基于STM32的船舶位置记录仪设计

2014-05-07 03:19侯新国左文黄海
船电技术 2014年12期
关键词:记录仪微控制器处理器

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。

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