1

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................. 3

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC TRANG THIẾT BỊ VÀ YÊU CẦU GHÉP NỐI ........... 4

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................ 4

1.2 CÁC TRANG THIẾT BỊ NGHI KHÍ HÀNG HẢI VÀ VÔ TUYẾN ĐIỆN

TRÊN TÀU BIỂN ........................................................................................................ 4

1.2.1 Các thiết bị trong hệ thống GMDSS ................................................................. 4

1.2.2 Một số các thiết bị nghi khí hàng hải trên tàu ................................................. 11

1.3 YÊU CẦU GHÉP NỐI .......................................................................................... 14

CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHUẨN GHÉP NỐI CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG

NGHI KHÍ HÀNG HẢI VÀ VTĐ TRÊN TÀU BIỂN HIỆN NAY ................................ 16

2.1 KHÁI QUÁT CHUẨN GHÉP NỐI CƠ BẢN DÙNG TRONG HỆ THỐNG

NGHI KHÍ HÀNG HẢI VÀ VÔ TUYẾN ĐIỆN TRÊN TÀU BIỂN HIỆN NAY . ..... 16

2.1.1Tiêu chuẩn IEC 61162 ..................................................................................... 16

2.1.2 Chuẩn ghép nối NMEA ................................................................................... 16

2.2 PHÂN TÍCH CHUẨN GHÉP NỐI NMEA 0183 .................................................. 17

2.2.1 Giới thiệu giao diện NMEA 0183 ................................................................... 17

2.2.2 Định dạng câu lệnh của MNEA 0183 ............................................................. 18

2.2.2 Kết nối với các thiết bị .................................................................................... 23

2.3 CÁC GIAO DIỆN VẬT LÝ .............................................................................. 29

2.3.1 Chuẩn truyền dẫn dữ liệu RS-232. .................................................................. 29

2.3.2 Chuẩn truyền dẫn dữ liệu RS-422 .................................................................. 31

2.4 MÔ PHỎNG DỮ LIỆU NMEA 0183 ................................................................... 32

2.4.1 Mô phỏng việc trao đổi dữ liệu bằng Phần mềm Hyper Terminal và phần

mềm GpcSim trên Windown 7 ................................................................................. 32

CHƢƠNG 3: XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CHUẨN GHÉP NỐI MỚI HIỆN NAY ........ 35

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG .......................................................................................... 35

3.2 CẤU TRÚC MẠNG NMEA 2000 ........................................................................ 37

3.2.1 Các thành phần của mạng NMEA 2000 .......................................................... 37

3.2.2 Cấu trúc mạng ................................................................................................ 40

3.3 GIAO DIỆN VẬT LÝ ............................................................................................. 42

2

4.3 GIAO DIỆN VÀ MẠNG NMEA 2000 TRÊN TÀU THỦY .................................. 44

3.4 SỰ CHUYỂN ĐỔI GIỮA NMEA 0183 VÀ NMEA 2000 .................................... 45

KẾT LUẬN .................................................................................................................... 49

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 50

3

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các trang thiết bị nghi khí

hàng hải và vô tuyến hiện đại đƣợc trang bị rất nhiều trên tàu nhằm nâng cao hiệu

quả khai thác và đồng thời đảm bảo an toàn hàng hải. Từ một thiết bị ngƣời sĩ quan có

thể lấy đƣợc đầy đủ các thông tin phục vụ mục đích điều khiển, khai thác do các thiết

bị đƣợc ghép nối chặt chẽ với nhau. Do mỗi thiết bị nghi khí hàng hải và vô tuyến điện

có yêu cầu về chuẩn truyền thông với tính năng khác nhau là khác nhau và có nhiều

hãng sản xuất dẫn đến việc ra đời chuẩn ghép nối chung giữa các thiết bị này. Chỉ khi

hiểu đƣợc chuẩn ghép nối ta mới có thể ghép nối các thiết bị này đƣợc với nhau. Chính

vì lý do trên mà em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu các chuẩn ghép nối

ứng dụng trong hệ thống nghi khí hàng hải và vô tuyến điện trên tàu biển hiện

nay”.

Nội dung chính trong đề tài của em trình bày nhƣ sau:

- Chƣơng 1: Giới thiệu các trang thiết bị và yêu cầu ghép nối.

- Chƣơng 2: Nghiên cứu các chuẩn ghép nối cơ bản trong hệ thống nghi khí

hàng hải và vô tuyến điện trên tàu.

- Chƣơng 3: Xu hƣớng phát triển chuẩn ghép nối mới hiện nay.

Trong quá trình thực hiện đồ án em đã nhận đƣợc sự chỉ bảo tận tình của thầy

giáo –ThS. NGUYỄN NGỌC SƠN, các anh chị kỹ sƣ ở Công ty thƣơng mại và dịch

vụ kỹ thuật hàng hải MTS. Cùng với sự nỗ lực của bản thân và lời động viên giúp đỡ

của gia đình, bạn bè em đã hoàn thành đồ án đúng tiến độ. Em xin chân thành cảm ơn

sự hƣớng dẫn của thầy,gia đình và bạn bè. Nhân đây em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

tới các thầy, cô giáo bộ môn Điện tử viễn thông, khoa Điện-Điện tử tàu biển trƣờng

Đại học hàng hải Việt Nam đã dạy dỗ, đào tạo em suốt năm năm qua.

Hải Phòng, ngày 25 tháng02 năm 2013

Sinh Viên : NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

Lớp : ĐTV 49-ĐH

4

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CÁC TRANG THIẾT BỊ VÀ YÊU CẦU

GHÉP NỐI

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Ngày nay dịch vụ vận tải biển đang phát triển nhanh trở thành ngành kinh tế thế

mạnh của đất nƣớc. Rất nhiều các con tàu lớn ra đời với đội ngũ tàu biển ngày càng

tăng nhằm đáp ứng nhu cầu vận tải biển lớn với giá thành vận chuyển thấp. Với xu

hƣớng phát triển đó, mật độ tàu bè tăng cao thì yêu cầu về an toàn hàng hải ngày càng

đƣợc chú trọng. Công ƣớc quốc tế về an toàn sinh mạng con ngƣời trên biển (SOLAS)

1974 liên tục đƣợc bổ sung và sửa đổi nhằm đảm bảo an toàn hàng hải. Bên cạnh đó sự

phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã cho ra đời rất nhiều các thiết bị

nghi khí hàng hải và vô tuyến điện trên biển để đáp ứng công ƣớc trên đồng thời giúp

ngƣời sĩ quan buồng lái khai thác dễ ràng và chính xác, tránh đâm va tai nạn trên biển.

Từ một thiết bị ngƣời sĩ quan có thể lấy đƣợc đầy đủ các thông tin phục vụ mục đích

điều khiển, khai thác do các thiết bị đƣợc ghép nối chặt chẽ với nhau. Việc ghép nối

phải đảm bảo sao cho việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị là dễ dàng nhất. Do mỗi

thiết bị nghi khí hàng hải và vô tuyến điện có yêu cầu về chuẩn truyền thông với tính

năng khác nhau là khác nhau và việc sản xuất từ nhiều các công ty khác nhau dẫn đến

yêu cầu cần chuẩn ghép nối chung giữa các thiết bị là rất cần thiết. Xuất phát từ yêu

cầu đó các tổ chức quốc tế đã cho ra đời các chuẩn ghép nối hàng hải chung giữa các

thiết bị nghi khí hàng hải và vô tuyến điện trên tàu. Ở đề tài này em xin trình bày một

số chuẩn ghép nối sử dụng trong các thiết bị nghi khí hàng hải và vô tuyến điện trên

tàu biển hiện nay cùng với xu hƣớng phát triển của các chuẩn này.

1.2 CÁC TRANG THIẾT BỊ NGHI KHÍ HÀNG HẢI VÀ VÔ TUYẾN

ĐIỆN TRÊN TÀU BIỂN

1.2.1 Các thiết bị trong hệ thống GMDSS

Nhƣ ta đã biết các trang thiết bị thông tin trong hệ thống GMDSS trang bị trên

tàu đƣợc quyết định bởi vùng hoạt động của tàu chứ không phải theo kích cỡ của tàu.

Bên cạnh đó tàu hoạt động trên biển bắt buộc phải đƣợc trang bị các thiết bị hoạt động

sau đây trong hệ thống GMDSS mà không phụ thuộc vào vùng biển mà tàu hoạt động:

Một máy vô tuyến VHF có khả năng phát và thu liên tục bằng DSC trên kênh

70. Có các tần số của kênh thoại 156.8MHz (kênh 16), 156,650MHz (kênh 13) và

156.3MHz(kênh 6).

Một máy vô tuyến có khả năng trực canh liên tục trên kênh 70 VHF, nó có thể

tách riêng hoặc kết hợp với thiết bị thu phát VHF thoại.

5

Thiết bị phản xạ radar – Radar transponder hoạt động trên tần số 9GHz phục vụ

cho tìm kiếm cứu nạn – SART.

Thiết bị thu nhận thông tin an toàn hàng hải –MSI- máy thu NAVTEX, nếu tàu

hoạt động trên vùng biển có dịch vụ NAVTEX quốc tế. Nếu tàu hoạt động trong vùng

biển không có các dịch vụ NAVTEX quốc tế thì phải đƣợc trang bị một máy thu gọi

nhóm tăng cƣờng EGC.

Phao định vị vô tuyến qua vệ tinh EPIRB có khả năng phát báo động cấp cứu

qua vệ tinh quỹ đạo cực hoạt động trên tần số 406MHz. Phao định vị vô tuyến này

phải đƣợc đặt ở vị trí dễ dàng, thuận tiện có khả năng hoạt động bằng tay, tự nổi khi

tàu đắm và tự động hoạt động khi nổi.

Trang thiết bị vô tuyến khi tàu hoạt động ở vùng biển A1:

Tất cả các tàu khi hoạt động trong vùng biển A1, ngoài các trang thiết bị quy

định chung ở mục trên còn phải buộc trang bị các thiết bị vô tuyến điện sau đây, có

khả năng báo động cấp cứu chiều từ tàu đến bờ:

VHF DSC, EPIRB, thiết bị thu phát MF/HF gọi chọn số DSC. Với các thiết bị

VHF cũng phải có khả năng phát và thu bằng thoại những thông tin thông thƣờng .

Trang thiết bị vô tuyến điện cho tàu hoạt động vùng biển A1 và A2:

Tất cả các tàu hoạt động ngoài vùng biển A1 nhƣng trong vùng biển A2, ngoài

các trang thiết bị quy định chung phải trang bị thêm:

Thiết bị MF có thể phát tín hiệu cấp cứu bằng DSC trên tần số 2178.5KHz và

trên tần số 2182 KHz bằng thông tin vô tuyến điện thoại.

Máy thu trực canh DSC có khả năng duy trì trực canh liên tục trên tần số

2187.5 KHz.

Một thiết bị phát tín hiệu cấp cứu từ tàu đến bờ có thể là EPIRB-406MHz hoặc

thiết bị HF/DSC, hoặc 1 trạm IMARSAT.

Thiết bị thu phát cho mục đích thông tin thông thƣờng bằng vô tuyến điện thoại,

hoặc truyền chữ băng hẹp NBDP hoạt động ở dải tần số từ 4000KHZ- 27500KHZ,

hoặc 1 trạm INMARSAT.

Trang thiết bị cho tàu hoạt động ở vùng biển A1, A2 và A3

Tất cả các tàu hoạt động ngoài vùng biển A1 và A2 nhƣng trong vùng biển A3

6

ngoài các trang thiết bị quy định chung nhƣ trên sẽ phải trang bị theo 1 trong 2 cách

lựa chọn sau:

Lựa chọn 1:

Trạm INMARSAT có khả năng :

Phát và thu những thông tin cấp cứu và an toàn bằng truyền chữ trực tiếp băng

hẹp.

Nhận cuộc gọi ƣu tiên cấp cứu duy trì trực canh với những báo động cấp cứu

chiều từ bờ tới tàu.

Phát và thu các thông tin thông thƣờng bằng vô tuyến điện thoại hoặc truyền

chữ băng hẹp.

Một thiết bị MF có thể phát tín hiệu cấp cứu bằng DSC trên tần số 2178.5KHz

và trên tần số 2182 KHz bằng thông tin vô tuyến điện thoại.

Máy thu trực canh DSC có khả năng duy trì trực canh liên tục trên tần số

2187.5 KHz.

Một thiết bị phát tín hiệu cấp cứu từ tàu đến bờ có thể là EPIRB-406MHz hoặc

thiết bị HF/DSC, hoặc 1 trạm IMARSAT

Lựa chọn 2:

Một thiết bị thu phát MF/HF cho mục đích thông tin cấp cứu và an toàn trên tất

cả các tần số cấp cứu và an toàn trong dải tần từ 1605KHz-4000KHz và 400KHz-

27500KHz bằng phƣơng thức thông tin DSC, thoại và truyền chữ trực tiếp băng hẹp.

Một thiết bị có khả năng duy trì việc trực canh bằng DSC trên tần số 2187.5

KHz và 8414.5KHz và ít nhất 1 trong các tần số cấp cứu và an toàn DSC sau :

4207.5KHz, 6312KHz, 12577KHz hoặc 16804.5KHz .

Thiết bị phát tín hiệu cấp cứu chiều từ tàu tới bờ. Ngoài thiết bị thu phát MF/HF

có thể là EPIRB 406MHz hoặc 1 trạm IMARSAT.

Thiết bị thu phát MF/HF có dải tần 1605KHz-4000KHz và 400KHz-

27500KHz, phục vụ cho các dịch vụ thông tin thông thƣờng bằng phƣơng thức thông

tin thoại hoặc truyền chữ băng hẹp.

Trang thiết bị vô tuyến điện cho tàu hoạt động ở vùng biển A1, A2, A3 và A4

Tất cả các tàu hoạt động trên tất cả các vùng biển ngoài trang thiết bị quy định

chung sẽ phải trang bị thêm :

7

Thiết bị thu phát MF/HF sử dụng cho mục đích an toàn và cứu nạn, có các

phƣơng thức thông tin gọi chọn số DSC, thoại và truyền chữ băng hẹp 1605KHz-

4000KHz và 400KHz- 27500KHz.

Máy thu trực canh DSC trên tần số 2187.5 KHz và 8414.5KHz và ít nhất 1

trong các tần số sau : 4207.5KHz, 6312KHz, 12577KHz hoặc 16804.5KHz.

Thiết bị EPIRB/406MHz thu phát tín hiệu cấp cứu chiều từ tàu-bờ.

Thiết bị thu phát MF/HF có dải tần 1605KHz-4000KHz và 400KHz-

27500KHz, phục vụ cho các dịch vụ thông tin thông thƣờng bằng phƣơng thức thông

tin thoại hoặc truyền chữ băng hẹp.

Một số các thiết bị GMDSS trong thực tế được trang bị trên các tàu hiện nay:

a) Máy VHF STR600A

Hình 1.1 : Thiết bị VHF STR6000A

Thiết bị VHF STR600A đƣợc thiết kế để kết nối với 2 anten. Một anten dùng để

thu phát tín hiệu thoại và phát tín hiệu DSC, một anten thu trực canh DSC luôn sẵn

sàng thu các bức điện DSC trên kênh 70 VHF. Nguồn cung cấp cho thiết bị là 1 bộ

nguồn chuẩn 13.8VDC. Các thông số cơ bản của máy nhƣ sau:

- Tần số phát từ 156.025 MHz đến 157.425MHz.

- Tần số thu từ 156.050 MHz đến 163.275 MHz.

- Chế độ phát xạ : G3E và G2B.

- Trở kháng anten: 50Ω

- Công suất phát : 25W ( mức cao) và 1W (mức thấp

b) Thiết bị SART 9G ( SAMYUNG)

Bộ phản xạ Radar dùng trong tìm kiếm cứu nạn- SART là phƣơng tiện chính trong

hệ thống GMDSS để xác định vị trí của tàu bị nạn hoặc xuồng cứu sinh của các tàu bị

nạn đó. Theo công ƣớc của SOLAS/88 sửa đổi tất cả các tàu chạy biển đều phải trang

bị SART. Các thiết bị SART hoạt động ở dải 9GHz (băng X) sẽ tạo ra 1 chuỗi các tín

hiệu phản xạ khi có sự kích hoạt của bất kỳ một tín hiệu của Radar hoạt động ở băng

8

tần X nào. Khi hoạt động trong tình huống cấp cứu, SART sẽ đáp lại các xung kích

thích của Radar bằng cách phát ra các tín hiệu tần số quét để tạo ra 1 đƣờng thẳng trên

màn hình Radar gồm 12 nét đứt từ tâm ra vị trí của SART. Thông số của cơ bản của

thiết bị SART 9G ( SAMYUNG) này nhƣ sau:

- Tần số : 9.2 ~9.5 GHz.

- Công suất phát xạ lớn hơn 400mW (26dBm).

- Chế độ Standby : 96h.

- Phát báo động cấp cứu liên tục trong vòng 8h

- Nhiệt độ: hoạt động -20 đến 55 , lƣu trữ -30 đến 65 .

Hình 1.2 : Thiết bị SART 9G của hãng SAMYUNG

c) Thiết bị MF/HF SRG 3150D/DN

Thiết bị SRG3150D/DN của hãng SAMYUNG sản xuất hiện nay đƣợc nhiều

tàu trang bị do giá thành và tính ổn định của thiết bị. Ngoài ra thiết bị còn đƣợc kết nối

với hệ thống NBDP, có thể kể tới 1 số thông số cơ bản của máy nhƣ sau.

- Hãng sản xuất: SAMYUNG.

- Dải tần: Tx: 1,6 - 27,5 MHz ; Rx: 500KHz - 29,9999MHz

- Nguồn cung cấp 24 VDC.

- Công suất phát: + Đối với SRG – 1350D/DN: JBE(150W), FIB (100W), H3E

(75W).

9

Hình 1.3 : Thiết bị MF/HF SRG-3150D/DN

d) EPIRB SEP 406

EPIRB là hệ thống tìm kiếm và cứu nạn toàn cầu trên các tần số 121.5MHz và

406.025MHz. Các thông số chính của EPIRB nhƣ sau:

- Sử dụng hai tần số là 121.5 Mhz (VHF EIPRB) và 406.025 Mhz.

- Công suất bức xạ nhỏ. Với EIPRB công suất bức xạ 5W, chu kỳ lặp lại 50s,

thời gian phát 0.5s/lần.

- Thời gian phát lên đến 48h ở nhiệt độ -20 độ và 80h ở nhiệt độ +20 độ.

Hình 1.4 : EPIRB SEP406

e) IMARSAT MINI-C FELCOM16

Thông số cơ bản của máy nhƣ sau:

- Tần số phát : 1626.5-1646.5MHz

- Tần số thu : 1530- 1545.0 MHz

- Tần số thu GPS : 1575.42MHz

- Độ rộng kênh 5KHz

10

- Nguồn cung cấp : 12-14 VDC, 60W (Tx), 10W (Rx)

- Dải nhiệt độ làm việc : -150 - +55

0

Hình 1.5 : IMARSAT MINI-C FELCOM16

f) NAVTEX NCR 333.

Navtex quốc tế là một dịch vụ truyền chữ trực tiếp trên tần số 518khz-là tần số

navtex quốc tế, sử dụng kỹ thuật truyền chữ trực tiếp băng hẹp NPDB và chế độ phát

FEC để truyền những thông tin an toàn hàng hải MSI. Dịch vụ navtex bao gồm khí

tƣợng và thời tiết, các loại thông báo hàng hải các thông tin về khẩn cấp và an toàn…,

sẽ truyền tới tất cả các loại tàu nằm trong vùng phủ sóng Navtex. Trên các tàu hiện nay

thƣờng trang bị máy thu Navtex NCR 333 của hãng JRC, thông số cơ bản của máy

nhƣ sau:

Hình 1.6 NAVTEX NCR333

- Tần số thu : 490khz, 518khz, 4209.5khz

- Nguồn cung cấp : 10,8 – 35 VDC

- Nhiệt độ hoạt động : -15o- 55

oC

11

1.2.2 Một số các thiết bị nghi khí hàng hải trên tàu

Bên cạnh các thiết bị GMDSS các tàu cần đƣợc trang thiết bị 1 số các thiết bị

nghi khí hàng hải nhƣ sau:

Tùy theo kích thƣớc của tàu các tàu cần trang bị thêm các thiết bị nghi khí sau:

Một la bàn từ tiêu chuẩn đƣợc hiệu chuẩn chính xác hoặc phƣơng tiện khác độc

lập với bất kỳ nguồn năng lƣợng nào để xác định hƣớng tàu và hiển thị đọc đƣợc tại vị

trí lái tàu chính.

Một vành chia độ hoặc mặt la bàn hoặc phƣơng tiện khác độc lập với bất kỳ

nguồn năng lƣợng nào đƣợc chia độ theo phƣơng ngang 3600.

Một phƣơng tiện hiệu chỉnh hƣớng tàu và phƣơng vị chính xác tại mọi thời

điểm.

Các hải đồ và ấn phẩm hàng hải để lập kế hoạch biểu thị hành trình tàu theo

hành trình dự tính; có thể dùng hệ thống hải đồ điện tử .

Một thiết bị thu hệ thống thông tin hàng hải toàn cầu hoặc hệ thống vô tuyến

hàng hải mặt đất, hoặc các phƣơng tiện khác phù hợp cho việc sử dụng trong suốt thời

gian hành trình để cung cấp và cập nhật tự động vị trí tàu. Hiện nay các tàu thƣờng

đƣợc trang bị các thiết bị cập nhật vị trí qua hệ thống GPS. Có thể kể 1 số thiết bị GPS

nhƣ máy GPS KGP-913 của hãng KODEN, máy GPS NAVIGATOR GP-32 của hãng

FURUNO,..v.v.

Radar để quan sát các phƣơng tiện khác, xác định và chỉ báo khoảng cách và vị

trí của thiết bị phát báo radar và các tàu, mục tiêu, phao khác nổi trên mặt biển, bờ

biển và các ký hiệu hàng hải nhằm hỗ trợ hàng hải và tránh va, hoạt động ở cả 9 và

3GHz. Với sự trợ giúp của radar trên tàu, tai nạn có thể đƣợc ngăn ngừa. Màn hình

radar hiển thị tất cả các mục tiêu hiện thời xung quanh, tuỳ thuộc theo tầm xa. Với tất

cả các mục tiêu đƣợc hiển thị rõ ràng trên màn hình nhƣ vậy, việc hàng hải và giám sát

vị trí các tàu khác trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn. Nguyên lý Radar phát hiện mục

tiêu bằng cách phát đi các xung siêu cao tần cực ngắn vào không gian, thu xung phản

xạ trở về từ các mục tiêu và thể hiện các xung phản xạ đó thành các mục tiêu trên màn

hình. Radar hàng hải cho ta hai thông số của mục tiêu, đó là góc mạn và khoảng cách

từ mục tiêu tới tàu ta, kết hợp với la bàn sẽ cho phƣơng vị mục tiêu. Một số radar

thƣờng sử dụng trên tàu hiên nay nay nhƣ RADAR FURUNO 2117, FR 1505MKIII..

Một thiết bị tự động nhận dạng AIS (Automatic Identification System) cung

cấp tự động trạng thái hàng hải của tàu và các thông tin an toàn khác. Các thiết bị AIS

12

hoạt động trên dải tần VHF hoặc có khả năng kết hợp với thiết bị Inmarsat-C thông

qua hệ thống Inmarsat-C nhằm mục đích:

- Cung cấp dữ liệu nhận dạng cảu các phƣơng tiện vận tải: tàu, máy bay, các trạm

bờ…

- Theo dõi, quản lý quá trình lƣu thông hàng hải.

- Thực hiện trao đổi thông tin đơn giản giữa các phƣơng tiện với nhau hoặc giữa

phƣơng tiện với bờ.

- Phục vụ tìm kiếm cứu nạn, an toàn hàng hải, an ninh, tìm kiếm cứu nạn, bảo vệ

môi trƣờng biển…

Hệ thống tự động ghi dữ liệu hành trình VDR (Voyage Data Recorder) (đối với

các tàu hàng có tổng dung tích từ 20000 trở lên) đƣợc thiết kế và lắp đặt trên tàu nhằm

trợ giúp cho quá trình điều tra các thƣơng vong, tai nạn hàng hải. Ngoài chức năng ghi

lại các thông tin dữ liệu trên tàu phục vụ cho quá trình điều tra thì chủ tàu còn có thể

sử dụng hệ thống VDR nhƣ một công cụ hỗ trợ quản lý tàu. Khi có hệ thống VDR trên

tàu, các thuyền viên sẽ làm việc cẩn thận, nghiêm túc và có tinh thần trách nhiệm cao

hơn. Các nguyên nhân chính của sự cố hàng hải xảy ra đối với tàu sẽ đƣợc xác định

nhanh chóng và dễ dàng hơn khi giải mã, phân tích các thông tin mà hệ thống VDR đã

ghi lại. Các thông tin của các thiết bị đƣợc ghép nối với hệ thống VDR nhƣ: thời gian,

vị trí, âm thanh trên buồng lái, các cuộc liên lạc thoại, hình ảnh radar…. trƣớc khi tàu

xảy ra sự cố sẽ đƣợc ghi lại đầy đủ, làm cơ sở cho việc điều tra sự cố, làm rõ nguyên

nhân tai nạn và rút ra bài học khi hàng hải.

Một thiết bị đo tốc độ hành trình hoặc phƣơng tiện khác để chỉ báo tốc độ và

hành trình của tàu nhằm xác đinh nguy cơ đâm va.

Ngoài ra còn 1 số thiết bị khác nhƣ máy đo tốc độ gió, đo sâu, trực ca buồng lái

BNWAS...v.v..

Một số trang thiết bị nghi khí hàng hải đƣợc sử dụng trong tàu biển hiện nay.

BỘ GHI DỮ LIỆU HÀNH TRÌNH HLD- S2 SVDR

13

Hình 1.7 : Các thiết bị nghi khí được sử dụng chủ yếu trên các tàu hiện nay.

MÁY GPS KGP-913 TRỰC CA BUỒNG LÁI (BNWAS)

RADAR FURUNO 2117

THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG AIS SI-30

14

1.3 YÊU CẦU GHÉP NỐI

Trên các tàu biển hiện nay để nâng cao khả năng khai thác, các thiết bi nghi khí

hàng hải và các thiết bị vô tuyến điện thƣờng đƣợc kết nối với nhau. Việc kết nối nhƣ

vậy là rất cần thiết gúp cho các thiết bị đƣợc khai thác một cách tốt nhất đảm bảo an

toàn hàng hải cao. Để thấy rõ hơn sự cần thiết giữa việc ghép nối các thiết bị với nhau

ta sẽ phân tích thiết bị tự động nhận dạng AIS trong hình vẽ dƣới.

Hình 1.8: Sơ đồ ghép nối thiết bị tự động nhận dạng AIS

Thiết bị này sẽ phát đi thông tin của tàu mình hay thu những thông tin của các

tàu có trang bị thiết bị này, các thông tin này bao gồm các thông tin về: Tên tàu, kiểu

tàu, số nhận dạng của tàu (MMSI), số IMO, tốc độ, vị trí hƣớng hành trình và một số

thông tin an toàn khác nhƣ vị trí anten, cảng đi, cảng đến …một số thông số sẽ đƣợc

cài cặt cố định đƣợc gọi là các thông số tĩnh, nhƣ là các thông số về tên tàu, số MMSI

…,và các thông số sẽ thay đổi gọi là các thông số động, các thông số này đƣợc cập

nhật liên tục do thiết bị này đƣợc kết nối với các thiết bị cho biết các thông số động ở

trên tàu, các thông số liên quan đến chuyến đi giữa tàu với tàu, giữa tàu với bờ.

Trên sơ đồ ghép nối của thiết bị AIS có thể thấy thiết bị này có thể nhận tín hiệu

từ thiết bị la bàn thông qua 1 bộ chuyển đổi tín hiệu la bàn để lấy thông tin về hƣớng

mũi tàu. Ngoài ra nó còn nhận các thông tin từ máy thu GPS để lấy tọa độ vị trí của tàu

cung cấp cho các tàu khác. Bên cạnh đó còn có các thông tin về khoảng cách đƣợc lấy

từ thiết bị radar và các thông tin về tốc độ hành trình của tàu. Các thông tin này là các

thông số động và đƣợc cập nhật liên tục nên yêu cầu về ghép nối ổn định giữa các thiết

bị là rất cần thiết. Thiết bị radar lấy các thông số của thiết bị tự động nhận dạng AIS là

các thông số tĩnh về các mục tiêu là các tàu trên cùng hành trình, chủ động liên lạc với

15

các tàu này đảm bảo an toàn hàng hải. Nhƣ vậy nhờ có sự ghép nối giữa các thiết bị

mà sĩ quan buồng lái có thể đƣa ra các thao tác điều khiển chính xác hơn đảm bảo an

toàn hàng hải.

Nói tóm lại tất cả các trang thiết bị nghi khí và vô tuyến điện cần đƣợc kết nối

với nhau 1 cách chặt chẽ để khai thác một cách hiệu quả nhất . Mỗi thiết bị đều có cấu

trúc dữ liệu khác nhau nên việc tìm hiểu và ghép nối để chúng có thể trao đổi dữ liệu

với nhau là rất cần thiết. Ở chƣơng 2 ta sẽ tìm hiểu chuẩn ghép nối cụ thể, cấu trúc vật

lý và cấu trúc khung dữ liệu của chuẩn này.

16

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU CHUẨN GHÉP NỐI CƠ BẢN TRONG HỆ

THỐNG NGHI KHÍ HÀNG HẢI VÀ VÔ TUYẾN ĐIỆN TRÊN

TÀU BIỂN HIỆN NAY

2.1 KHÁI QUÁT CHUẨN GHÉP NỐI CƠ BẢN DÙNG TRONG HỆ

THỐNG NGHI KHÍ HÀNG HẢI VÀ VTĐ TRÊN CÁC TÀU BIỂN.

2.1.1Tiêu chuẩn IEC 61162

IEC là viết tắt của ( International Electrotechnical Commission ) ủy ban kỹ

thuật điện quốc tế ra đời để thúc đẩy hợp tác quốc tế về tiêu chuẩn hóa lĩnh vực điện

và điện tử. IEC ra các tiêu chuẩn trong rất nhiều các lĩnh vực liên quan đến điện và

điện tử khác nhau nhƣ tiêu chuẩn về các thiết bị điện công nghiệp, xây dựng và hàng

hải…Dựa vào các tiêu chuẩn này các hãng sản xuất thiết bị hay các tổ chức liên quan

đến điện và điện tử đƣa ra các thiết bị hoặc tài liệu tuân theo các quy định cơ bản của

tổ chức này. Về lĩnh vực hàng hải IEC đƣa ra loạt các tiêu chuẩn về điện và điện tử

khác nhau trong đó có tiêu chuẩn liên quan đến việc ghép nối các thiết bị nghi khí

hàng hải và vô tuyến điện, cụ thể là tiêu chuẩn IEC 61162. IEC 61162 chia ra làm ba

phần IEC 61162-1, IEC 61162-2, IEC 61162-3 tùy vào các trang thiết bị nghi khí hàng

hải và vô tuyến điện trên tàu mà đáp ứng các yêu cầu của IEC 61162 liên quan đến

lĩnh vực ghép nối. IEC đƣợc liên kết chặt chẽ với MNEA, trong đó các quy định về

ghép nối giữa các thiết bị không có sự khác biệt nhiều lắm ví dụ nhƣ các định nghĩa

thiết bị Talker, Listenes…

2.1.2 Chuẩn ghép nối NMEA

NMEA (National Marine Electronics Association) là chuẩn hàng hải do tổ chức

điện tử hàng hải của Mỹ đƣa ra và có liên hệ chặt chẽ với ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

IEC. Chuẩn này ra đời để truyền dữ liệu giữa các thiết bị hàng hải gúp chúng có thể

trao đổi thông tin dễ ràng với nhau. Từ khi ra đời chuẩn NMEA luôn đƣợc sửa đổi và

hoàn chỉnh, đến nay đƣợc biết đến với NMEA 0180, NMEA 0182 và NMEA 0183.

Hiện nay trên một số các tàu cũ, chuẩn NMEA 0180 hoặc NMEA 0182 vẫn đƣợc dùng

nhƣng phổ biến và tất cả các thiết bị hàng hải đều tƣơng thích là NMEA 0183. Tuy

nhiên NMEA 0183 cũng có trong nhiều biên bản khác nhau – mới nhất là NMEA 0183

phiên bản 3.0. Tiêu chuẩn này quy định cụ thể cả các kết nối điện, phƣơng pháp truyền

thông truyền dữ liệu và cả định dạng của các câu dữ liệu mang thông tin.Thông tin

quan trọng đƣợc dịch thành các câu NMEA dữ liệu tiêu chuẩn gửi tới nhiều thiết bị

khác nhau trên cùng một 1 đƣờng truyền. Các thiết bị chỉ nhận câu liên quan đến thông

tin mà mình cần. Ví dụ một radar thông thƣờng sẽ có thể đọc Lat /Long thông qua

chuẩn NMEA vì điều này có thể đƣợc sử dụng để nâng cao hiệu suất của radar.Mặt

17

khác nó không thể đọc dữ liệu về độ sâu vì thông tin này lại không đƣợc dùng trong

radar…

2.2 PHÂN TÍCH CHUẨN GHÉP NỐI NMEA 0183

2.2.1 Giới thiệu giao diện NMEA 0183

NMEA 0183 là chuẩn đƣợc thiết kế cho phép truyền dữ liệu nối tiếp một chiều

từ thiết bị Talker cho một hoặc nhiều thiết bị Listenes. Dữ liệu ở dạng mã ASC II bao

gồm các thông tin nhƣ vị trí, tốc độ, độ sâu… và độ dài 1 gói tin có thể từ 20-70 ký tự .

Các thiết bị Talker và Listenes đƣợc định nghĩa nhƣ sau :

- Talker : là các thiết bị có thể gửi dữ liệu đến các thiết bị khác. Thiết bị

Talker đƣợc nhận dạng bởi 2 ký tự nhớ. Ví dụ nhƣ GP (tín hiệu GPS), AI (

tín hiệu AIS)..

- Listenes : là các thiết bị nhận dữ liệu từ thiết bị khác.

Dữ liệu theo chuẩn NMEA 0183 đƣợc truyền nối tiếp không đồng bộ với các

thông số sau :

- Tốc độ Baud: 4800

- Số bít dữ liệu: 8 (bít 7 là bit 0)

- Bít Stop: One

- Bít Parity: None

Hình 2.1 : Cấu trúc khung dữ liệu

Tất cả các dữ liệu đƣợc truyền đi dƣới dạng mã ASC II trong đó bít thứ 7 của

DATA BITS luôn luôn đƣợc truyền đi với giá trị là 0.

Số lƣợng gói tin đƣợc truyền đi phụ thuộc vào từng phiên bản khác nhau của

chuẩn NMEA 0183. Cụ thể ví dụ với máy thu GPS GP31 của hãng FURUNO:

With Waypoint

AP REM

START

BIT STOP

BIT DATA BITS

D0 D1 D3 D2 D4 D5 D6 D7

18

Hình 2.2 : Dữ liệu ra của máy GPS-GP31 truyền theo chuẩn NMEA 0183

Từ hình trên ta có thể thấy 2 câu lệnh RMA, GTD từ thiết bị GPS truyền đến

REM ( Radar, echosounder,ect.) phụ thuộc phiên bản của chuẩn NMEA 0183. Với

NMEA 0183 V1.5 truyền thêm đƣợc câu RMA và NMEA 0183 V2.0 truyền đƣợc câu

GTD.

2.2.2 Định dạng câu lệnh của MNEA 0183

Tất cả các dữ liệu của chuẩn NMEA-0183 đƣợc truyền đi theo từng câu lệnh,

đầu câu bao giờ cũng bắt đầu bằng ký tự “ $” và các kí tự đều đƣợc mã hóa theo bảng

mã hóa tiêu chuẩn ASCII. Trong mỗi câu lệnh có dấu “ ,” để tách từng phần của câu.

Định dạng câu lệnh nhƣ sau:

$yyXXX,….., *xx <CR><LF>

Bắt đầu câu luôn là ký tự $

yy là nhận dạng của thiết bị Talker ( ví dụ nhƣ thiết bị GPS là GP..)

XXX là kiểu dữ liệu của câu ( ví dụ nhƣ GGA (Global Positioning

System Fix Data))

Sau dấu phẩy là nội dung dữ liệu của câu và có thể thay đổi phụ thuộc

vào kiểu dữ liệu đang đƣợc truyền.

Phần cuối cùng là 2 chữ số kiểm tra tổng ( checksum). Hai chữ số này là

2 số Hexa và đƣợc tính bằng tất cả các kí tự ở giữa kí tự “$” và dấu “*”.

Kết thúc 1 câu dữ liệu là các kí tự xuống dòng và về đầu dòng-CR

(Carriage Return) và LF (Line Feed)<CR><CL>

GGL

VTG

ZDA

AAM

APB

BOD

BWC

XTE

(1 sec

interval )

GGL

GGA

VTG

ZDA

RMA*

GTD*

RMC

RMB

BWC

(1sec

interval )

RMA : Ver 2.0 only

GTD : Ver 1.5 only

19

Một bức điện có thể chứa đựng tới 79 kí tự và thêm các kí tự đầu “$” và cuối

<CR><LF>. Nếu dữ liệu cho một trƣờng nào đó mà không có thì trƣờng đó đƣợc hủy

bỏ, nhƣng dấu phẩy “,” danh giới giữa các trƣờng thì vẫn đƣợc gửi đi nhƣng không có

khoảng trống giữa các dấu phẩy này.

Đối với các thiết bị Talker chuẩn NMEA quy định mã nhận dạng như sau:

AG Autopilot – General: Máy lái tự động đa năng.

AP Autopilot – Magnetic: Máy lái tự động theo từ trƣờng.

CD Communications – Digital Selective Calling (DSC): Gọi chọn số DSC

CR Communications – Receiver / Beacon Receiver: Đèn hiệu thu.

CS Communications – Satellite: Vệ tinh truyền thông.

CT Communications – Radio-Telephone (MF/HF): Điện thoại vô tuyến MF/HF.

CV Communications – Radio-Telephone (VHF): Điện thoại vô tuyến VHF.

CX Communications – Scanning Receiver: Máy thu quét truyền thông

DF Direction Finder: Kính ngắm định hƣớng.

EC Electronic Chart Display & Information System (ECDIS): Hệ thống thông tin và

biểu đồ điện tử.

EP Emergency Position Indicating Beacon (EPIRB): Phao định vị an toàn.

ER Engine Room Monitoring Systems: Các hệ thống kiểm tra buồng máy.

GP Global Positioning System (GPS): Hệ thống định vị toàn cầu GPS.

HC Heading – Magnetic Compass: Hƣớng mũi tàu theo la bàn từ.

HE Heading – North Seeking Gyro: Hƣớng mũi tàu theo con quay hƣớng bắc.

HN Heading – Non North Seeking Gyro: Hƣớng mũi tàu không theo con quay.

II Integrated Instrumentation: Trang thiết bị tích hợp.

IN Integrated Navigation: Định vị thông tin tích hợp.

LC Loran C: Hệ thống vô tuyến hàng đạo xa.

P Proprietary Code: Mã sở hữu riêng.

RA RADAR and/or ARPA:

20

SD Sounder, Depth: Máy đo độ sâu.

SN Electronic Positioning System, other/general: Hệ thống định vị điện tử.

SS Sounder, Scanning: Máy quét dò.

TI Turn Rate Indicator: Bộ chỉ báo tốc độ quay lái.

VD Velocity Sensor, Doppler, other/general: Bộ cảm biến tốc độ theo hiệu ứng

Doppler.

DM Velocity Sensor, Speed Log, Water, Magnetic: Bộ cảm biến tốc độ theo tốc độ

tàu, nƣớc, từ trƣờng.

VW Velocity Sensor, Speed Log, Water, Mechanical: Bộ cảm biến tốc độ theo tốc độ

tàu, nƣớc, động cơ.

WI Weather Instruments: Dụng cụ báo thời tiết.

YX Transducer: Bộ biến đổi.

ZA Timekeeper – Atomic Clock: Đồng hồ nguyên tử.

ZC Timekeeper – Chronometer: Đồng hồ bấm giờ.

ZQ Timekeeper – Quartz: Đồng hồ thạch anh.

ZV Timekeeper – Radio Update, WWV or WWVH: Đồng hồ đƣợc cập nhập bằng vô

tuyến, WWV hoặc WWVH.

Một số kiểu dữ liệu của câu lệnh NMEA 0183:

AAM -Waypoint Arriva lAlarm : Thông tin báo động

ALM - GPS Almanac Data : Dữ liệu GPS

APB - Autopilot Sentence "B" : Máy lái tự động

*ASD- Autopilot System Data : Dữ liệu từ hệ thông máy lái tự động

BEC - Bearing & Distance to Waypoint - Dead Reckoning : Góc phƣơng vị và khoảng

cách tới mục tiêu – Tính toán va chạm

BOD - Bearing - Origin to Destination : Góc phƣơng vị và vị trí xuất phát tới mục tiêu.

BWC - Bearing & Distance to Waypoint : Góc phƣơng vị và khoảng tới mục tiêu

21

BWR - Bearing & Distance to Waypoint - Rhumb Line : Góc phƣơng vị và khoảng

cách tới mục tiêu- Đƣờng đạo hàng.

DBT - Depth Below Transducer : Thông tin về độ sâu

DPT - Depth*DSC - Digital Selective Calling Information : Thông tin về cuộc gọi

chọn số.

DSI-DSCTransponder Initialize : thiết bị phát đáp radar

DSR-DSCTransponder Response : bộ đáp ứng tín hiệu phát đáp

GGA - Global Positioning System Fix Data : Dữ liệu định vị toàn cầu.

GLC - Geographic Position - Loran-C :

GLL - Geographic Position - Latitude/Longitude : vị trí kinh độ/ vĩ độ.

GNS -GNSS Fix Data

GRS - GNSS Range Residuals

GSA - GNSS DOP and Active Satellites

GST - GNSS Pseudorange Error Statistics

GSV - GNSS Satellites in View

GXA - TRANSIT Position

*HDG - Heading, Deviation & Variation

*HDT - Heading, True : Hƣớng thực

HSC - Heading Steering : Hƣớng máy lái.

LCD - Loran-C Signal Data

MSK - MSK Receiver Interface : thông tin cổng thu MSK

MSS - MSK Receiver Signal Temperature : thông tin về nhiệt độ bộ thu tín hiệu MSK

MWD - Wind Direction & Speed : Hƣớng và tốc độ gió.

*MWV - Wind Speed and Angle Numbers : Tốc độ gió và

*OSD - Own Ship Data : Dữ liệu tàu

RMA - Recommended Minimum Specific Loran-C Data

22

RMB - Recommended Minimum NavigationInformation

RMC - Recommended Minimum Specific GNSS Data

*ROT - Rate Of Turn

Một số dạng câu lệnh hay thường gặp.

GGA Global Positioning System Fix Data. Time, Position and fix related data

for a GPS receiver

$--GGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M, , , , , *hh

| | | | | | | | | | |

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1) Time (UTC) : Thời gian

2) Latitude : Kinh độ

3) N or S (North or South) : N hoặc S

4) Longitude : Vĩ độ

5) E or W (East or West) : E hoặc W

6) GPS Quality Indicator, : Chất lƣợng máy thu GPS

0 - fix not available, : không ổn định

1 - GPS fix, : ổn định

2 - Differential GPS fix

7) Number of satellites in view, 00 – 12 : số vệ tinh gửi về

8) Horizontal Dilution of precision :

9) Antenna Altitude above/below mean-sea-level (geoid)

10) Units of antenna altitude, meters :

11) Checksum : kiểm tra tổng

GLL Geographic Position – Latitude/Longitude : vị trí kinh độ / vĩ độ

1 2 3 4 5 6 7

| | | | | | |

$--GLL,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,hhmmss.ss,A*hh

1) Latitude : Kinh độ

2) N or S (North or South) : N hoặc S

3) Longitude : Vĩ độ

4) E or W (East or West) : E hoặc W

5) Time (UTC) : thời gian UTC

6) Status A - Data Valid, V - Data Invalid

7) Checksum : kiểm tra tổng

23

ZDA Time & Date – UTC, Day, Month, Year and Local Time Zone

1 2 3 4 5 6 7

| | | | | | |

$--ZDA,hhmmss.ss,xx,xx,xxxx,xx,xx*hh

1) Local zone minutes description, same sign as local hours : giờ, phút, giây khu vực

2) Local zone description, 00 to +/- 13 hours

3) Year : năm

4) Month, 01 to 12 : tháng

5) Day, 01 to 31: ngày

6) Time (UTC) : giờ UTC

7) Checksum : kiểm tra tổng

VTG Track Made Good and Ground Speed

1 2 3 4 5 6 7 8 9

| | | | | | | | |

$--VTG,x.x,T,x.x,M,x.x,N,x.x,K*hh

1) Track Degrees

2) T = True

3) Track Degrees

4) M = Magnetic

5) Speed Knots : tốc độ hải lý

6) N = Knots

7) Speed Kilometers Per Hour : tốc độ km/h

8) K = Kilometres Per Hour

2.2.2 Kết nối với các thiết bị

a) Giới thiệu

Chuẩn NMEA 0183 cho phép một thiết bị Talker và nhiều các thiết bị Listenes

đƣợc kết nối song song trên cùng 1 mạch điện. Đối với NMEA 0183 thì tín hiệu ra

truyền đƣợc trên cả hai chuẩn RS232 và RS 422. RS232 sẽ là 2 đƣờng dây một cho

Data và một nối Mass và RS 422 là hai đƣờng dây tín hiệu A và B có vỏ bọc bảo vệ.

Dòng tín hiệu A của thiết bị Talker sẽ đƣợc kết nối song song với dòng tín hiệu A của

thiết bị Listenes và dòng tín hiệu B cũng vậy. Vỏ bọc bảo vệ chỉ đƣợc tiếp đất ở thiết

bị Talker. Điện áp trên đƣờng dây tín hiệu A phù hợp với điện áp trên đƣờng dây tín

hiệu đơn của chuẩn TTL, còn điện áp trên đƣờng dây tín hiệu B thì ngƣợc lại. Có

nghĩa là mức logic sẽ thay đổi tín hiệu theo điện áp vi sai giữa 2 đƣờng đây dẫn, dây

nào có điện áp cao hơn là NMEA+, dây kia là NMEA -.

24

Hình 2.3 : Tín hiệu ra của thiết bị phát (Talker) theo chuẩn RS 232

Hình 2.4 : Tín hiệu ra của thiết bị phát ( Talker) theo chuẩn RS 422

Ngoài ra đối với NMEA 0183 V.3.0 hay NMEA 0183-HS thì tốc độ Baud cao

hơn các phiên bản trƣớc . Điều này cho phép các thiết bị ARPA và AIS mới có thể gửi

lƣợng thông tin lớn một cách kịp thời. Để làm đƣợc điều này NMEA 0183-HS ngoài 2

dây tín hiệu A và B còn có 1 dây tín hiệu C ( signal ground).

25

Hình 2.5: Các dây tín hiệu trong NMEA 0183-HS

b) Yêu cầu chung

Chuẩn NMEA 0183 cho phép một thiết bị phát (Talker) kết nối với nhiều thiết

bị thu (Listenes). Hình 2.6 mô tả một kết nối giữa thiết bị phát (Talker) và các thiết bị

thu (Listenes).

GPS

(talker)

Splitter

(listener) Automatic Identification

System (AIS)

(listener)

RADAR

Listener Listener

26

Hình 2.6 Kết nối giữa thiết bị phát (Talker) với các thiết bị thu ( Listenes)

Đối với chuẩn NMEA 0183-HSdo có thêm đƣờng dây tín hiệu “ C” nên việc kết

nối giữa các thiết bị sẽ đƣợc thực hiện nhƣ sau:

Hình 2.7 : Kết nối các thiết bị phát/thu ( Talker/Listenes) theo chuẩn

NMEA 0183-HS

Trƣờng hợp thiết bị Listenes nhận nhiều tín hiệu từ các thiết bị Talker khác

nhau sẽ có một bộ dồn kênh Multiplexers để kết hợp các tín hiệu này và cung cấp một

dòng dữ liệu ra duy nhất tới thiết bị Listenes.

GPS

(talker)

(listener) (talker) Automatic Identification

System (AIS)

)

(listener)

RADAR

(talker)

(talker) (listener)

(listener)

Multiplexer

27

Hình 2.8: Kết nối nhiều tín hiệu từ các thiết bị phát (Talker) tới một thiết bị

thu (Listenes)

c) Kết nối với các thiết bị vi sai theo chuẩn NMEA 0183

Thiết bị vi sai này tuân theo một cách đầy đủ của chuẩn NMEA0183 phiên bản

2.0 đầu vào NMEA/A+ thì đƣợc nối với đầu ra A/ NMEA của thiết bị một đầu ra, còn

đầu vào NMEA/B- thì đƣợc kết nối với B/NMEA của thiết bị một đầu ra đƣợc chỉ ra ở

hình vẽ sau:

Hình 2.9 Kết nối giữa các thiết bị vi sai

Đối với các thiết bị Listenes mà chỉ có một tín hiệu vào duy nhất thì việc kết

nối sẽ đƣợc thực hiện nhƣ sau.Đầu vào NMEA/A+ thì đƣợc nối với đầu ra A/ NMEA

của thiết bị một đầu ra, còn đầu vào NMEA/B- thì đƣợc kết nối với Ground của thiết

bị.

Hình 2.10 Kết nối với thiết bị phát ( Listenes) chỉ có một tín hiệu vào.

d) Kết nối với thiết bị Talker chỉ có một đường tín hiệu ra.

Khi kết nối với thiết bị Talker chỉ có một đƣờng tín hiệu ra lúc này tín hiệu

NMEA+/A của thiết bị Listenes sẽ đƣợc nối với NMEA Tx và NMEA-/B sẽ đƣợc nối

với Ground.

28

Hình 2.11: thiết bị thu (Talker) chỉ có 1 đường tín hiệu

Trong trƣờng hợp cả 2 thiết bị chỉ có một đƣờng tín hiệu duy nhất thì việc kết

nối 2 thiết bị lúc này sẽ là:

Hình 2.12: Cả 2 thiết bị chỉ có 1 đường tín hiệu.

e) Kết nối với máy tính PC

Việc kết nối với máy tính nhằm kiểm tra dữ liệu NMEA 0183 và thu thập thông

tin về dữ liệu.

Khi PC là 1 thiết bị Listen.

Khi đó máy tính cá nhân nhận dữ liệu từ thiết bị Talker theo chuẩn NMEA

thông qua cổng RS232 của máy tính cá nhân. Việc kết nối đƣợc thể hiện qua hình vẽ

sau :

Hình 2.13: Kết nối với máy tính

29

Khi PC là thiết bị Talker

Lúc này để truyền thông tin cho 1 thiết bị Listener thông qua cổng RS 232 thì

cũng tƣơng tự nhƣ hình trên nhƣng lúc này đƣờng dây tín hiệu A sẽ đƣợc kết nối với

chân số 2 ( Tx).

2.3 CÁC GIAO DIỆN VẬT LÝ

2.3.1 Chuẩn truyền dẫn dữ liệu RS-232.

Chuẩn RS-232 phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm - điểm giữa 2 thiết bị

đầu cuối DTE hoặc gữa một thiết bị đấu cuối với một thiết bị truyền dữ liệu DCE.

Đặc tính điện học: RS-232 sử dụng phƣơng thức truyền không đối xứng, tức là sử

dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Mức điện áp đƣợc sử dụng

dao động trong khoảng từ -15V tới +15V. Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic

0, khoảng từ -3V đến -15V ứng với giá trị logíc 1. Chính vì từ -3V tới +3V là phạm vi

không đƣợc định nghĩa, trong trƣờng hợp thay đổi giá trị logic giữa 1 và 0 một tín hiệu

phải vƣợt qua khoảng quá độ đó với độ dốc 6V/ms.

Hình 2.14: Đặc tính điện học của chuẩn RS-232.

Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn. Đa số các hệ thống

hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19.2 kBd (chiều dài cho phép 30-50m). Một ƣu điểm của

chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tƣơng đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào

hạn chế từ 3-7 k . Các thông số điện học quan trọng của RS-232 đƣợc mô tả trong

bảng sau:

+25V

+15V

Logic 0 Phạm

vi

làm

việc

cho

phép Logic 1

Khu

vực

quá

độ

+3V

-15V

-3V

30

Bảng 2.1 Các thông số của RS 232

Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa

Điện áp đầu ra hở mạch 25V

Điện áp đầu ra khi có tải 3 7L

k kR 5V 15V

Trở kháng đầu ra khi cắt nguồn 0

2 2V VV 300

Dòng ra ngắn mạch 500mA

Điện dung tải 2500pF

Trở kháng đầu vào OCV 3k 7k

Ngƣỡng cho giá trị logic 0 3V

Ngƣỡng cho giá trị logic 1 -3V

Giao diện cơ học: Chuẩn EIA/TIA-232F qui định 3 loại giắc cắm RS-232 là DB-

9 (9 chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân). Trong đó loại DB-9 đƣợc sử dụng

trong quá trình kết nối giữa máy tính và các thiết bị hàng hải. Sơ đồ chân nhƣ sau:

Hình 2.15: Giao diện cơ học của RS-232.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 DCD - Data Carrier Detect

2 RxD - Receive Data

3 TxD - Transmit Data

4 DTR - Data Terminal Ready

5 GND – Signal ground

6 DSR - Data Set Ready

7 RTS - Request To Send

8 CTS - Clear To Send

9 RI - Ring Indicator

GND - Ground

31

Chế độ làm việc: Chế độ làm việc của RS-232 là 2 chiều toàn phần (full-duplex),

tức là 2 thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc. Nhƣ vậy việc

thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn, trong đó 2 dây tín hiệu nối chéo các

đầu thu phát của 2 trạm và một dây đất.

2.3.2 Chuẩn truyền dẫn dữ liệu RS-422

Đặc tính điện học: Khác với RS-232 thì RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh

lệch đối xứng giữa 2 dây dẫn A và B, nhờ vậy giảm đƣợc nhiễu và cho phép tăng

chiều dài dây dẫn. Chuẩn RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới 1200m mà

không cần bộ lặp. Điện áp chênh lệch dƣơng ứng với trạng thái logic 0 và âm ứng với

trạng thái logic 1. Các thông số cơ bản của RS-422 nhƣ sau:

Bảng 2.2 : Các thông số của RS 422

Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa

Điện áp đầu ra hở mạch 10V

Điện áp đầu ra khi có tải 100TR 2V

Trở kháng đầu ra 100

Dòng ra ngắn mạch 150mA

Thời gian quá độ đầu ra 100TR *10% BT

Điện áp chế độ chung đầu ra OCV 100

TR 3V

Độ nhạy cảm đầu vào 7 7CM

V VV 200mA

Điện áp chế độ chung đầu ra CMV -7V 7V

Trở kháng đầu vào 4k

Trong cấu hình ghép nối tối thiểu cho RS-422 cần một đôi dây dùng truyền dẫn

tín hiệu, khi đó chỉ có thể dùng phƣơng pháp truyền một chiều (simplex) hoặc 2 chiều

gián đoạn (half-duplex) tức là trong một thời điểm chỉ có một tín hiệu duy nhất đƣợc

truyền đi. Để thực hiện truyền 2 chiều toàn phần (full-duplex) ta cần 2 đôi dây. RS-422

có khả năng nối ghép điểm-điểm, hoặc điểm-nhiều điểm trong một mạng đơn giản.

Thực tế, RS-422 thƣờng chỉ dùng để ghép nối điểm-điểm với mục đích thay thế RS-

232 cho khoảng cách truyền thông lớn và tốc độ cao.

32

2.4 MÔ PHỎNG DỮ LIỆU NMEA 0183

2.4.1 Mô phỏng việc trao đổi dữ liệu bằng Phần mềm Hyper Terminal và

phần mềm GpcSim trên Windown 7

a) Giới thiệu phần mềm Hyper Terminal

Hình 2.16 Giao diện phần mềm Hyper Terminal

Phần mềm này cho ta thiết lập các thông số để phù hợp với chuẩn NMEA 0183

nhƣ : Tốc độ, khung dữ liệu bít, parity, stopbit.

b) Phần mềm GPCSIM

Phần mềm này sẽ mô phỏng dữ liệu ra của tín hiệu Talker. Giao diện của phần

mềm có dạng nhƣ sau :

Các phần chính của phần mềm gồm có:

Ship data : bao gồm các thông tin về kinh độ (longitude), vĩ độ

(Latiude), hƣớng mũi tàu (Heading), thời gian thực (time UTC)

COM port : Gồm cổng ra và tốc độ bits ( 4800,9600,19200,

38400,57600)

Generated string : Bao gồm các thông tin về dạng mã lệnh của thiết bị

33

bị Talker và thiết bị Listener.

Hình 2.17 Giao diện của phần mềm GpcSim

c) Thực hiện mô phỏng trao đổi dữ liệu giữa 2 máy tính.

Kết nối 2 máy tính với nhau thông qua cổng RS 232 sau đó ta bắt đầu thiết lập

các thông số nhƣ tốc độ, số bít sao cho phù hợp với chuẩn NMEA 0183.

Một máy tính sẽ dùng phần mềm GPCSIM làm thiết bị Taker để truyền dữ liệu

và máy còn lại sẽ dùng phần mềm Hyper Terminal làm thiết bị Listener để thu dữ liệu

gửi tới.

Hình 2.18 : Thiết lập dữ liệu truyền cho thiết bị Talker

34

Ở đây ta sẽ truyền đi 2 câu lệnh là VTG và ZDA đến thiết bị Listener. Phần

mềm Hyper Terminal sẽ thu đƣợc 2 câu lệnh này.

Hình 2.19 : Dữ liệu thu được

35

CHƯƠNG 3

XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHUẨN GHÉP NỐI MỚI

HIỆN NAY

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Cùng với sự phát triển, các thiết bị nghi khí hàng hải và vô tuyến điện hiện đại

yêu cầu dữ liệu từ rất nhiều nguồn khác nhau. Nếu không có một mạng lƣới tiêu chuẩn

để cung cấp việc tích hợp dữ liệu, thì nhà thiết kế thiết bị phải cung cấp rất nhiều dữ liệu

đầu vào, có liên quan đến chi phí và việc bổ sung dây, hoặc các thiết bị sử dụng hợp

nhất dữ liệu trên một kênh duy nhất. Ở một mức độ cơ bản, và với việc sử dụng rộng rãi

nhƣ ngày nay, thì chuẩn NMEA 0183 (IEC 61162-1) đã cung cấp việc phân phối dữ liệu

nối tiếp từ một máy phát tới rất nhiều máy thu. Hoạt động với tốc độ 4800 bít/giây, và

giao thức này có khả năng phân phối xấp xỉ 10 bức điện hoặc câu lệnh trên giây. Nó đã

chứng minh đƣợc khả năng tƣơng thích tự động khi một thiết bị đơn phát dữ liệu sử

dụng cho các thiết bị khác. Nhƣng nó cũng đã nhanh chóng gặp phải giới hạn khi các

hệ thống có sự tổng hợp dữ liệu. Tuy nhiên, việc sử dụng chuẩn này vẫn tiếp tục đƣợc

sử dụng cho những ứng dụng đơn giản, lƣu trữ dữ liệu và việc kết nối trực tiếp giữa 2

thiết bị là cần thiết.

Với từng hệ thống riêng lẻ trên tàu, chẳng hạn nhƣ máy móc động cơ hoặc hệ

thống định vị, thực hiện chức năng tƣơng đối chuyên dụng, thƣờng có thời gian thực

hiện các yêu cầu đo bằng mili giây, và cần ít hơn các nút kết nối. Các hệ thống này có

xu hƣớng nhỏ hơn và khép kín khi so sánh với các mạng lƣới tàu khác, và thực hiện

khối lƣợng dữ liệu ít hơn. Bởi vì ứng dụng này tích hợp mạng cảm biến thông thƣờng và

thiết bị truyền động vào các hệ thống lớn hơn, chi phí cho mỗi nút phải đƣợc ít hơn

trong các ứng dụng trên tàu khác. Để đáp ứng đƣợc những yêu cầu trên hiệp hội điện tử

hàng hải quốc gia – NMEA đã phát triển giao tiếp nối tiếp NMEA 0183 thành mạng

NMEA 2000® (IEC 61162-3).

Chuẩn NMEA 2000 ra đời năm 1994 với sự hợp tác từ trên 40 tổ chức và các

công ty hàng hải khác nhau. Độ rộng băng thông phù hợp cho xu hƣớng phát triển ngày

nay cũng nhƣ trong tƣơng lai. NMEA 2000 là một chuẩn mạng mới cho mạng truyền

thông trên tàu thủy. Nó cho phép các thiết bị trên tàu kết nối và chia sẻ dữ liệu nhất

quán, thuận tiện cho việc trao đổi thông tin trạng thái cũng nhƣ các thông tin giám sát

điều khiển mang tính thời gian thực nhƣ:

- Các thông tin về vị trí, tốc độ tàu, độ sâu, hƣớng mũi tàu v.v...

- Các thông tin chỉ báo và điều khiển cho hệ thống lái tự động.

- Điều khiển và giám sát máy chính.

- Hệ thống giám sát điều khiển máy đèn, quản lý năng lƣợng điện v.v...

36

- Hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát toàn tàu.

Là một chuẩn mạng nên các diện vật lý cũng nhƣ giao thức truy nhập mạng, giao

thức truyền dữ liệu đƣợc quy định rõ ràng. Để đạt đƣợc mục tiêu trên hiệp hội điện tử

hàng hải quốc tế NMEA đã lựa chon mạng CAN (Controller Area Network) làm cơ sở

cho chuẩn NMEA 2000. Việc lựa chọn mạng CAN làm cơ sở là vì mạng CAN có những

ƣu điểm sau:

- CAN là một chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp có tính bảo toàn dữ liệu cao, đáp

ứng đƣợc những ứng dụng đòi hỏi tính thời gian thực.

- Tốc độ truyền dữ liệu lớn, có thể lên tới hàng Megabits trên một giây.

- Là một mạng thông minh trong việc truy nhập mạng và sửa lỗi.

Và việc kết hợp và phát triển mạng CAN và chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp NMEA

0183 đã cho ra đời chuẩn mạng truyền thông mới NMEA 2000 với những đặc điểm nổi

trội.

Hình 3.1 Mạng NMEA 2000

37

Hình 3.2: Mạng NMEA 2000 thực tế trên tàu

3.2 CẤU TRÚC MẠNG NMEA 2000

3.2.1 Các thành phần của mạng NMEA 2000

Thành phần của mạng NMEA 2000 bao gồm:

- Lớp vật lý.

- Lớp liên kết dữ liệu.

- Lớp mạng.

- Lớp quản lý mạng.

- Lớp ứng dụng

Lớp vật lý định nghĩa phần cơ và phần điện bên ngoài của liên kết vật lý giữa các

kết nối mạng, tham chiếu đặc điểm của các thiết bị mạng CAN và các giao diện mạng

để sử dụng trong mạng NMEA 2000.

a) Tầng liên kết dữ liệu

Tầng liên kết dữ liệu của mạng NMEA 2000 đƣợc định nghĩa trong tiêu chuẩn

quốc tế ISO 11783-3. Các định nghĩa này là giống với định nghĩa tầng liên kết dữ liệu

SAE trong tiêu chuẩn SAE J19939-21, hay nói cách khác tiêu chuẩn ISO 11783-3 ngoài

những định nghĩa có trong tiêu chuẩn SAE J1939-21 thì còn có thêm một số chức năng

nâng cao hơn. Những chức năng nâng cao này hỗ trợ tốt cho các loại dữ liệu và định

dạng dữ liệu, các thiết bị nghi khí hàng hải trong việc cài đặt và hoạt động trên tàu .

Cũng giống nhƣ lớp vật lý, một số yêu cầu của tầng liên kết dữ liệu lấy chuẩn CAN làm

38

nền tảng cho việc truy nhập, truyền dẫn dữ liệu.

Tầng liên kết dữ liệu vó chức năng sau:

+ Tạo ra dòng bit nối tiếp để truyền trên mạng.

+ Truy cập vào mạng khi thiết bị có dữ liệu để gửi. Thiết bị sẽ tiến hành kiểm tra

xem mạng có bận hay không, nếu mạng rảnh, nó sẽ đƣợc phép gửi dữ liệu lên trên

mạng. Cũng nhƣ CAN, khi có xung đột xảy ra – có ít nhất hai thiết bị cùng gửi dữ liệu

lên trên mạng NMEA 2000 sẽ tiến hành so sánh dữ liệu mà hai thiết bị gửi lên, cơ chế

so sánh là bit với bit. Thiết bị nào có dữ liệu có mức trội – Dominant sẽ đƣợc ƣu tiên và

tiếp tục truyền dữ liệu. Thiết bị còn lại sẽ phải chờ tới khi nào mạng rảnh mới tiếp tục

đƣợc gửi dữ liệu lên mạng.

+ Tấng liên kết dữ liệu còn làm nhiệm vụ kiểm tra và phát hiện lỗi, với những

tin nhắn lỗi, mạng sẽ yêu cầu thiết bị gửi lại tin nhắn. Nhƣ CAN, NMEA 2000 cũng tự

động xác định nút bị lỗi, trong trƣờng hợp nút dó khi phát tin liên tục bị lỗi, để bảo vệ

các phần còn lại của mạng, thiết bị lỗi đó sẽ bị tạm dừng- off line.

Lấy CAN làm cơ sở, khung dữ liệu nối tiếp sử dụng 29 bit trong trƣờng nhận

dạng, tối đa 8 byte dữ liệu. Khung dữ liệu có sử dụng bit bắt đầu, bit kết thúc, bit ƣu

tiên, bit điều khiển, các bit phát hiện lỗi CRC và bit xác báo. NMEA 2000 sử dụng tiêu

chuẩn J1939/ISO 11783 để định nghĩa trƣờng nhận dạng. Trƣờng nhận dạng sẽ đƣợc

phát đi đầu tiên khi một thiết bị tiến hành gửi dữ liệu lên mạng. Khi có xung đột xảy ra

tầng liên kết dữ liệu sẽ so sánh với cơ chế bit với bít các bit trong trƣờng nhận dạng của

2 dữ liệu đƣợc phát đi từ hai thiết bị. Thiết bị nào có mức ƣu tiên cao hơn sẽ đƣợc cấp

quyền truyền dữ liệu lên mạng, các thiết bị khác sẽ phải chờ tới lƣợt.

b) Tầng quản lý mạng

Tầng quán lý mạng của mạng NMEA 2000 có các thủ tục phù hợp với tiêu chuẩn

quốc tế ISO 11783-5 và dự trên cơ sở là tiêu chuẩn SAE J1939-81. trong đó tầng quản

lý mạng có nhiệm vụ:

+ Quản lý và phân công các địa chỉ trên mạng.

+ Quản lý các thiết bị đƣợc kết nối vào mạng.

+ Quản lý nguồn điện cung cấp cho mạng.

Mỗi thiết bị đƣợc kết nối vào mạng phải có địa chỉ. Có 255 địa chỉ có sẵn trong

một byte tại trƣờng địa chỉ. Trong đó từ địa chỉ 252 tới 255 là để dự trữ. Về việc quy

đinh địa chỉ và khả năng tƣơng thích của các thiết bị trong chuẩn mạng NMEA 2000

đƣợc chỉ ra ở tiêu chuẩn ISO 11783-5.

Khi có một thiết bị đƣợc lắp đặt vào mạng, tầng quản lý mạng sẽ cấp phát cho

thiết bị mới một địa chỉ, địa chỉ cấp phát này đƣợc thiết bị yêu cầu. Trong trƣờng hợp

địa chỉ yêu cầu cấp phát đã tồn tại do một thiết bị cũ hiện đang sử dụng, tầng quản lý

mạng sẽ cấp phát cho thiết bị mới một địa chỉ khác. Mà vẫn đảm bảo tính duy nhất của

39

địa chỉ đó. Một trƣờng hợp nữa là nếu có nhiều hơn một thiết bị yêu cầu cùng một địa

chỉ thì tầng quản lý mạng sẽ dựa trên tên của thiết bị-NAME để cấp phát địa chỉ. Thiết

bị đƣợc ƣu tiên cấp phát địa chỉ là thiết bị có tên ƣu tiên. Mỗi một thiết bị đƣợc sản xuất

đƣợc nhà máy cấp phát một NAME riêng bao gồm nhiều thông tin nhƣ: mã sản phẩm,

mã nhà sản xuất, mã lớp v.v.. mã số này là duy nhất đối với một thiết bị. Các thiết bị sẽ

nhận đƣợc địa chỉ và tiến hành truyền thông tin lên mạng sau 250ms nếu không có tranh

chấp về địa chỉ. Khi có tranh chấp xảy ra thiết bị có tên ƣu tiên sẽ đƣợc cấp phát địa chỉ,

thiết bị có tên thấp hơn sẽ tiến hành xin cấp phát địa chỉ khác. Quá trình bắt đầu lại từ

đầu.

c) Tầng ứng dụng

Tầng ứng dụng định nghĩa các gói tin đƣợc chấp nhận; cả quản lý mạng và dữ

liệu đƣợc truyền đi trên mạng.

Gói tin truyền đi trên mạng đƣợc sắp xếp, tổ chức thành một nhóm tham số và

đƣợc xác định bởi nhóm tham số PGN (Parameter Group Number), PGN có trong

trƣờng nhận dạng , nó có thể sử dụng 8 bit hoặc 16 bit tùy thuộc vào việc nhóm thông số

đƣợc thiết kế nhƣ tin quảng bá hay một địa chỉ. Tùy thuộc vào số lƣợng dữ liệu, nhóm

tham số PGN có thể sử dụng một hoặc nhiều khung CAN để truyền dữ liệu.

Cơ chế giao tiếp giữa các thiết bị kết nối với trục mạng chính – backbone NMEA

2000 là nhóm tham số. Một nhóm tham số là một bản ghi dữ liệu cụ thể, có chứa một

hay nhiều trƣờng dữu liệu, hoặc các thông số liên quan tới các thiết bị phát trên tàu.

Tham số nhóm có chu kỳ và đại diện cho các giá trị tham số hiện hành. Tiếp nhận nhiều

lần lặp lại của cùng một nhóm tham số từ một thiết bị thƣơng biểu thị một chuỗi giá trị

thời gian của các giá trin dữ liệu và có thể đƣợc sử dụng cho mục đích hiển thị hoặc

kiểm soát.

Nhóm tham số đƣợc định nghĩa bao gồm các thông tin sau:

+ Số lƣợng khung – nhóm tham số có thể đƣợc chứa trong không chỉ một khung

dữ liệu 8 byte mà còn có thể đƣợc chia thành nhiều khung. Nếu sử dụng nhiều khung

nhóm tham số có thể đƣợc gửi đi bằng giao thức gói tin nhanh theo mặc định.

+ Ƣu tiên – nhóm tham số có ƣu tiên cao hơn sẽ đƣợc ƣu tiên không phụ thuộc là

PGN nào hay địa chỉ nguồn.

+ Đánh giá định kỳ - nếu các nhóm tham số đƣợc gửi định kỳ thì mặc định là các

tham số nhóm sẽ phải chờ lần lƣợt.

+ Địa chỉ đến – các nhóm tham số có thể đƣợc gửi đến một đia chỉ cụ thể hoặc

có thể gửi cho tất cả các thiết bị.

+ Trƣờng định nghĩa – Mỗi trƣờng trong một nhóm tham số đƣợc xác định bởi

tên và định dạng dữ liệu.

Bảng dƣới đây giới thiệu một số PGN cơ bản và mô tả của nó:

40

Bảng 3.1 : Một số PGN cơ bản

PGN Mô tả

126208 Xác nhận nhóm chức năng

126992 Thời gian hệ thống

126996 Thông tin về thiết bị

126998 Thông tin về cấu hình

127250 Thông tin vè nhóm tàu

127257 Thông tin về trạng thái

129025 Thông tin về vị trí cập nhập nhanh

129033 Thông tin về ngày giờ

3.2.2 Cấu trúc mạng

Cấu trúc tổng quát của mạng NMEA 2000 là kiểu sử dụng 1 cáp trục chính và

các cáp thả “Drop” đấu nối các thiết bị tới trục mạng chính thông qua các đầu đấu nối

hình chữ T “Taps” hoặc các cổng kết nối nhiều đầu vào “Barrier”. Cáp trục chính không

phân nhánh, không vòng, là thẳng tuyến tính, đầu đầu và đầu cuối của cáp trục đƣợc kết

thúc bằng điện trở. Việc sử dụng điện trở kết thúc có tác dụng giảm phản xạ tín hiệu,

giảm sự xáo trộn khi một thiết bị đƣợc thêm vào hay ngắt ra khỏi mạng mà không cần

khởi động lại mạng.

Hình 3.3: Cấu trúc mạng NMEA 2000.

Mỗi mạng NMEA 2000 đƣợc tạo bằng việc kết nối các thiết bị theo chuẩn

NMEA 2000 với nhau, sử dụng giắc cắm plug-and-play. Kênh thông tin chính của một

NMEA 2000

Device

NMEA 2000

Device

Terminating

Resistor

Drop Cable

Max Length 6 Meters

200 Meter

(max backbone length)

Terminating

Resistor

+ VDC

Ground

Shield Network Power

Supply Connection

Backbone Cable

Over current protection as required

41

mạng NMEA 2000 là trục chính mạng–backbone, mà những thiết bị theo chuẩn NMEA

2000 nối vào. Mỗi thiết bị theo chuẩn NMEA 2000 nối vào mạng đều thông qua một

giắc cắm hình T – Tconnector. Trục chính này phải đƣợc nối với nguồn điện áp 12VDC

và hai đầu phải đƣợc kết thúc bằng hai điện trở cuối. Mô hình cấu trúc mạng

NMEA2000 đƣợc chỉ ra ở hình 3.4:

Khi thiết kế một mạng NMEA 2000, đầu tiên tạo sơ đồ mạng bao gồm những

thông tin chủ yếu sau:

+ Những thiết bị dự tính kết nối vào mạng.

+ Vị trí tƣơng đối của trục mạng với thiết bị trên tàu.

+ Độ dài tƣơng đối giữa các thiết bị và trục mạng chính, cũng nhƣ độ dài tổng thể

của trục chính này.

+ Cuối cùng là sự tiêu thụ nguồn của từng thiết bị.

Riêng cần chú ý tới hai thông tin cuối:

Về độ dài của trục cáp chính, độ dài của trục cáp chính phải đảm bảo không vƣợt

quá 200m. Đƣờng cáp dẫn tín hiệu từ các thiết bị tới cáp trục chính không vƣợt quá 6m

chiều dài.Việc quy định về chiều dài tối da của cáp trục chính cũng nhƣ cáp nhánh nhằm

đảm bảo tốc độ dữ liệu trên mạng là đồng nhất tại bất kì một vị trí nào trên mạng. Tốc

độ của mạng NMEA 2000 theo tiêu chuẩn là 250 kbits/s. Việc sử dụng một cáp duy nhất

này có thể thay thế cho 50 đƣờng cáp khi sử dụng chuẩn NMEA 0183, và có thể truyền

dữ liệu gấp 50 lần so với chuẩn NMEA 0183.

Hình 3.4 :Cấu trúc mạng NMEA 2000

42

Một đặc điểm khác biệt giữa mạng NMEA 2000 với các mạng khác nằm ở chỗ,

mạng NMEA 2000 cần có nguồn điện áp cung cấp riêng. Mạng NMEA 2000 sử dụng

nguồn điện áp 12VDC. Việc sử dụng nguồn điện áp này để nuôi đƣờng cáp trục chính –

backbone làm cho mạng NMEA 2000 có thể dễ dàng kết nối một cách dễ dàng với các

thiết bị có trở kháng cao, các thiết bị ở xa, các thiết bị có điện áp tín hiệu thấp. Bên cạnh

đó, việc sử dụng nguồn điện áp này sẽ dẫn tới việc điện áp một chiều sẽ quay ngƣợc trở

lại các thiết bị đƣợc kết nối trên mạng, giải pháp đƣa ra là tại các đầu vào của các thiết

bị ta sử dụng mạch cách ly quang. Mạch cách ly quang tạo ra trở kháng cao giữa các

thiết bị kết nối với mạng cũng nhƣ với các giao diện khác với nhau. Các giao diện trung

gian giữa các thiết bị và mạng thì làm việc ở dải điện áp từ 6VDC đến 9VDC. Nguồn

điện áp cung cấp cho mạng có thể đƣợc đấu nối tại bất kì một vị trí nào trên đƣờng trục

mạng chính, nhƣng mỗi mạng NMEA 2000 chỉ sử dụng một nguồn nuôi duy nhất và các

phƣơng án dự phòng.

Về việc tiêu thụ nguồn của các thiết bị khi kết nối với mạng cũng đƣợc quy định

rõ ràng nhƣ sau. Để thuận tiện cho việc ghép nối các thiết bị tiêu tốn điện năng vào

mạng, tiêu chuẩn NMEA 2000 có quy định: giá trị tƣơng đƣơng với 50mA là 1 LEN,

nhƣ vậy một thiết bị tiêu thụ 100mA sẽ tƣơng đƣơng với việc tiêu tốn 2 LEN, và một

thiết bị tiêu tốn 101mA sẽ tƣơng dƣơng với việc tiêu tốn 3 LEN. Công suất tối đa mà

một thiết bị có thể lấy từ trục cáp chính – backbone là 1.0mA tƣơng đƣơng với 20 LEN.

Các thiết bị tiêu tốn lớn hơn 20 LEN thì phải đƣợc cung cấp nguồn từ một nguồn nuôi

bên ngoài.

3.3 GIAO DIỆN VẬT LÝ

Cáp sử dụng trong mạng NMEA 2000 đƣợc quy định rõ ràng về màu sắc để tiện cho

việc đấu nối. Dƣới đây là bảng mã màu cáp mạng và chức năng của từng dây:

Bảng 3.2 :Mã màu cáp mạng và chức năng của từng dây

Màu sắc Tên Chức năng

Trắng NET-H Dây tín hiệu

Xanh NET-L Dây tín hiệu

Dây trần SHIELD Chống nhiễu (khử từ)

không đƣợc đấu nối

Đen NET-C Nối đất

Đỏ NET-S Nối vào nguồn

Chuẩn NMEA 2000 cũng quy định rõ về việc đấu nối cáp và các giắc cắm nhƣ sau:

43

Hình 3.5 Đấu nối cáp mạng NMEA 2000.

Sử dụng giắc nối hình chữ T trong trƣờng hợp có rẽ nhánh tới một thiết bị trong

mạng, trƣờng hợp nhiều thiết bị đi vào cùng một cổng kết nối tới mạng thì chuẩn mạng

NMEA 2000 cho một kết nối phù hợp, đó là bộ kết nối nhiều đầu vào. Bộ kết nối này

phải đảm bảo các tiêu chuẩn của cáp mạng và đƣợc đóng hộp bảo vệ. Các đầu đấu nối

cũng đƣợc quy định rõ ràng và đƣợc chỉ ra dƣới hình sau:

Hình 3.6 Cấu hình bộ đấu nối nhiều thiết bị đầu vào.

Hình dƣới đây mô tả một giao diện vật lý tiêu biểu cho mạng NMEA 2000.

Nguồn điện áp đƣợc cung cấp trên dây NET-S và NET-C. Tín hiệu vi sai đƣợc truyền

trên cặp dây NET-H và NET-L. Ở đây dây chống nhiễu (SHIELD) là không đƣợc biểu

44

diễn. Ở hai đầu đầu và đầu cuối cặp dây truyền tín hiệu đƣợc kết thúc bằng hai điện trở.

Sử dụng cách lý quang giữa bộ phận thu phát với các phần tử khác còn lại của mạng.

Hình 3.7 Cấu trúc lớp vật lý mạng NMEA 2000.

4.3 GIAO DIỆN VÀ MẠNG NMEA 2000 TRÊN TÀU THỦY

Chuẩn mới NMEA 2000 là mạng truyền thông phát triển từ giao diện nối tiếp

NMEA 0183 và dựa trên nền mạng CAN. Chính vì tính năng mạng cùng với xu hƣớng

phát triển cũng nhƣ nhu cầu khai thác, sử dụng thì mạng NMEA 2000 sẽ là chuẩn phổ

biến. Mô hình tổng quan về giao diện và mạng NMEA 2000 áp dụng trên tàu thủy đƣợc

mô tả nhƣ hình 3.8.

Từ mô hình tổng quan này ta thấy, mạng trên tàu thủy bao gồm nhiều mạng LAN

để kết nối với máy tính, thiết bị văn phòng nhƣ máy scan, máy in .... Mạng Ethernet

dựa trên nền MiTS ( Maritime Information Technology Standard) hoạt động với tốc độ

trên 100 Mega bit trên giây và đƣợc sử dụng để kết nối tất cả các thiết bị điện trên tàu

thành một mạng chung. Do đó các thiết bị điện tên tàu có thể truyền thông và trao dổi

thông tin với nhau một cách dễ dàng. Cũng thông qua mạng NMEA 200 này thì các bộ

điều khiển, giám sát lớp trên có thể truy cập trực tiếp vào mạng để thu thập dữ liệu cũng

nhƣ điều khiển trực tiếp các thiết bị này.

Mạng NMEA 2000 cũng hỗ trợ việc tƣơng thích giữa các thiết bị theo chuẩn mới

và chuẩn thiết bị theo chuẩn cũ NMEA 0183. Những bộ bộ cảm biến, la bàn, ... đƣợckết

nối vào mạng thông qua bộ chuyển đổi tín hệu NMEA 0183-NMEA 2000.

45

Hình 3.8 Mô hình giao diện và mạng NMEA 2000 trên tàu biển.

3.4 SỰ CHUYỂN ĐỔI GIỮA NMEA 0183 VÀ NMEA 2000

Mặc dù chuẩn NMEA 2000 ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣng ở các tàu cũ,

chuẩn NMEA 0183 vẫn đƣợc sử dụng. Ngay cả một số thiết bị đang sử dụng vẫn đƣợc

thiết kế theo chuẩn NMEA 0183 nhƣ thiết bị đo tốc độ gió và hƣớng gió. Vệc nâng cấp

cho hệ thống mạng truyền thông trên tàu và lắp đặt hệ thống mạng truyền thông trên tàu

đóng mới gặp khó khăn do tính không nhất quán giữa các chuẩn và các thiết bị. Một bộ

chuyển đổi giữa chuẩn cũ với chuẩn mới là cần thiết. Việc chuyển đổi nhằm mục đích

cho phép thiết bị đƣợc thiết kế theo chuẩn NMEA 0183 có thể kết nối với mạng NMEA

2000 và truyền, nhận dữ liệu trên mạng. Việc chuyển đổi cấu trúc gói tin từ chuẩn

NMEA 0183 sang chuẩn NMEA 2000 hay từ NMEA 2000 sang NMEA 0183 đƣợc thực

hiện. Dƣới đây là một số gói tin chuyển đổi từ NMEA 2000 sang NMEA 0183.

Administrative

Networks

(Office LANs

Firewal

Integrated

Bridge

System

Monitor and

Logging

Gateway Gateway Gateway

Actuator

Actuator Sensor

Sensor Throttle

control

Transmission

control

Compass Depthsounder

ECDIC

S

Compas

s

Autopilot Gps radar

Optional

Router

Sentor Actuator

Engine

Computer

Fuel

Flow

Shipboard Control

Networks

(Ethernet Based

MiTS )

Intrument Networks

(NMEA 2000)

Dedicated

Connections

(NMEA 0183)

46

Bảng 3.3 Chuyển đổi giữa gói tin NMEA 0183 và PGN NMEA 2000.

Received NMEA 2000 PGN Transmistted NMEA 0183 Sentence Transmit

Default Number Description Acronym Description

126992 System Time ZDA Time & Date On

127245 Rudder RSA Rudder Sensor Angle On

127250 Vessel Heading HDG/HDT Heading, Dev.&Var./Heading,True On

127251 Rate of Turn ROT Rate of Turn On

127257 Attitude RMAROUT Proprietary Maretron Sentence On

127508 Battery Status XDR Transducer Measurement On

128259 Speed VBW Dual Ground/ Water Speed On

128267 Water depth DPT Depth On

128275 Distance Log VLW Dual Ground/ Water Distance On

129025 Position,Rapid Update GLL Geographic Position- Latiude/Longitude Off

129026 COG & SOG, Rapid Update VTG Course Over Ground and Ground Speed On

169029 GNSS Position Data GGA/GNS GPS Fix Data/ GNSS Fix Data On

169029 GNSS Position Data GLL Geographic Position- Latiude/Longitude On

129033 Time & Date ZDA Time & Date On

129539 GNSS DOPS GSA GNSS DOP and Active Satellites Off

129540 GNSS Sats View GSV GNSS Satellites in View On

129540 GNSS Sats View GSA GNSS DOP and Active Satellites On

130306 Wind Data MWD/MWV Wind Dir & Speed/ Wind Speed and Angle On

130310 Environmental Parameters MTW Water Temperature On

130310 Environmental Parameters XDR Transducer Measurement On

Gói tin chuyển từ chuẩn NMEA 2000 sang chuẩn NMEA 0183 sẽ thay đổi về cấu

trúc khung, từ dạng câu lệnh sang dạng khung truyền tham số theo nhóm, nhƣng nội

dung trong gói tin không thay đổi.

Một số chuyển đổi điển hình:

PGN 126992 (System Time) của chuẩn NMEA 2000 mang nội dung về

thời gian hệ thống sẽ đƣợc chuyển đổi tƣơng ứng sang câu lệnh ZDA-

Time & Date của chuẩn NMEA 0183 nhƣ sau:

47

Hình 3.9 Chuyển đổi PGN 126992 sang ZDA

PGN 127245 (Rudder) của chuẩn NMEA 2000 mang thông tin về góc

bánh lái của tàu đƣợc gửi về từ bộ cảm biến góc bánh lái sẽ đƣợc chuyển

đổi sang câu lệnh tƣơng ứng RSA-Rudder Sense Angle của chuẩn NMEA

0183 mang nội dung về góc bánh lái của tàu.

Hình 3.10 Chuyển đổi PGN 127245 sang RSA

PGN 128267 (Water Depth) của chuẩn NMEA 2000 mang thông tin về độ

sâu đƣợc gửi về từ cảm biến đo độ sâu sẽ đƣợc chuyển đổi sang câu lệnh

tƣơng ứng DPT-Depth của chuẩn NMEA 0183 mang thông tin về độ sâu.

3

NMEA 2000 PGN

126992-System Time

Field #

1

2

4

SID

Time

Source

Reserved

Date

Description

5

3

NMEA 0183 Sentence

126992-Time & Date

Field #

1

2

4

UTC

Null

Day,01 to 31

Month, 01 to 12

Year

Description

5

6 Null

3

NMEA 2000 PGN

127245-Rudder

Field #

1

2

4

Rudder Instance

Position

Direction Order

Reserved

Angle Order

Description

5

3

NMEA 0183 Sentence

RSA- Rudder Sense Angle

Field #

1

2

4

Starboard Rudder Sensor

Starboard Status

Null

Null

Description

6 Reserved

48

Hình 3.11 Chuyển đổi PGN 128267 sang DPT

PGN 129025 (Position, Rapid Update) của chuẩn NMEA 2000 mang

thông tin về vị trí tọa độ sẽ đƣợc chuyển sang câu lệnh tƣơng ứng GLL-

Geographic Position Lat/Lon của chuẩn NMEA 0183 mang thông tin về

kinh độ và vĩ độ.

Hình 3.12 Chuyển đổi PGN 129025 sang GLL

1

3

NMEA 0183 Sentence

DPT-Depth

Field #

2

Water Depth Transducer

Offset from Transducer

Null

Description

3

NMEA 2000 PGN

128267-Water Depth

Field #

1

2

4

SID

Water Depth Transducer

Offset

Reserved

Description

NMEA 2000 PGN

128267-Position, Rapid Update

Field #

1

2

Latitude

Longitude

Description

1

3

NMEA 0183 Sentence

GLL-Geographic Position Lat/Lon

Field #

2

Latitude

N/S

Longitude

Description

5

4 E/W

Null

6 Always Transmitted as” V”

7 Always Transmitted as” N”

49

KẾT LUẬN

Ngày nay khi khoa học phát triển việc kết nối các thiết bị trong ngành công

nghiệp tàu thủy đang rất phát triển. Các chuẩn kết nối liên tục đƣợc cải tiến và đƣợc áp

dụng. Việc tìm hiểu các chuẩn truyền thông trong hệ thống nghi khí hàng hải và vô

tuyến điện cung cấp cho ta một cách khái quát về sự phát triển, công nghệ và ứng dụng

của nó. Từ đó giúp ta kết nối các thiết bị đƣợc dễ dàng với nhau đảm bảo việc trao đổi

thông tin giữa các thiết bị là tốt nhất. Với sự quan tâm hƣớng dẫn tận tình của thầy

giáo-ThS. Nguyễn Ngọc Sơn cùng anh chị trong công ty THHH thƣơng mại và dịch vụ

kỹ thuật Hàng Hải (MTS) và nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành đề tài này và hy

vọng rằng nó là tài liệu tham khảo hữu ích sau này. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp

đỡ của thầy, các anh trong công ty và bạn bè. Do thời gian làm đề tài có hạn và sự hiểu

biết của em còn hạn chế nên chắc chắn đề tài của em còn có những thiếu sót. Em mong

nhận đƣợc sự góp ý của các thầy cô và các bạn. !

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Trường

50

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

IEC : International Electrotechnical Commission

NMEA : National Marine Electronics Association

PGN : Parameter Group Number

VDR Voyage Data Recorder

GPS : Global Positioning System

RADAR : Radio Detection And Ranging

AIS : Automatic Identification System

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] The NMEA 0183 Protocol

http://www.tronico.fi/OH6NT/docs/NMEA0183.pdf

[3 ] NMEA0183V220

http://www.actisense.com

[4] The NMEA 0183 Information Sheet

http://read.pudn.com/downloads145/doc/comm/633523/NMEA/The%20NMEA%200183

%20Information%20Sheet.pdf

[5] NMEA 2000 Network Fundamentals

http://www8.garmin.com/manuals/GPSMAP4008_NMEA2000NetworkFundamentals.pdf

[6] International Standard

http://webstore.iec.ch/preview/info_iec61162-3%7Bed1.0%7Den.pdf

[7] NMEA 200 Explained – The Latest Word

http://www.nmea.org/Assets/2000-explained-white-paper.pdf

[8] USB100 NMEA 2000® / NMEA 0183 Gateway

http://www.maretron.com/support/manuals/USB100UM_1.2.pdf

[9] NGHIÊN CỨU GIAO DIỆN VÀ MẠNG NMEA 2000® TRÊN TÀU THỦY

http://khcn.vimaru.edu.vn/tckh/sites/default/files/data/So_24_11_2010/88-

Nghien%20cua%20giao%20dien.pdf