一、NMEA 2000® 與 CAN 匯流排通訊概述
在船舶電子設備的整合應用中，NMEA 2000® 序列通訊網路是業界主流的通訊標準。現今多數船用電子產品皆支援 NMEA 2000® 規範，可大幅提升航海電子設備於船舶系統中的連接效率與相容性。NMEA 2000® 協定是建立於 CAN匯流排之上，負責在各類設備之間傳輸數位資料。
在實務導入與維護過程中，許多 NMEA 2000® 相關工具與作業，往往著重於實體佈線層面，例如線材長度、支線配置（drop line）、終端電阻設置與電源需求等。然而，當系統出現通訊異常時，僅從佈線角度切入，往往不足以找出真正問題來源。因此，本文將聚焦於 NMEA 2000® 系統中 CAN 通訊層的分析與故障排查工具，協助工程人員從通訊本質著手，進一步掌握系統運作狀態。
二、CAN 通訊架構與資料傳遞機制
CAN 通訊協定最早由 Bosch 於 1980 年代中期為汽車產業所開發，隨後逐步擴展至多個產業領域，包含船舶電子系統中所採用的 NMEA 2000®。
CAN 通訊架構可概分為三個層級：應用層（Application Layer）、資料鏈結層（Data Link Layer）、實體層（Physical Layer）
其中，應用層為 ECU 微控制器中的嵌入式軟體，負責處理來自各類感測器的輸入資料、進行必要運算，並輸出控制訊號至致動器。在 NMEA 2000® 系統中，應用層的通訊規範即由 NMEA 2000® 協定本身所定義。在實際船舶應用場景中，部分量測與控制資訊需要在儀表、感測器與致動器之間直接傳遞，例如羅盤、深度感測器、速度感測器等。這類即時資料交換，正是透過 CAN 匯流排來高效率完成。
CAN 資料傳遞流程概述
當某一控制器需要將資訊傳送至其他控制器或感測器／致動器時，資料會經由 CAN 控制器與 CAN 收發器，透過資料鏈結層與實體層送入 Trunk Line 主幹線。
其中，CAN 控制器會依照應用層所定義的標準格式，封裝資料並賦予對應的功能性位址；而 CAN 收發器則負責將資料轉換為電氣訊號，並透過雙絞線 CAN 匯流排於主幹線上傳輸。此類實體訊號設計，能有效因應船舶環境中常見的電氣雜訊，確保通訊穩定性。
三、NMEA 2000® 網路架構解說
圖1 NMEA 2000® 網路架構
本文所介紹的工具，分別對應 CAN 與 NMEA 2000® 通訊架構中的不同層級。以下將說明如何透過 Warwick 的 X-Analyser 3 分析與資料記錄工具，連接並解析 NMEA 2000® 資料，以協助解決 NMEA 2000® 與 CAN 通訊相關問題；同時，也將介紹以 PicoScope 為核心的 PC 型示波器解決方案，用於分析 NMEA 2000® Trunk Line 主幹線上 CAN 實體訊號的完整性。
本文所涵蓋之軟體工具（X-Analyser 3 Professional 與 PicoScope 6），搭配以下硬體設備使用：
Kvaser Leaf Light CAN 介面：用於 CAN 資料記錄與分析
PicoScope 2206B 示波器：雙通道設計，頻寬 50 MHz
M12 轉 D9 轉接線：將 NMEA 2000® Trunk Line 連接至 Kvaser CAN 介面（部分 Kvaser 介面本身即內建 M12 接頭）
M12 轉雙 BNC 轉接線：用於將 NMEA 2000® Trunk Line 連接至 PicoScope 示波器
攜行收納箱
Warwick Control 亦提供一套NMEA 2000® 維護套件（Maintenance Kit），整合上述所有硬體設備與軟體工具，方便工程人員進行現場維護與故障排查。
接下來將進一步說明這些工具如何用於檢視 CAN 資料，並協助進行系統維護與故障診斷。說明順序將由實體層開始，依序進入資料鏈結層，最後延伸至應用層。
維護與故障排查工具說明
在檢視 CAN 訊框實體層訊號完整性時，使用Pico Oscilloscopes是一項兼具成本效益與實用性的解決方案。只要搭配筆電，即可建構一套低成本但功能強大的示波器系統。由於 CAN 屬於相對低頻寬的通訊協定，實務上使用規格較低的 PicoScope 即可清楚觀察 CAN 訊框波形；當然，為了同時量測 CAN_H 與 CAN_L，仍需具備雙通道示波器。
下方圖 2 為一個 CAN 訊框的示波器量測範例。畫面中可看到兩條電氣訊號軌跡，分別為 CAN High（CAN_H） 與 CAN Low（CAN_L），其中 CAN_H 以藍色顯示，CAN_L 則以紅色顯示。
在 Recessive 位元或匯流排閒置狀態（位元值為 1）時，CAN_H 與 CAN_L 均維持在約 2.5 V；而在 Dominant 位元（位元值為 0）時，CAN_H 上升至約 3.5 V，CAN_L 則下降至約 1.5 V。
圖2 示波器上的 CAN 訊框
CAN 採用差動訊號（Differential Signaling）設計，使其能在高雜訊環境中穩定通訊。從圖中可觀察到訊號中仍存在部分雜訊尖峰，但由於差動訊號的特性，這些雜訊會被有效抵消，不影響實際通訊。
若量測單一位元（bit）的寬度，可發現其約為 4 微秒（µs），對應的傳輸速率即為 250 kbps，符合 NMEA 2000® 的通訊規範。
PicoScope 在實務上對於線路問題的快速判斷極具價值，工程人員可透過觀察 CAN 訊框的實體訊號電壓層級，及早發現佈線異常。
以圖 1 的 NMEA 2000® 網路架構為例，Trunk Line 主幹線兩端皆需配置終端電阻（Termination Resistor），其形式為兩顆 120 Ω 電阻，分別接在 CAN_H 與 CAN_L 之間。在數位通訊過程中，終端電阻可防止射頻訊號於線路末端反射回傳，進而造成干擾。
若缺少終端電阻，實際量測到的波形將如下方圖 3 所示，可明顯看到訊號在轉換時產生過衝與振鈴（overshoot ringing），此現象容易導致 CAN 訊框錯誤，進而中斷正常通訊。
圖 3．因缺少終端電阻導致的 CAN 訊框反射干擾
另一個常見問題，則是Trunk Line 上配置過多終端電阻。當總終端阻抗過低時，將導致 CAN 匯流排效能下降。此情況下，示波器上可觀察到 CAN_H 與 CAN_L 之間的差動電壓幅度降低，進而影響通訊穩定性。
CAN_H 與 CAN_L 短路情況
圖 4 顯示了 CAN_H 與 CAN_L 發生短路時的狀況。此時雖然示波器仍可量測到波形，但實際上 CAN 匯流排已無法進行正常通訊。
X-Analyser 中的 CAN 訊框顯示畫面
在 資料鏈結層（Data Link Layer） 的 CAN 訊框分析方面，可透過 Warwick X-Analyser進行 CAN／J1939／NMEA 2000® 的通訊分析與測試。
上方圖 5 顯示 X-Analyser 主畫面中的原始 CAN 資料視圖，可看到：
CAN 訊框 ID（十六進位）
對應的原始資料內容
時間戳記（Timestamp）
同時，畫面右側的匯流排統計區（Bus Statistics）可即時顯示匯流排負載率、訊框數量與錯誤訊框數（若有）。目前畫面為靜態更新模式，每個 CAN ID 會持續更新最新資料；另可切換為Chronological 模式，依照訊息實際進入 CAN 匯流排的時間順序顯示。
在應用層分析方面，X-Analyser 3 Professional 可載入 NMEA 2000® CAN 資料庫，用以解析並顯示 NMEA 2000® 的 PGN（Parameter Group Number） 及其對應的資料欄位（Fields）。
PGN 用於描述訊息的內容與用途，例如：
速度（Speed，PGN 1F503）
液位（Fluid Level，PGN 1F211）
在圖 5 中，可看到顯示的訊息名稱即對應各 PGN，而 Signals 區域則顯示由資料庫選取的欄位內容。這些解析結果皆來自 X-Analyser 內建的NMEA 2000® 標準 CAN 資料庫。
此外，X-Analyser 3 亦內建 SAE J1939 資料庫。由於實際船舶系統中，常同時存在 NMEA 2000® 與 J1939 兩種通訊協定，若搭配具備雙 CAN 通道的 Kvaser 介面，即可同時監看兩條 CAN 匯流排。
此功能特別適用於船舶上設有 NMEA 2000® 與 J1939 Gateway的應用場景，例如引擎控制系統採用 J1939 協定，需將引擎資訊轉換並傳送至 NMEA 2000® 匯流排時，即可透過 X-Analyser 同步分析兩側通訊狀態。
NMEA 2000® CAN Identifier 結構概述
圖 6．NMEA 2000® CAN ID 欄位結構
NMEA 2000® 的 CAN Identifier 結構，係基於與SAE J1939 類似的設計，如圖 6 所示。29 位元 CAN ID 自右至左依序劃分，其中：
最右側 1 Byte 為 Source ID（或 Node ID）
接下來的 2 Byte 組成 Parameter Group Number（PGN）
X-Analyser 亦提供另一種顯示方式，可將 CAN ID 依照 PGN（Parameter Group Number）、來源位址（Source Address）、資料頁（Data Page） 與 優先權（Priority） 等欄位進行拆解顯示，其結構如圖 6 所示。此顯示模式的實際範例如圖 7 所示。
圖 7．X-Analyser 中的 NMEA 2000® 應用層顯示畫面
在此顯示畫面中，也可同步查看所選取的訊號欄位（Fields）。這些欄位係自 X-Analyser 內建的 NMEA 2000® CAN 資料庫 中選擇而來。該資料庫完整收錄所有標準 NMEA 2000® 訊息（PGNs），並依據 NMEA 2000® 規範定義其對應的資料內容。
圖 8．3 合 1 分析器概念
X-Analyser 的另一項進階顯示功能，為結合三個通訊層級的 3-in-1 分析模式，其概念如圖 8 所示。此模式將資料鏈結層的訊息顯示，與下方的實體層波形同步呈現。
在圖 8 中，範例高亮顯示的是液位（Fluid Level）訊息，其 PGN 為F211（前方的數字 1 代表 Data Page 為 1），來源位址為 70。畫面下方同步顯示該訊息對應的實體層訊號，其中 CAN_H 以藍色顯示，CAN_L 以紅色顯示，而綠色波形則表示 CAN_H 與 CAN_L 之間的差動電壓關係。同時，CAN 訊框中的各個組成欄位，也會在畫面中一併被標示出來。
此顯示模式特別適合用於檢視 CAN 訊框的實體訊號完整性。工程人員可快速選取特定的 NMEA 2000® 訊息，並同時從 應用層、資料鏈結層與實體層 三個層級進行觀察。在進行故障排查時，該功能有助於判斷線路上是否存在過多雜訊干擾，或在資料轉換過程中出現的振鈴（ringing）現象，進而指向可能的終端電阻配置問題。
此外，該工具亦可搭配訊號（Fields）模組，顯示來自 CAN 資料庫中所選取的訊號欄位，完整涵蓋 CAN／NMEA 2000® 的應用層資訊。
五、與 NMEA 2000® CAN 匯流排的介接方式
為將分析與診斷工具接入 NMEA 2000® CAN 匯流排，可搭配對應的專用連接器進行介接。於 PC 端進行 CAN 資料分析時，可使用Kvaser CAN 介面搭配 X-Analyser 軟體；多數 Kvaser 介面透過 USB 與電腦連接，並以 D9 接頭連接 CAN 匯流排，亦可依需求選用支援 NMEA 2000® M12 接頭的型號，或透過M12 轉 D9 轉接線進行連接。
在實體層訊號量測方面，可使用 Pico Oscilloscopes進行 CAN_H 與 CAN_L 的雙通道量測，透過 M12 轉雙 BNC 轉接線直接接入 NMEA 2000® 匯流排，即可觀察差動訊號品質與線路狀態。
上述設備皆可透過在NMEA 2000® Trunk Line 主幹線任一位置加裝 M12 T 型接頭進行接入，施工方式簡單，相關配件亦容易取得。
整體而言，透過從CAN 通訊架構與分層概念出發，搭配合適的量測與分析工具，即可有效診斷 NMEA 2000® 系統中的通訊問題，協助工程人員提升系統穩定性與維護效率。
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