簡(jiǎn)易船舶GPS、艏向顯示器的設(shè)計(jì)

陳隱宏， 樓然苗

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院， 浙江舟山， 316022）

船舶航行時(shí)的艏向、航速、地理位置（經(jīng)度、緯度等）、時(shí)間等是船舶安全航行的必要信息。目前市場(chǎng)上，一套進(jìn)口的羅經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備多達(dá)數(shù)十萬(wàn)元，只有大型船舶上才配有這樣的裝備。而設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易的GPS、電子羅經(jīng)導(dǎo)航儀價(jià)格在1 000元以下，具有實(shí)時(shí)的艏向、航速、地理位置（經(jīng)度、緯度）、時(shí)間等信息顯示功能，可在小型漁貨輪船上大量推廣應(yīng)用，為船舶安全航行提供輔助幫助[1-10]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易船舶GPS、艏向顯示器的硬件原理框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由主控制器、電子羅經(jīng)傳感器、GPS模塊、4.3寸TFT液晶顯示屏、電源穩(wěn)壓模塊組成。

1.1 電子羅經(jīng)傳感器硬件系統(tǒng)組成

電子羅經(jīng)傳感器硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。電子羅經(jīng)傳感器由微處理器芯片、LSM303DLH地磁傳感器芯片、RS485接口電路、三位LED數(shù)碼管和電源變換器組成。

1.1.1 微處理器電路

電子羅經(jīng)傳感器的微處理器芯片使用宏晶公司生產(chǎn)的STC12LE5608AD單片機(jī)，采用32腳的方形貼片封裝形式（LQFP-32）。主要引腳資源使用如圖3，分別為：P1.0-P1.6口用于輸出LED數(shù)碼管的段碼；P2.0、P0.2、P3.7口用于三位LED數(shù)碼管的位選；串行口P3.1、P3.2與RS485接口電路相連，用于輸出航向角信息；P2.5、P2.6、P2.7口與地磁傳感器LSM303DLH的相應(yīng)端口連接，P3.4、P3.5口分別接一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)，用于功能設(shè)定與校正；P0.0口用于RS485芯片的使能控制。

1.1.2 地磁傳感器芯片

地磁傳感器芯片使用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LSM303DLH芯片。LSM303DLH芯片可將連續(xù)的地磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)。LSM303DLH芯片的測(cè)量分辨率較高，其最高分辨率可達(dá)8 mGs，測(cè)量范圍從1.3～8.1 Gs，可由程序設(shè)置選擇。在通信方面，LSM303DLH采用I2C總線與微處理器進(jìn)行通信，具有占用接口少，通信速率較高的優(yōu)點(diǎn)。

1.1.3 RS485接口電路

RS485接口電路采用SP3485EN芯片。SP3485EN一種低功耗半雙工電平轉(zhuǎn)換芯片，完全符合RS485串行協(xié)議的要求。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將SP3485EN輸出使能端TE置1，而需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，將使能端TE置為低電平。

1.1.4 LED顯示電路

電子羅經(jīng)傳感器的LED顯示電路由三位七段發(fā)光二極管組成。由于單片機(jī)的輸出電壓、輸出電流都很微弱，所以還需要加上拉電阻才能點(diǎn)亮發(fā)光二極管，電路設(shè)計(jì)中采用10 K的上拉電阻。此外，流過(guò)發(fā)光二極管的電流需要限定，否則發(fā)光二極管將被燒壞，電路設(shè)計(jì)中采用1 K的排阻。LED顯示電路如圖4所示。

1.1.5 電源變換電路

電子羅經(jīng)傳感器工作時(shí)需要兩種不同的穩(wěn)定電壓，為此，電源變換電路采用兩級(jí)穩(wěn)壓電路，由LM1117I-3.3和LM1117I-1.8級(jí)聯(lián)完成。直流輸入電壓范圍為5～15 V，第一級(jí)直流電壓輸出3.3 V，第二級(jí)直流電壓輸出1.8 V。電源變換電路如圖5所示。

1.2 GPS模塊

GPS模塊采用型號(hào)為REB3571LP的成品接收頭。REB3571LP是臺(tái)灣鼎天最新推出的SiRF Star III方案模塊，接收性能極佳，可廣泛用于車載導(dǎo)航和車輛監(jiān)控安防等領(lǐng)域。其工作電壓為3.3 V，工作溫度-30℃～+85℃，熱啟動(dòng)約1 s，溫啟動(dòng)約35 s，冷啟動(dòng)約42 s，定位準(zhǔn)確度：10 m(不帶SA)，輸出信息格式滿足NMEA0183，輸出接口標(biāo)準(zhǔn)為RS232。

圖1 船舶GPS、艏向顯示器硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Main display hardware system block diagram

圖2 電子羅經(jīng)傳感器硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 The hardware diagram of electronic compass

圖3 微處理器硬件電路圖Fig.3 Circuit diagram of micro controller

圖4 LED顯示電路硬件電路圖Fig.4 Circuit diagram of LED display

圖5 電源變換電路Fig.5 Circuit diagram of power transformation

1.3 主控制器電路

主控制器芯片使用宏晶公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)，采用44腳的方形貼片封裝形式（LQFP-44）。主控制器的端口資源使用情況如圖6所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)的兩組串行口（P3.0/P3.1、P1.2/P1.3）分別用于接收電子羅經(jīng)傳感器測(cè)得的艏向角信息和GPS模塊測(cè)得的地理位置信息。P1.0，P1.1，P1.4，P1.5口以SPI總線方式與TFT液晶顯示屏進(jìn)行連接，P1.6口用于檢測(cè)SPI總線是否忙。

1.4 主顯示屏

主顯示屏采用深圳彩晶科技有限公司生產(chǎn)的4.3寸16位真彩色液晶屏CJT04301，該屏支持文字及繪圖兩種混合顯示模式，內(nèi)帶768KB的DDRAM，色彩深度65K色，支持SPI、I2C、并口等接口，支持外部串行式Flash/ROM接口，支持文字旋轉(zhuǎn)及放大功能，完全能滿足設(shè)計(jì)要求的信息顯示功能。

1.5 電源穩(wěn)壓模塊

電源穩(wěn)壓模塊分別為主控制器和TFT液晶顯示屏提供穩(wěn)定的直流電壓。電源穩(wěn)壓芯片采用LM2576S5.0芯片。直流輸入電壓范圍8～40 V，直流輸出電壓為5 V。

圖6 主控制器硬件電路圖Fig.6 Circuit diagram of main controller

2 程序設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易船舶GPS、艏向顯示器的控制程序包括電子羅經(jīng)傳感器的控制程序和主顯示屏的控制程序。

2.1 電子羅經(jīng)傳感器控制程序

電子羅經(jīng)傳感器的主要控制程序有：初始化程序、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)讀出與處理程序、輸出信息格式控制程序、艏向角LED顯示程序、干擾校正程序。

2.1.1 初始化程序

初始化程序的主要工作是：給一些變量單元賦初值、初始化LSM303DLH芯片的I2C總線、設(shè)定LSM303DLH芯片的工作參數(shù)、開(kāi)啟定時(shí)器中斷、串口中斷、設(shè)定串行口波特率等。

2.1.2 磁場(chǎng)數(shù)據(jù)讀出與處理程序

磁場(chǎng)數(shù)據(jù)讀出與處理程序的主要作用是：通過(guò)微處理器讀LSM303DLH測(cè)得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后再計(jì)算出磁北航偏角。在程序設(shè)計(jì)中，LSM303DLH芯片設(shè)定成最快的轉(zhuǎn)換速度，微處理器則連續(xù)讀取10個(gè)數(shù)據(jù)。在計(jì)算磁北航偏角時(shí)，采用取多個(gè)數(shù)據(jù)求平均值的方法。對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)中個(gè)別相差較大的數(shù)據(jù)予以丟棄，以提高求得數(shù)據(jù)的精確性。由于船舶在航行時(shí)轉(zhuǎn)向緩慢，因此數(shù)據(jù)輸出的刷新率不必過(guò)高，波特率一般為4 800 Baud/s。當(dāng)需要提高數(shù)據(jù)輸出刷新率時(shí)，可通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)選擇。

2.1.3 輸出信息格式控制程序

電子羅經(jīng)傳感器通過(guò)RS485串口向主顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)，其輸出信息的語(yǔ)句格式滿足IEC-61162-1標(biāo)準(zhǔn)。IEC-61162-1協(xié)議對(duì)船載自動(dòng)導(dǎo)航設(shè)備（AIS)的信息采集和處理進(jìn)行了規(guī)范化的說(shuō)明。語(yǔ)句的標(biāo)準(zhǔn)格式為“$+標(biāo)志字符5個(gè)+逗號(hào)+數(shù)據(jù)整數(shù)位字符3個(gè)+小數(shù)點(diǎn)+小數(shù)位字符1個(gè)+逗號(hào)+M標(biāo)識(shí)字符1個(gè)+*號(hào)+校驗(yàn)碼字符2個(gè)+退格回車符2個(gè)”，共19個(gè)ASCⅡ碼。如“$HCHDM，108.1，M*21”。其中第一個(gè)逗號(hào)和第二個(gè)逗號(hào)之間的數(shù)據(jù)才是航向角信息，此處艏向角為偏北108.1°。

2.1.4 艏向角LED顯示程序

艏向角LED顯示程序采用定時(shí)器自動(dòng)中斷的動(dòng)態(tài)掃描方法。當(dāng)需要改變?nèi)籐ED的發(fā)光亮度時(shí)，只需要改變定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值，即通過(guò)改變動(dòng)態(tài)掃描的周期時(shí)間。

2.1.5 干擾校正程序

在使用電子羅經(jīng)傳感器時(shí)，周圍環(huán)境中可能存在一定的干擾，從而影響測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，在第一次使用電子羅經(jīng)傳感器時(shí)，要把測(cè)得磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的最大值和最小值存儲(chǔ)在EEPROM中。這樣，在以后的使用中干擾校正程序就會(huì)把當(dāng)前電子羅經(jīng)傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在EEPROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行等比對(duì)換，從而準(zhǔn)確求出船艏與磁北方向角的大小，提高數(shù)據(jù)的精確度。

2.2 主顯示屏的控制程序

主顯示屏的控制程序主要有：初始化程序、電子羅經(jīng)傳感器信息接收與處理程序、GPS信息接收與處理程序、顯示程序等。

2.2.1 初始化程序

初始化程序的主要工作是：定義變量及標(biāo)志位，給一些變量、數(shù)組單元賦初值，初始化TFT液晶顯示屏，開(kāi)啟定時(shí)器中斷，串口中斷，設(shè)定定時(shí)器工作參數(shù)，設(shè)定串行口波特率等。

2.2.2 電子羅經(jīng)傳感器信息接收與處理程序

電子羅經(jīng)傳感器的信息接收選擇串口中斷方法。由于主控制器接收到的是IEC-61162-1格式的信息，如“$HCHDM,108.1,M*29”，其中108.1才是艏向角信息，所以信息處理程序要將其中的艏向角信息提取出來(lái)，并發(fā)送給顯示屏顯示。

2.2.3 GPS信息接收與處理程序

GPS信息的接收也通過(guò)串口中斷方法。GPS通訊格式遵守NMEA0183協(xié)定。如接收到的GPS信息為“$GPRMC,002654.000,A,2956.9456,N,12219.2747,E,005.2,024.8,220902,E,W*68”。其中，“$”是語(yǔ)句起始位，后面的信息用逗號(hào)分割，依次表示：UTC時(shí)間，定位狀態(tài)，緯度，南北半球，經(jīng)度，東西半球，地面速率，地面航向，UTC日期，磁偏角（000.0-180.0度），磁偏角（E表示偏東，W表示偏西），模式指示。GPS信息處理程序需要對(duì)UTC時(shí)間、UTC日期、經(jīng)度、緯度、磁偏角大小、磁偏角方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，最后發(fā)送給主顯示屏顯示。

2.2.4 顯示程序

CJT04301TFT液晶顯示屏的顯示程序包括：工作窗口及卷動(dòng)窗口設(shè)定程序、清內(nèi)存程序、圖片顯示程序、文字顯示程序、畫(huà)圖程序（線、面、圓、三角形、矩形等）。

3 測(cè)試與性能分析

經(jīng)測(cè)試，簡(jiǎn)易船舶GPS、艏向顯示器的主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）電源電壓：9～30 V直流輸入；

（2）電源電流：9 V輸入下小于250 mA；

（3）信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)：RS-485、RS232；

（4）信息格式：符合IEC-61162-1（NMEA0183兼容）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；

（5）串口波特率：4 800 baud/s（可選）；

（6）艏向分辨率：0.1度；

（7）顯示屏：4.3寸（480×272）TFT液晶真彩屏。

4 結(jié)論

簡(jiǎn)易船舶GPS艏向顯示器具有實(shí)時(shí)的艏向、航速、地理位置（經(jīng)度、緯度）、時(shí)間等信息顯示功能，具有低價(jià)實(shí)用等特點(diǎn)，在小型漁貨船上具有較大的推廣應(yīng)用市場(chǎng)。

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