基于STM32的船舶位置记录仪设计

侯新国，左文，黄海



基于STM32的船舶位置记录仪设计

侯新国，左文，黄海

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430073）

船舶位置数据记录仪能够实时记录靶船在航行过程中的位置、速度、方向等重要信息，是目前不可或缺的航海设备，本文以STM32F103 MCU（微处理器）为核心处理单元，设计了船舶位置记录仪的系统外围电路和嵌入式系统软件，设计简单，方案可行。

数据记录仪 STM32F103 微处理器 嵌入式系统

0 引言

随着GPS（全球卫星定位系统）的广泛使用，它已经成为现代科技、军事、民生组成的重要部分[1]。GPS靶船数据记录仪是用来接收记录靶船位置、速度、方向等其他信息的重要设备，主要包括硬件和软件两部分，硬件部分包括GPS接收模块、微处理器、外围接口等，软件部分负责解析GPS数据信息，数据处理等，并最终将所需信息上传到上位机软件或者显示终端[2-3]。

1 位置记录仪总体设计

本文中GPS靶船记录仪采用32位微处理器STM32F103作为主处理器用以接收、解析GPS模块输出的数据信息，并将数据信息存储到接收机上的存储器中，上位机可通过USB接口获取GPS记录仪中的存储信息。

GPS靶船记录仪以Cortex-M3内核的STM32F103微处理器作为核心处理单元，它包括GPS模块，存储单元，串行接口，USB接口以及显示单元。GPS模块负责接收卫星发出的导航电文，通过内部电平转换输出导航信息以及PPS信号，串行接口用以连接微处理器和GPS模块，存储单元用来存储接收到的数据信息，并可通过USB接口与上位机通信，显示单元用来显示靶船所需的位置，方位，时间等信息[4]。其硬件结构如图1所示。

图1 系统总体设计

2 位置记录仪的硬件设计

依据GPS靶船记录仪的功能需求和总体设计，本文设计了靶船记录仪的硬件电路[5-7]。

2.1 GPS模块

GPS模块数据信息通过一个串行232接口与主处理器通信，将导航卫星发出的导航信息传递给微处理器，主处理器再对所需信息做出选择。

2.2 电源接口

电源接口解决整个系统供电需求，包括主处理器，存储器及其他外围接口所需的供电需求。图2所示其接口电路连接图。

图2 系统供电电路

2.3 主处理器

本系统采用STM32F103微处理器作为核心处理单元，STM32系列微控制器是由ST意法半导体公司以ARM Cortex-M3为内核开发生产的32位微控制器，专为高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计，应用于远程监控、测试和测量设备、工业自动化控制等领域[8]。

2.4 Flash存储接口

由于GPS靶船数据记录仪是安装在靶船上的重要设备，需要时刻记录靶船所在位置，航向，时间等信息，所需存储的数据量比较大，系统采用了一个1Gbit的NAND Flash作为外部存储器。

2.5 USB接口

为了使上位机软件方便获取记录仪存储的历史数据信息，系统采用了USB接口，STM32F103微控制器支持USB2.0协议。图3中，PA11和PA12引脚分别对应USB接口引脚中的DM、DP通信线。本系统中，GPS记录仪作为USB从设备，ST公司为STM32系列微控制器提供了完整的驱动库，对于开发者，仅需要对相应接口库和功能函数做调用即可实现数据交互[9]。

图3 USB接口电路

2.6 串行接口

本系统中串行接口包括RS232接口，RS232接口是连接GPS模块与主处理器通信的桥梁，用以获取导航卫星的准确信息，其硬件接口如图4所示。

图4 串行接口电路

2.7 JTAG调试接口

JTAG接口是系统嵌入式软件在线调试接口，STM32系列微控制器都带有JTAG调试接口，其硬件连接如下图5所示。

3 系统软件结构

3.1 GPS数据解析

GPS数据解析是将GPS接收机收到的数据信息按照记录仪所需求的信息进行选择性筛选，只选出所需的有用信息即可，GPS模块的输出信息满足NEMA2.0格式，其数据信息如下所示[10]。

GPS输出信号格式遵从NMEA-0183规定，其数据格式为：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh其中<1> UTC时间，<2> 定位状态，<3> 纬度，<4> 纬度半球，<5> 经度，<6> 经度半球，<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。每个数据间以间隔符隔开，需要哪部分数据，根据分隔符位置提取即可。

图5 JTAG调试接口

3.2 USB程序开发与数据处理

在本系统中，GPS靶船记录仪作为USB从设备，支持上位机通过USB接口获取存储器上存储的历史信息。USB从设备作为USB通信的底层设备，ST公司提供了其完整的底层驱动库和USB标准协议。在用户开发层面上，只需要对应用层接口函数进行相应修改和调用即可，其软件设计包括USB控制器的初始化、主机请求模块、数据通信模块以及中断服务程序设计。

3.3 系统软件结构

系统软件结构图主要包括系统初始化，GPS数据提取与存储，USB数据上传等，结构流图如图6所示。

4 总结

GPS靶船记录仪用于记录靶船方位、速度等重要信息，本文设计的GPS靶船记录仪是一种集成度高，接口丰富的航海仪器设备，硬件结构简单，功能完备，从GPS信息解析接收、微处理器接口、USB数据协议开发以及终端显示等方面都做了详细介绍，能够很好的满足海上靶船方位，速度等信息的记录和传输。

图6 系统软件结构流程图

[1] 李天文．GPS原理及应用[M]. 第1版. 北京: 科学出版社, 2003.

[2] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．第3版．北京: 高等教育出版社, 2001.

[3] 李洪涛, 许国昌. GPS应用程序设计[ M]. 北京: 科学出版社, 1999．

[4] 左文. 基于CAN总线同步数据采集方法研究[D]. 武汉: 海军工程大学, 2012．

[5] 白雪, 刘国海, 徐雷钧等. 一种GPS接收板及其定位精度分析[J]. 计算机测量与控制, 2013, 11(12):1004-1006．

[6] 徐叶清, 朱樟明, 杨银堂．GPS接收机相关器的电路设计[J]．电子器件, 2013, 3(29): 722-724．

[7] 常霞, 马建伟．基于STM32的列车空气动力学数据采集系统[J]．仪器仪表技术与传感器, 2011, 4(04)：44-46．

[8] STMicro electronics, STM32F107x Reference manual[DB/OL], http://www.amobbs. Com /thread -4197396-1-1.pdf, 2010-09-10/2012- 06-02．

[9] 刘荣．圈圈教你玩USB[M]．北京：北京航空航天大学, 2009．

[10] 何香玲, 郑刚．GPS通信的NEMA协议及定位数据的提取[J]．计算机应用及软件, 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

侯新国（1972-），男，副教授。专业方向：电力系统故障诊断，信号处理等。