDData远距离导航TD数据MeteorologicalStationData气象站数据MooredBuoyStationData浮标停泊数据NavigationData航海数据Position,RapidUpdate位置，快速更新RadioFrequency/Mode/Power广播频率/模式/电源Rudder舵SalinityStationDat