Adaptacja sieci CAN BUS do zastosowań w systemach elektronicznych jednostek pływających

Adaptacja sieci CAN BUS do zastosowao w systemach elektronicznych

jednostek pływających.

Andrzej Piętak

University of Warmia and Mazuria in Olsztyn

Faculty of Technical Sciences

Chair of Mechatronics

46 A, Słoneczna Str. 10-710 Olsztyn, POLAND

Tel.: +48 89 524 51 00,

e-mail: apietak@uwm.edu.pl

Maciej Mikulski

University of Warmia and Mazuria in Olsztyn

Faculty of Technical Sciences

Chair of Mechatronics

46 A, Słoneczna Str. 10-710 Olsztyn, POLAND

Tel.: +48 89 524 51 00,

e-mail: maciej.mikulski@uwm.edu.pl

Streszczenie

W  pracy  zaprezentowano  analizę  wykorzystania  bazującego  na  sieci  CAN,  nowego  standardu  w  elektronice
morskiej  –  NMEA  2000,  w  systemach  statkowych,  w  kontekście  małych,  motorowych  i  żaglowych  jednostek
rekreacyjnych. Idea i rozwój systemu zostały krótko przedstawione w pierwszych rozdziałach. Przedyskutowano
właściwości sieci CAN i ich wykorzystanie w systemie proponowanym przez NMEA. Dyskusję przeprowadzono
dla  wszystkich  warstw  protokołu  komunikacyjnego,  zgodnie  z  opracowanym  przez  ISO  modelem  OSI  (Open
Systems  Interconnection  Reference  Model).  Ostatecznie  omawiane  własności  przeanalizowano  pod  kątem
możliwego wykorzystania w różnych segmentach pokładowych systemów statkowych.

1. Wprowadzenie

W początkowej fazie rozwoju elektroniki statkowej każde urządzenie było jednostką całkowicie

niezależną.  Przyrządy,  takie  jak  log  elektroniczny,  echosonda  czy  żyrokompas,  wykonywały  własne  zadania  i
nie  były  podłączone  do  innych  instrumentów.  Wraz  z  rozwojem  nowych  technologii  szybko  okazało  się,  że
konieczne  jest,  aby  poszczególne  urządzenia  mogły  się  ze  sobą  komunikować.  Wprowadzenie  autopilota
wymagało  sygnału  z  żyrokompasu  itd.  Niektórzy  producenci  wprowadzili  własne  systemy  łączenia  urządzeń
[1,2].  Wraz  z  rozwojem  technik  cyfrowych  oczywista  stała  się  potrzeba  standaryzacji  protokołu
komunikacyjnego  wykorzystywanego  przez  urządzenia  nawigacyjne.  Przełom  przyszedł  w  roku  1980,  kiedy
amerykańskie  stowarzyszenie  producentów  elektroniki  morskiej  NMEA  (National  Marine  Electronics
Association) wprowadziło standard NMEA0180. Przez kolejne lata standard ten był ulepszany. Wprowadzony w
1983 roku standard NMEA0183 zawierał radykalne zmiany w systemie, co umożliwiło wzajemną komunikację
pomiędzy właściwie każdym urządzeniem elektroniki statkowej, a także łatwą wymianę danych z komputerem
PC.  Standard  NMEA0183  przeszedł  w  przeciągu  lat  znaczącą  ewolucję,  dodawane  były  możliwości  obsługi
nowych urządzeń.

Pod koniec lat dziewięćdziesiątych obowiązujący standard okazał się niewystarczający. NMEA0183 w

samych  założeniach  zapewniała  szeregowe  przesyłanie  danych  tylko  z  jednego  nadajnika  do  kilku  urządzeń
odbiorczych (tzw. „słuchaczy”).  Postępująca silna integracja systemów pokładowych sprawia, że  nowoczesny
morski sprzęt elektroniczny potrzebuje danych z wielu źródeł. Bez standardu sieciowego, który zapewniłby taką
integrację  danych,  producenci  sprzętu  muszą  zapewnić  po  kilka  wejść  lub  stosować  rozwiązania,  które  łączą

dane z kilku urządzeń nadawczych w jeden kanał. Pierwsze rozwiązanie wiąże się ze wzrostem kosztów i
dodatkową komplikacją okablowania. Protokół NMEA0186 z kolei, operując z prędkością 4800 bit/s, jest zdolny
do dostarczenia w przybliżeniu 10 zdań na sekundę, co w zupełności wystarcza, gdy nadaje jedno urządzenie, ale
zawodzi w przypadku, gdy układ zaczyna łączyć dane.

Odpowiedzią na rosnące wymagania, dotyczące łączenia i wymiany danych pomiędzy elektronicznymi

urządzeniami na statku, było opracowanie w 2001 roku przez National Marine Electronics Association nowego
standardu  szeregowej  komunikacji  sieciowej  –  NMEA  2000,  wykorzystującego  układy  scalone  sieci  CAN
(Contorled Area Network). CAN został opracowany pierwotnie dla przemysłu samochodowego, ale - ze względu
na  łatwą  dostępność  i  niską  cenę  komponentów  -  jest  obecnie  wykorzystywany  w  wielu  aplikacjach
przemysłowych. Standard zdobywa coraz większą popularność. Renomowani producenci sprzętu nawigacyjnego
zaczynają wprowadzać na rynek produkty, które są przygotowane do pracy w sieci  NMEA 2000. Pojawiają się
także  pierwsze  aplikacje  standardu,  nie  tylko  w  rozbudowanych  systemach  pokładowych  dużych  statków,  ale
także w projektach systemów nawigacyjnych i napędowych małych jednostek rekreacyjnych.  Mimo rosnącego
zainteresowania ze strony producentów urządzeń morskich, wiedza na temat nowego systemu wydaje się mało
rozpowszechniona,  szczególnie  jeżeli  chodzi  o  zastosowania  w  przemyśle  jachtowym.  Bardzo  ubogo
przedstawia  się  także  literatura  na  temat  samego  standardu,  jak  i  możliwości  zastosowania  znanej  technologii
magistrali CAN w systemach elektronicznych małych jednostek pływających. Rozsądne więc wydaje się szersze
omówienie  obydwu  systemów  (NMEA  2000  oraz  CAN  BUS)  i  zbadanie  zasadności  wykorzystania  ich,
zwłaszcza w aspekcie motorowych i żaglowych jednostek rekreacyjnych.

2. Standard NMEA 2000

NMEA 2000 to tania sieć komunikacji szeregowej, operująca z prędkością 250 kbit/s wykorzystująca

układy  scalone  sieci  CAN.  Podstawową  różnicą  pomiędzy  NMEA  2000,  a  wcześniejszym  standardem
NMEA0183  (  poza  prędkością  transmisji,  4.7  kbit/s  dla  NMEA0183)  jest  fakt,  że  pierwszy  określa  całą  sieć
wymiany  danych,  a  drugi  jest  tylko  protokołem  komunikacyjnym.  Sieć  NMEA  2000,  w  przeciwieństwie  do
wcześniejszych  standardów,  pozwala  na  połączenie  wielu  urządzeń  elektronicznych  poprzez  wspólny  kanał
komunikacyjny,  w  którym  kilka  urządzeń  może  transmitować  dane  jednocześnie.  Podobnie  jak  NMEA0183,
NMEA 2000 wprowadza standardowe definicje i formaty komunikatów, ale dodatkowo zapewnia  obszerniejsze
zasady zarządzania siecią, identyfikacji urządzeń, wysyłania komend i odbierania danych. Jak w każdej aplikacji
sieciowej,  połączenie  między  węzłami  odbywa  się  za  pomocą  jednego  kabla,  co  znacząco  upraszcza  i  obniża
koszty  instalacji  w  przypadku  rozbudowanych  systemów.  Dane  w  systemie  są  przesyłane  w  postaci  serii  tzw.
„ramek”  (ang.  data  frames),  z  zarezerwowanymi  bitami  w  celu  identyfikacji,  wykrywania  błędów  i
potwierdzenia odbioru wiadomości. Każda ramka składa się z 8-bajtowej przestrzeni danych i 29-bitowego pola
identyfikacji,  które  określa  priorytet  wiadomości  oraz  identyfikuje  element  nadawczy  i  docelowy  w  sieci.
Ponieważ  tylko  niewielka  część  ramki  przeznaczona  jest  dla  danych,  standard  przeznaczony  jest  głównie  do
przesyłu krótkich wiadomości, jednak z dużym stopniem niezawodności, dzięki zaawansowanej kontroli błędów.
Wiadomości  mogą  być  przesyłane  okresowo,  wysyłane  przy  konkretnym  warunku  lub  na  żądanie
poszczególnych odbiorników.
Zgodnie z opracowanym przez ISO modelem OSI [3] (Open Systems Interconnection Reference Model  - model
odniesienia  łączenia  systemów  otwartych),  standard  NMEA  2000  definiuje  wszystkie    warstwy  (model  OSI
bazuje  na  siedmio-warstwowej  organizacji  protokołu  komunikacyjnego)  niezbędne  do  poprawnego  działania
standardu sieciowego, zgodnie z przyjętymi założeniami. Najważniejsze komponenty sieci NMEA 2000 zebrano
w poniższej tabeli.

Tab. 1. Elementy sieci NMEA 2000, z wyróżnieniem na warstwy według modelu ISO/OSI, na podstawie [3],[4].

Warstwa Fizyczna

w pełni zdefiniowana w standardzie, normuje rodzaj przewodów i
konektorów, charakterystykę sygnałów itp.;

Warstwa Łącza Danych

Zdefiniowana przez Normę ISO 11783-3 z dodatkowymi
wymaganiami zawartymi w standardzie NMEA 2000;

Warstwa Sieciowa

Obecnie nie sprecyzowana w standardzie NMEA 2000, zostanie
zdefiniowana w przyszłych wersjach standardu;

Zarządzanie Siecią (obejmuje warstwy
transportową, sesji i prezentacji
według modelu OSI)

Zdefiniowana przez normę ISO 11783-5 z dodatkowymi
wymaganiami zawartymi w standardzie NMEA 2000;

Warstwa Aplikacji

W pełni zdefiniowana w standardzie NMEA 2000

Najważniejsze własności sieci NMEA 2000 wynikające z przyjętych norm i definicji zebrano w poniższej tabeli:

Tab. 2. Tabela charakterystyki sieci, zgodnie z[5].

Charakterystyka sieci

Architektura

Okablowanie magistralowe wykorzystujące 4-przewodową skrętkę (ang.

twisted-pair cabel), do zasilania, przesyłu danych i funkcjonowania
interfejsu.

Sieć liniowa z pojedynczym kablem szkieletowym, poszczególne węzły

dołączane są do magistrali za pośrednictwem krótkich kabli interfejsu
AUI.

Funkcjonowanie

Dostęp do sieci: wykrywanie podnośnej/wielodostęp/przyznawanie

dostępu rozstrzygane prze kontroler sieci CAN.

Sieć typu Multi-master (bark centralnego węzła kontrolnego).

Samo-konfigurująca.

Specjalne narzędzia sieciowe, pożądane dla celów diagnostycznych, nie są

konieczne przy funkcjonowaniu sieci.

Rozmiary

Fizyczne węzły: maksymalnie do 50 połączeń.

Węzły funkcjonalne: maksymalnie do 252 adresów sieciowych.

Długość sieci: do 200 m (przy prędkości przesyłu 250 kbit/s).

3. Magistrala CAN Bus jako podstawa warstwy fizycznej sieci NMEA 2000

Warstwa fizyczna definiuje mechaniczne i elektryczne aspekty połączenia pomiędzy elementami sieci.

Część mechaniczna warstwy fizycznej sieci (tj. rodzaje kabli i sposób ich łączenia) jest w pełni opisana przez
normę NMEA 2000 i nie stanowi przedmiotu niniejszej pracy. Charakterystyka elektryczna warstwy fizycznej,
może być ujęta w następujących punktach:

Dostęp do mediów kontrolowany jest przez standard CAN, zdefiniowany jak w normie ISO 11898;

CAN wykorzystuje dominująco/recesywną transmisję bitu;

Opóźnienia czasowe i obciążenie sieci ograniczają częstotliwość przesyłu bitu i długość kabla

szkieletowego;

Metoda LVDS znacząco poprawia odporność transmisji na zakłócenia;

Jednopunktowe zasilani i sygnał odniesienia kontroluje napięcie uziemienia i redukuje RFI

Sieć CAN została opracowana przez firmę Bosch w drugiej połowie lat 80-tych. Po szeregu zmian

specyfikacja sieci CAN ujęta w standard ISO1898 stała się normą międzynarodową do zastosowań w pojazdach.
Kontrolery tej sieci, dzięki zastosowaniu w wielkiej liczbie w branży motoryzacyjnej, są dostępne po znacznie
korzystniejszej cenie, niż większość układów ASIC stosowanych do sterowania magistral systemów pomiarowo-
kontrolnych (takich jak np. Profibus). Dlatego CAN jest powszechnie stosowany także w automatyce
przemysłowej, jako magistrala do komunikacji z czujnikami i aktuatorami. Liczne zalety tego standardu
spowodowały także jego wykorzystanie w sieciach statkowych.

Sieć CAN jest magistralą liniową zorientowaną bitowo. Stosuje metodę CSMA/CA dostępu do

magistrali z unikaniem kolizji oraz błędów transmisji. Wymaga to czasu reakcji wszystkich sterowników nie
dłuższego, niż czas przesyłu jednego bitu. Nakłada to znaczące ograniczenia na długość magistrali, która musi
spełniać warunek:

(3.1)

Gdzie L- długość magistrali [m], C

-współczynnik proporcjonalności (wartość w zakresie od 40 do 50 w

zależności od źródeł), K - szybkość transmisji [Mbit/s].

Ponieważ wszystkie urządzenia CSMA/CA na magistrali muszą pracować z tą samą prędkością , a przy

długich liniach mogą powstawać różnice w wyniku opóźnień w nadajniku/odbiorniku lub wzmacniaczu sygnału
w linii transmisyjnej, długość magistrali musi być tym mniejsza im większa szybkość transmisji. Zależność ta,
opisana równaniem (3.1), jest dobrana empirycznie. W standardzie NMEA 2000 szybkość transmisji sieci CAN
ustawiono na 250 kbit/s, co odpowiada 200 – metrowej długości magistrali.

Metoda szybkiej transmisji poprzez kable miedziane o niskiej amplitudzie, mocy i małych zakłóceniach

(LVDS), bazuje na fakcie, że magistrala CAN musi być na obu końcach zamknięta rezystorami dopasowującymi
(terminatorami)  o  wartości  zależnej  od  impedancji  kabla.  Nadajnik  przesyła  mały  prąd  zależny  od  wartości
logicznej, która ma być przesłana jednym przewodem (zwykle 3,5 mA dla logicznej jedynki). Po przejściu przez
rezystor  końcowy  sygnał  wraca  w  przeciwnym  kierunku.  Odbiornik  mierzy  różnicę  napięć  w  obydwu
przewodach  względem  wspólnego  sygnału  odniesienia,  aby  wyznaczyć  stan  logiczny.  Układ  typowej  sieci
opartej  na  magistrali  CAN  przedstawiono  na  Rysunku  1.  Mała  amplituda  sygnału  oraz  silne  sprzężenie  pola
elektrycznego  i  magnetycznego  pomiędzy  parą  przewodów  powodują,  że  emisja  szumu  elektromagnetycznego
(oraz straty energii) jest bardzo mała.

Rys. 1 Układ typowej sieci opartej na magistrali CAN

LVDS wymaga zasilanych interfejsów sieciowych oraz wspólnego sygnału odniesienia dla wszystkich

węzłów  sieci.  Dwie  linie  sygnałowe  przenoszą  sygnały  różnicowe  mierzone  względem  wspólnego  sygnału
odniesienia.  W  sieci  CAN  występują  dwa  uzupełniające  się  poziomy  logiczne:  "dominujący"  (ang.  dominant)
lub  "ustępujący"  (ang.  "recessive").  Podczas  jednoczesnej  transmisji  bitu  "dominującego"  i  "ustępującego",
przez  dwa  różne  urządzenia,  otrzymamy  w  rezultacie  poziom  "dominujący".  Umownie  oznacza  się  poziom
"dominujący" jako 0, a poziom "ustępujący" jako 1. Poziom 0 ma wyższy priorytet niż poziom 1.  Norma ISO
11898 precyzuje poziom poszczególnych stanów:

Stan dominujący: CAN_H = 3,5V, CAN_L = 1,5V, V

diff

= CAN_H - CAN_L =2,0 V

Stan recesywny: CAN_H = 2,5V, CAN_L = 2,5V, V

diff

= CAN_H - CAN_L =0,0 V

Niskie napięcie różnicowe powoduje, że system zużywa bardzo mało energii w porównaniu z innymi

rozwiązaniami, co jest nie bez znaczenia zwłaszcza w przypadku jednostek żaglowych. Standard pozwala także
na  używanie  typowych  12-Voltowych  akumulatorów  jachtu  do  zasilania  całej  sieci,  gdy  kabel  szkieletowy  i
liczba  węzłów  jest  dostatecznie  mała.  W  przypadku  większych  instalacji,  można  użyć  kilku  źródeł  napięcia.
Zasilanie może być dostarczane przez kabel magistrali lub oddzielnym przewodem (dedykowana skrętka dwu-
przewodowa).  Taka  opcja  umożliwia  pobór  dodatkowego  prądu  przez  urządzenie  z  minimalną  komplikacją
interfejsu.  W  obydwu  przypadkach  zasilanie  i  sygnał  odniesienia  dla  obwodów  interfejsu  nie  mogą  mieć
bezpośredniego połączenia z obwodem zasilania lub uziemieniem urządzenia w sieci. Izolację można osiągnąć
na  wiele  sposobów.  Najpopularniejszym  sposobem  jest  stosowanie  izolacji  optycznej  w  urządzeniu  pomiędzy
kontrolerem  sieci  CAN  i  pozostałymi  obwodami.  Sposób  takiej  izolacji  zgodny  z  wymaganiami  normy  ISO
11898 przedstawiono na poniższym rysunku.

Rys. 2. Przykład izolacji optyczne między obwodami interfejsu a urządzeniami w sieci zgodny z normą ISO

11898 [6].

4. CAN w warstwie łącza danych

Podobnie jak w przypadku warstwy fizycznej, niektóre z własności warstwy łącza danych są

podyktowane  przez  wybór  CAN,  jako  głównej  magistrali  sieci.  NMEA  2000  w  całości  adoptuje
międzynarodowy standard warstwy łącza danych ISO 11783-3, który jest praktycznie identyczny ze standardem
SAE  J1939-21  (specyfikacja  CAN  w  samochodach  ciężarowych,  dostawczych  i  przyczepach).  Dodatkowe
wymagania  zawarte  w  NMEA  2000  zapewniają,  że  system  lepiej  radzi  sobie  ze  specjalnym  typem  danych  i
formatów przesyłanych przez urządzenia nawigacyjne oraz wspiera specyficzną konstrukcję tych urządzeń.

W warstwie łącza danych sieci NMEA 2000 główne funkcje interfejsu CAN to: generowanie

szeregowego strumienia bitów, kontrola dostępu do sieci oraz kontrola błędów i automatyczna retransmisja
wiadomości, przy której wystąpił błąd.

Rys. 3. Format komunikatu CAN (bez bitów separujących).

CAN jest systemem rozgłoszeniowym, w którym każdy nadawca wysyła swoje komunikaty. Każdy

sterownik w sieci odbiera wiadomość i na podstawie jej identyfikatora (Message identifier) decyduje, czy będzie
dane przetwarzał, czy je zignoruje. W obecnej specyfikacji CAN, 29-bitowe pole identyfikacji zawiera między
innymi  adres  nadajnika  (konkretny  adres  lub  adres  globalny),  rodzaj  przesyłanych  danych  oraz  informacje  o
priorytecie. Gdy zachodzi kolizja między dwoma urządzeniami próbującymi wysłać dane przez magistralę, CAN
porównuje  wysyłane  dane  bit  po  bicie  i  w  ten  sposób  decyduje  o  przyznaniu  dostępu,  przy  czym  arbitraż
następuje w oparciu o priorytet wiadomości. Metoda ta nosi nazwę CSMA/CA +AMP (Carrier Sense Multiple
Access  with  Collision  Avoidance  +    Arbitration  on  Message  Priority)  i  ma  tą  przewagę  nad  standardowym
protokołem CSMA/CA, że nie generuje dużych strat czasowych.

Do celów kontroli błędów każda ramka zawiera tzw. wielomian korekcyjny CRC (cyclic redundancy

check),  dzięki  któremu  odbiorniki  synchronizują  swoje  generatory  taktujące  z  nadajnikiem.  Odbiornik,  po
sprawdzeniu  formatu  i  CRC  ramki  danych,  wysyła  potwierdzenie  przyjęcia  komunikatu  za  pomocą  bitu  ACK
(Acknowledge) i bitów końca  komunikatu (End of Frame). W przypadku  wykrycia błędu  przez którykolwiek z
kontrolerów  w  sieci,  wysyła  on  zgłoszenie  błędu,  co  powoduje  zignorowanie  wadliwego  komunikatu  przez

wszystkie odbiorniki. Dzięki temu zagwarantowana jest zgodność danych w całej sieci. Nadajnik, który otrzymał
zgłoszenie błędu, natychmiast automatycznie retransmituje wiadomość, przy której błąd wystąpił. CAN
wykrywa także, kiedy dany węzeł generuje powtarzające się błędy i automatycznie wyłącza go z sieci dla
ochrony pozostałych elementów. Z badań [7] wynika, że stopa błędu transmisji w systemie CAN jest mniejsza
niż 10

-11

(procent błędów niewykrywalnych).

Standard NMEA 2000 w pełni wykorzystuje opisaną funkcjonalność sieci CAN, przy czym zadania jakie
nakłada na nią w warstwie łącza danych to głównie:

Zapewnienie metody transmisji danych, które są zbyt duże, aby zmieścić się w pojedynczej, 8-bitowej

ramce danych;

Definiowanie zestawu wiadomości dla wydawania komend urządzeniom w sieci (np. żądanie danych i

żądanie potwierdzenia).

CAN został pierwotnie zaprojektowany jako sieć transmisji między czujnikami i serwomechanizmami

oraz układem sterującym. Komunikacja taka nie wymagała przesyłu zbyt rozbudowanych wiadomości i 8-bitowa
ramka  była  w  pełni  wystarczająca.  Ze  względu  na  specyfikę  urządzeń  nawigacyjnych,  wiele  wiadomości  w
systemie NMEA 2000 przekracza pojemność standardowej ramki danych kontrolera CAN. Aby poradzić sobie z
tym  problemem,  do  transmisji  wykorzystywana  jest  metoda  szybkich  pakietów  (Fast-packet  method),
umożliwiająca transmisje 223 bajtów danych z jednym identyfikatorem. Metoda polega na przesyłani sekwencji
ramek,  z  których  pierwsza  w  całości  zawiera  dane  o  rozmiarze  pakietu,  licznik  sekwencji  do  rozróżniania
wiadomości  tego  samego  typu  w  pakiecie  oraz  licznik  ramek.  Każda  dodatkowa  ramka  wykorzystuje  1  bajt
swojej przestrzeni dla danych do licznika zdarzeń i licznika ramek.

NMEA 2000 rozszerza możliwości, jakie daje standard ISO 11783-3, dostarczając nowy nie stosowany

dotąd  w  adaptacjach  magistrali  CAN  typ  wiadomości  –  tzw.  rozkaz  (Command),  umożliwiający  ustawienie
konkretnej wartości lub wywołanie określonego działania w urządzeniu odbierającym. Dodatkowo wiadomość –
żądanie,  zdefiniowana  w  NMEA  2000,  umożliwia  ustawienie  w  urządzeniu  nadawczym  interwału  czasowego
transmisji  konkretnych  danych.  Dla  przykładu  -  wiadomość  zawierająca  dane  punktu  drogi  (ang.  Waypoint),
składa  się  zwykle  z  pozycji,  nazwy,  numeru  i  symbolu  tego  punktu.  Za  pomocą  żądania  urządzenie  może
wymusić nadanie informacji o danym „waypoincie” przez podanie dowolnie nazwy, numeru lub pozycji punktu.

5. Pozostałe warstwy sieci NMEA 2000

Procedury wykorzystywane w zarządzaniu siecią NMEA 2000 wynikają bezpośrednio ze standardu ISO

11783-5 (bazuje na SAE J1939-81). Zgodnie z wytycznymi, można w uproszczeniu opisać rolę tej warstwy jako
przydzielanie  adresów  i  identyfikacja  urządzeń  w  sieci  oraz  inicjalizacja  systemu  po  włączeniu  zasilania.  Z
pośród  256  dostępnych  w  NMEA  2000  adresów  sieciowych  tylko  adresy  od  0-251  można  przypisać
urządzeniom.  Adres  255  jest  adresem  globalnym,  używanym  do  przesyłania  wiadomości  do  wszystkich
urządzeń i ze względu na charakter sieci (sieć rozsiewcza) jest najczęściej używany przy wysyłaniu wiadomości.
Pozostałe  adresy  zarezerwowane  są  do  raportowani  problemów  lub  zarezerwowane  do  użycia  w  kolejnych
wersjach  standardu.  W  przeciwieństwie  do  dotychczasowych  aplikacji  CAN,  wszystkie  urządzenia  zgodne  z
NMEA 2000 muszą być samo-konfigurujące, czyli muszą być zdolne do samoczynnego pozyskania adresu przy
włączeniu  systemu  (urządzenia  nie  mają  stałych  adresów).  Procedura  przydzielania  adresów  wykorzystuje
zawartość  pola  danych  wiadomości  –  żądania  adresu,  wysyłanego  przez  każde  urządzenie  przy  starcie.
Wiadomość ta zawiera nazwę urządzenia, składającą się z numerów identyfikujących rodzaj sprzętu, producenta
oraz  unikalnego  numeru  określającego  konkretny  egzemplarz.  Przyznawanie  adresu  odbywa  się  zgodnie  z
priorytetem nazwy.  Wiadomość - żądanie zdefiniowana w  warstwie łącza danych sieci NMEA 2000 może być
używana  do  wyszukiwania  informacji  o  urządzeniach  podłączonych  w  sieci,  w  celu  budowy  mapy  całego
systemu  dostępnej  dla  użytkownika.  Dodatkową  funkcjonalnością  sieci  jest  możliwość  wprowadzenia
komentarzy  instalacyjnych  przez  wykonawcę,  które  mogą  być  transmitowane  na  żądanie.  Warstwa  aplikacji
definiuje  składnie  wszystkich  wiadomości,  jakie  mają  być  przesyłane  w  sieci.  Wszystkie  wiadomości  są
porządkowane  w  grupy  parametrowe,  które  są  identyfikowane  przez  numer  PGN  (parameter  group  number),
zawarty w polu identyfikacyjnym ramki CAN.

6. Analiza zakresu zastosowań magistrali CAN w sieciach statkowych

W dziedzinie statkowych systemów pokładowych zachodzi postępująca integracja układów. Zjawisko

to występuje w różnym stopniu na pokładach statków handlowych, kutrów rybackich czy jachtów rekreacyjnych.
Jednak, niezależnie od przeznaczenia, wielkości i poziomu złożoności zainstalowanych podsystemów potrzebna
jest standaryzacja procesu wymiany danych, pomiędzy poszczególnymi urządzeniami tych jednostek. Ogólną
konfigurację statkowego systemu pokładowego ilustruje rysunek 4.

Rys. 4. Sieci i interfejsy statkowe[4].

Duże jednostki handlowe, ze względu na swoja specyfikę, posiadają rozbudowany system

administrowania  danymi,  takimi  jak  ilość  i  rozlokowanie  ładunku  itp.  Często  takie  bazy  danych  muszą  być
dostępne nie tylko z poziomu  terminali rozlokowanych w różnych częściach statku, ale także, za pośrednictwem
systemów satelitarnych (np. IMMARSAT C), sprzężone z centralnym serwerem w biurze armatora. O ile system
administracyjny  jest  istotny,  ze  względu  na  efektywne  zarządzanie  statkiem,  to  jego  sprawne  działanie  nie  ma
jednak istotnego wpływu na bezpieczeństwo żeglugi. Nie jest on więc objęty ścisłymi regulacjami i ,ze względu
na  wygodę  użytkowników,  został  praktycznie  całkowicie  opanowany  przez  komputery  klasy  PC  pracujące  w
standardowej sieci LAN, zbudowanej w oparciu o powszechnie dostępne podzespoły.

Decyzje, które wpływają bezpośrednio na bezpieczeństwo statku i załogi, a także, co w ostatnich latach

szczególnie zyskało na znaczeniu, dotyczące bezpieczeństwa ekologicznego, podejmowane są zwykle na mostku
lub w innych centrach kontroli, będących częścią systemu zintegrowanego mostka. Aby efektywnie podejmować
takie decyzje oraz zagwarantować sprawne ich wdrożenie, kapitan i oficerowie potrzebują dostępu do danych z
wielu  systemów  statkowych  (nawigacyjnego,  maszynowni,  kontroli  przeciwpożarowej  itp.).  Specyfika
transportu  morskiego  oraz  szczególne  wymagania  w  zakresie  niezawodności  wykluczają  wykorzystanie
tradycyjnej sieci LAN w tych systemach,  mimo że wymagania odnośnie rodzaju i szybkości transmisji danych
są  podobne.  Duża  ilość  danych,  która  musi  być  przesyłana  w  systemie  wspomagania  decyzji,  dyskwalifikuje
jednocześnie  sieć  CAN  dedykowaną  do  przesyłu  krótkich  wiadomości  z  bardzo  dużą  niezawodnością.
Wymagania w zakresie komunikacji między podsystemami zintegrowanego mostka zostały unormowane przez
norweski  Maritime  Information  Technology  Standard  (MiTS)[8].  Ten  bazujący  na  protokole  TCP/IP  (sieć
Ethernet)    system  jest  obecnie  w  fazie  implementacji  i  testów.  Przewiduje  się  wzrost  zainteresowania  sieciami
Ethernetowymi w warstwie nadzoru [5]. Świadczy o tym także, niedawne przyjęcie standard MiTS za podstawę
europejskiej normy IEC 61162-4.

Okazuje się jednak, że propagowane przez MiTS układy oparte na protokole TCP/IP, nie w pełni

odpowiadają  wszystkim  szczeblom  komunikacji  statkowej.  Poszczególne  podsystemy  statku,  takie  jak
sterowanie  maszynownią,  czy  system  nawigacyjny,  wykonują  przeważnie  ściśle  określone  funkcje  i  często
regulują  procesy  o  stałej  czasowej  rzędu  milisekund.  Potrzebują  więc  systemu  wymiany  danych  czasu
rzeczywistego.  CAN  jest  takim  systemem  i  w  przeciwieństwie  do  sieci  Ethernetowych  jest  deterministyczny.
Ponadto  podsystemy  maszynowe,  nawigacyjne,  czy  kontrolne  są  zwykle  bardziej  autonomiczne  i  przenoszą
stosunkowo  mało  danych  (krótkie  komunikaty)  w  porównaniu  do  innych  systemów  statkowych.  Sieć
dedykowana  do  komunikacji  pomiędzy  prostymi  i,  w  związku  z  tym  relatywnie  niedrogimi  aktuatorami  i
sensorami, powinna cechować się znacznie niższym kosztem w przeliczeniu na węzeł niż inne sieci statkowe. Te
wszystkie  wymagania sprawiają, że wybór niskokosztowej, dwukierunkowej i  wielodostępowej sieci CAN, do
komunikacji w  obrębie podsystemów jest w pełni uzasadniony.

7. Podsumowanie

Wymagania odnośnie pokładowych sieci komunikacyjnych są bardzo wysokie. Protokół CAN i oparta

na  nim  sieć  NMEA  2000  potrafi  sprostać  tym  wymaganiom,  ale  tylko  w  obrębie  komunikacji  między
poszczególnymi sensorami i aktuatorami. Niskie koszty komponentów i łatwość rekonfiguracji elementów sieci
z całą pewnością przyczynią się do utrzymania standardu w tym segmencie. Procedura usuwania błędów w sieci
CAN  nie  jest  adaptacyjna,  więc  niekiedy  zabiera  więcej  czasu  niż  w  przypadku  innych  protokołów.    Dopóki
sama detekcja błędów będzie ważniejszym priorytetem,  niż ich usuwanie, tanie kontrolery CAN są naturalnym
rozwiązaniem.  CAN  był  rozwijany  przez  ponad  17  lat  i  przewiduje  się  [9],  że  opracowanie  jakiegokolwiek
rozwiązania, które mogłoby go zastąpić, zajęłoby tyle samo czasu.

Głównym ograniczeniem CAN w zastosowaniach statkowych wydaje się prędkość przesyłu, która jest

zależna  od  długości  magistrali.  Przemawia  to  znacząco  na  korzyść  konkurencyjnego  rozwiązania  w  postaci
standaryzowanych  statkowych  sieci  LAN  (MiTS),  których  rozwój  w  kierunku  systemów  czasu  rzeczywistego
jest możliwy przy synchronizacji zegarów we wszystkich węzłach. Pojemność sieci NMEA 2000 da się z kolei
zwiększyć  poprzez  optymalizację  organizacji  sprzętu  elektronicznego  oraz  transferu  i  formy  danych,  a  w  tym
kierunku powinny być prowadzone dalsze badania.
Warto zauważyć, że o ile w przypadku dużych statków stosowalność systemów CAN jest ograniczona do sieci
aktuator-sensor,  to  takiego  rodzaju  komunikacja  jest  dominująca  na  małych  jednostkach  żaglowych  i
motorowych,  operujących  do  tej  pory  na  konwencjonalnym  sterowaniu  elektrycznym  z  ograniczony
wykorzystaniem  protokołu  NMEA  0183.  Niskie  koszty  i  uproszczenie  instalacji  elektrycznej,  a  także  łatwe
wprowadzenie  redundancji  w  przypadku  systemów  krytycznych  (podwójna  magistrala),  czynią  nowy  standard
idealnym  do  wykorzystania  w  małych  jednostkach.  Pojawiają  się  już  pierwsze  aplikacje  sieci  NMEA  2000  w
jachtach  motorowych  [10],  jednak  wiedza  na  temat  systemu  nadal  nie  jest  rozpowszechniona  wśród  zespołów
projektowych.  Biorąc  pod  uwagę  znaczący  udział  krajowych  stoczni  jachtowych  w  tym  segmencie  rynku,
wskazane wydaje się propagowanie tego rozwiązania wśród producentów i konstruktorów jako innowacji, która
może  przełożyć  się  na  wzrost  konkurencyjności  przedsiębiorstw.  Wskazane  są  także  dalsze  badania  nad
możliwością aplikacji standardu NMEA  2000 w jednostkach rekreacyjnych.

Literatura

1.  SimNet Installation Manual 2004 Simrad AS.
2.  SeaTalk Reference Manual 2007 Raymarine plc.
3.  ISO standard 7498-1:1994 Information technology – Open Systems Interconnection – Basic Reference

Model: The Basic Model

4. F. Cassidy NMEA 2000 Explained - The latest word , 1999, Marine Electronics.
5. L. A. Luft, L. Anderson, F. Cassidy, NMEA 2000 A Digital Interface for the 21st Century, Institute of

Navigation’s National Technical, 2002 San Diego, California

6. National Marine Electronics Association (1999) NMEA 2000, version draft 4.1.
7. W. Zimmermann, R. Schmidgall, Bussysteme in der Fahrzeugtechnik, Vieweg & Sohn Verlag

Wiesbaden 2007.