基于STM32的船舶位置記錄儀設(shè)計(jì)

侯新國，左文，黃海

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基于STM32的船舶位置記錄儀設(shè)計(jì)

侯新國，左文，黃海

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430073）

船舶位置數(shù)據(jù)記錄儀能夠?qū)崟r(shí)記錄靶船在航行過程中的位置、速度、方向等重要信息，是目前不可或缺的航海設(shè)備，本文以STM32F103 MCU（微處理器）為核心處理單元，設(shè)計(jì)了船舶位置記錄儀的系統(tǒng)外圍電路和嵌入式系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)簡單，方案可行。

數(shù)據(jù)記錄儀 STM32F103 微處理器 嵌入式系統(tǒng)

0 引言

隨著GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）的廣泛使用，它已經(jīng)成為現(xiàn)代科技、軍事、民生組成的重要部分[1]。GPS靶船數(shù)據(jù)記錄儀是用來接收記錄靶船位置、速度、方向等其他信息的重要設(shè)備，主要包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包括GPS接收模塊、微處理器、外圍接口等，軟件部分負(fù)責(zé)解析GPS數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)處理等，并最終將所需信息上傳到上位機(jī)軟件或者顯示終端[2-3]。

1 位置記錄儀總體設(shè)計(jì)

本文中GPS靶船記錄儀采用32位微處理器STM32F103作為主處理器用以接收、解析GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到接收機(jī)上的存儲(chǔ)器中，上位機(jī)可通過USB接口獲取GPS記錄儀中的存儲(chǔ)信息。

GPS靶船記錄儀以Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103微處理器作為核心處理單元，它包括GPS模塊，存儲(chǔ)單元，串行接口，USB接口以及顯示單元。GPS模塊負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文，通過內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換輸出導(dǎo)航信息以及PPS信號(hào)，串行接口用以連接微處理器和GPS模塊，存儲(chǔ)單元用來存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)信息，并可通過USB接口與上位機(jī)通信，顯示單元用來顯示靶船所需的位置，方位，時(shí)間等信息[4]。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 位置記錄儀的硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)GPS靶船記錄儀的功能需求和總體設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了靶船記錄儀的硬件電路[5-7]。

2.1 GPS模塊

GPS模塊數(shù)據(jù)信息通過一個(gè)串行232接口與主處理器通信，將導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航信息傳遞給微處理器，主處理器再對(duì)所需信息做出選擇。

2.2 電源接口

電源接口解決整個(gè)系統(tǒng)供電需求，包括主處理器，存儲(chǔ)器及其他外圍接口所需的供電需求。圖2所示其接口電路連接圖。

圖2 系統(tǒng)供電電路

2.3 主處理器

本系統(tǒng)采用STM32F103微處理器作為核心處理單元，STM32系列微控制器是由ST意法半導(dǎo)體公司以ARM Cortex-M3為內(nèi)核開發(fā)生產(chǎn)的32位微控制器，專為高性能、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)，應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、測試和測量設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化控制等領(lǐng)域[8]。

2.4 Flash存儲(chǔ)接口

由于GPS靶船數(shù)據(jù)記錄儀是安裝在靶船上的重要設(shè)備，需要時(shí)刻記錄靶船所在位置，航向，時(shí)間等信息，所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量比較大，系統(tǒng)采用了一個(gè)1Gbit的NAND Flash作為外部存儲(chǔ)器。

2.5 USB接口

為了使上位機(jī)軟件方便獲取記錄儀存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)采用了USB接口，STM32F103微控制器支持USB2.0協(xié)議。圖3中，PA11和PA12引腳分別對(duì)應(yīng)USB接口引腳中的DM、DP通信線。本系統(tǒng)中，GPS記錄儀作為USB從設(shè)備，ST公司為STM32系列微控制器提供了完整的驅(qū)動(dòng)庫，對(duì)于開發(fā)者，僅需要對(duì)相應(yīng)接口庫和功能函數(shù)做調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[9]。

圖3 USB接口電路

2.6 串行接口

本系統(tǒng)中串行接口包括RS232接口，RS232接口是連接GPS模塊與主處理器通信的橋梁，用以獲取導(dǎo)航衛(wèi)星的準(zhǔn)確信息，其硬件接口如圖4所示。

圖4 串行接口電路

2.7 JTAG調(diào)試接口

JTAG接口是系統(tǒng)嵌入式軟件在線調(diào)試接口，STM32系列微控制器都帶有JTAG調(diào)試接口，其硬件連接如下圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.1 GPS數(shù)據(jù)解析

GPS數(shù)據(jù)解析是將GPS接收機(jī)收到的數(shù)據(jù)信息按照記錄儀所需求的信息進(jìn)行選擇性篩選，只選出所需的有用信息即可，GPS模塊的輸出信息滿足NEMA2.0格式，其數(shù)據(jù)信息如下所示[10]。

GPS輸出信號(hào)格式遵從NMEA-0183規(guī)定，其數(shù)據(jù)格式為：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh其中<1> UTC時(shí)間，<2> 定位狀態(tài)，<3> 緯度，<4> 緯度半球，<5> 經(jīng)度，<6> 經(jīng)度半球，<7> 地面速率，<8> 地面航向，<9> UTC日期，<10> 磁偏角，<11> 磁偏角方向，<12> 模式指示。每個(gè)數(shù)據(jù)間以間隔符隔開，需要哪部分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)分隔符位置提取即可。

圖5 JTAG調(diào)試接口

3.2 USB程序開發(fā)與數(shù)據(jù)處理

在本系統(tǒng)中，GPS靶船記錄儀作為USB從設(shè)備，支持上位機(jī)通過USB接口獲取存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)的歷史信息。USB從設(shè)備作為USB通信的底層設(shè)備，ST公司提供了其完整的底層驅(qū)動(dòng)庫和USB標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在用戶開發(fā)層面上，只需要對(duì)應(yīng)用層接口函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改和調(diào)用即可，其軟件設(shè)計(jì)包括USB控制器的初始化、主機(jī)請(qǐng)求模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。

3.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖主要包括系統(tǒng)初始化，GPS數(shù)據(jù)提取與存儲(chǔ)，USB數(shù)據(jù)上傳等，結(jié)構(gòu)流圖如圖6所示。

4 總結(jié)

GPS靶船記錄儀用于記錄靶船方位、速度等重要信息，本文設(shè)計(jì)的GPS靶船記錄儀是一種集成度高，接口豐富的航海儀器設(shè)備，硬件結(jié)構(gòu)簡單，功能完備，從GPS信息解析接收、微處理器接口、USB數(shù)據(jù)協(xié)議開發(fā)以及終端顯示等方面都做了詳細(xì)介紹，能夠很好的滿足海上靶船方位，速度等信息的記錄和傳輸。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)流程圖

[1] 李天文．GPS原理及應(yīng)用[M]. 第1版. 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

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[3] 李洪濤, 許國昌. GPS應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[ M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1999．

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[9] 劉榮．圈圈教你玩USB[M]．北京：北京航空航天大學(xué), 2009．

[10] 何香玲, 鄭剛．GPS通信的NEMA協(xié)議及定位數(shù)據(jù)的提取[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用及軟件, 2004, 13(12): 121~ 122．

STM32 MCU-Based Design of Ship Location Recorder

Hou Xingguo, Zuo Wen, Huang Hai

(College of Electronical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TP393

A

1003-4862（2014）12-0064-03

2014-05-14

侯新國（1972-），男，副教授。專業(yè)方向：電力系統(tǒng)故障診斷，信號(hào)處理等。