侯新國，左文，黃海

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基于STM32的船舶位置記錄儀設計

侯新國，左文，黃海

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430073）

船舶位置數據記錄儀能夠實時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備，本文以STM32F103 MCU（微處理器）為核心處理單元，設計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，設計簡單，方案可行。

數據記錄儀 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，它已經成為現代科技、軍事、民生組成的重要部分[1]。GPS靶船數據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，軟件部分負責解析GPS數據信息，數據處理等，并最終將所需信息上傳到上位機軟件或者顯示終端[2-3]。

1 位置記錄儀總體設計

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模塊輸出的數據信息，并將數據信息存儲到接收機上的存儲器中，上位機可通過USB接口獲取GPS記錄儀中的存儲信息。

GPS靶船記錄儀以Cortex-M3內核的STM32F103微處理器作為核心處理單元，它包括GPS模塊，存儲單元，串行接口，USB接口以及顯示單元。GPS模塊負責接收衛(wèi)星發(fā)出的導航電文，通過內部電平轉換輸出導航信息以及PPS信號，串行接口用以連接微處理器和GPS模塊，存儲單元用來存儲接收到的數據信息，并可通過USB接口與上位機通信，顯示單元用來顯示靶船所需的位置，方位，時間等信息[4]。其硬件結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 位置記錄儀的硬件設計

依據GPS靶船記錄儀的功能需求和總體設計，本文設計了靶船記錄儀的硬件電路[5-7]。

2.1 GPS模塊

GPS模塊數據信息通過一個串行232接口與主處理器通信，將導航衛(wèi)星發(fā)出的導航信息傳遞給微處理器，主處理器再對所需信息做出選擇。

2.2 電源接口

電源接口解決整個系統(tǒng)供電需求，包括主處理器，存儲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意法半導體公司以ARM Cortex-M3為內核開發(fā)生產的32位微控制器，專為高性能、低功耗的嵌入式應用專門設計，應用于遠程監(jiān)控、測試和測量設備、工業(yè)自動化控制等領域[8]。

2.4 Flash存儲接口

由于GPS靶船數據記錄儀是安裝在靶船上的重要設備，需要時刻記錄靶船所在位置，航向，時間等信息，所需存儲的數據量比較大，系統(tǒng)采用了一個1Gbit的NAND Flash作為外部存儲器。

2.5 USB接口

為了使上位機軟件方便獲取記錄儀存儲的歷史數據信息，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引腳分別對應USB接口引腳中的DM、DP通信線。本系統(tǒng)中，GPS記錄儀作為USB從設備，ST公司為STM32系列微控制器提供了完整的驅動庫，對于開發(fā)者，僅需要對相應接口庫和功能函數做調用即可實現數據交互[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，用以獲取導航衛(wèi)星的準確信息，其硬件接口如圖4所示。

圖4 串行接口電路

2.7 JTAG調試接口

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

3 系統(tǒng)軟件結構

3.1 GPS數據解析

GPS數據解析是將GPS接收機收到的數據信息按照記錄儀所需求的信息進行選擇性篩選，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，其數據信息如下所示[10]。

GPS輸出信號格式遵從NMEA-0183規(guī)定，其數據格式為：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh其中<1> UTC時間，<2> 定位狀態(tài)，<3> 緯度，<4> 緯度半球，<5> 經度，<6> 經度半球，<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。每個數據間以間隔符隔開，需要哪部分數據，根據分隔符位置提取即可。

圖5 JTAG調試接口

3.2 USB程序開發(fā)與數據處理

在本系統(tǒng)中，GPS靶船記錄儀作為USB從設備，支持上位機通過USB接口獲取存儲器上存儲的歷史信息。USB從設備作為USB通信的底層設備，ST公司提供了其完整的底層驅動庫和USB標準協(xié)議。在用戶開發(fā)層面上，只需要對應用層接口函數進行相應修改和調用即可，其軟件設計包括USB控制器的初始化、主機請求模塊、數據通信模塊以及中斷服務程序設計。

3.3 系統(tǒng)軟件結構

系統(tǒng)軟件結構圖主要包括系統(tǒng)初始化，GPS數據提取與存儲，USB數據上傳等，結構流圖如圖6所示。

4 總結

GPS靶船記錄儀用于記錄靶船方位、速度等重要信息，本文設計的GPS靶船記錄儀是一種集成度高，接口豐富的航海儀器設備，硬件結構簡單，功能完備，從GPS信息解析接收、微處理器接口、USB數據協(xié)議開發(fā)以及終端顯示等方面都做了詳細介紹，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)軟件結構流程圖

[1] 李天文．GPS原理及應用[M]. 第1版. 北京: 科學出版社, 2003.

[2] 童詩白，華成英．模擬電子技術基礎[M]．第3版．北京: 高等教育出版社, 2001.

[3] 李洪濤, 許國昌. GPS應用程序設計[ M]. 北京: 科學出版社, 1999．

[4] 左文. 基于CAN總線同步數據采集方法研究[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2012．

[5] 白雪, 劉國海, 徐雷鈞等. 一種GPS接收板及其定位精度分析[J]. 計算機測量與控制, 2013, 11(12):1004-1006．

[6] 徐葉清, 朱樟明, 楊銀堂．GPS接收機相關器的電路設計[J]．電子器件, 2013, 3(29): 722-724．

[7] 常霞, 馬建偉．基于STM32的列車空氣動力學數據采集系統(tǒng)[J]．儀器儀表技術與傳感器, 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] 劉榮．圈圈教你玩USB[M]．北京：北京航空航天大學, 2009．

[10] 何香玲, 鄭剛．GPS通信的NEMA協(xié)議及定位數據的提取[J]．計算機應用及軟件, 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，信號處理等。