潘 談

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021)

基于STC89C58芯片的小型GPS船舶航跡儀的設(shè)計(jì)

潘 談

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021)

為克服航海日志和紙海圖進(jìn)行船舶航跡記錄的缺點(diǎn)，本文基于STC89C58芯片設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型GPS船舶航跡儀，能夠完整、準(zhǔn)確的記錄船舶的大量航行數(shù)據(jù)，且具有船舶航行必備的導(dǎo)航功能。該航跡儀主要由STC89C58單片機(jī)、GPS模塊、存儲(chǔ)器、TFT彩屏顯示模塊、串口通信接口、按鍵模塊和電源模塊組成，以Gstar-GS-15C作為GPS數(shù)據(jù)信息接收器。硬件系統(tǒng)的總功耗僅為85 mA，所測(cè)船舶經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于0.03 s和0.136 s。經(jīng)調(diào)試，本文所設(shè)計(jì)的航跡儀在功能和測(cè)量精度上均滿(mǎn)足使用要求。

航跡儀；GPS；單片機(jī)；船舶

0 引 言

隨著海洋資源對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)和生活重要性的不斷提高，使得用于海洋資源運(yùn)輸?shù)拇翱焖傧虼笮突透咚倩l(fā)展且海上船舶的數(shù)量也不斷增加。海洋運(yùn)輸已成為我國(guó)外貿(mào)領(lǐng)域中最重要的運(yùn)輸方式之一，約占全部運(yùn)輸量的80%以上[1-2]。因此，進(jìn)行船舶航跡記錄，確保船舶航行安全，降低航行事故的發(fā)生，已成為船舶科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3-5]。人工《航海日志》和紙海圖是目前航跡記錄的2種基本形式：《航海日志》是一種簡(jiǎn)單直接的航跡記錄方式，但是對(duì)操作者要求較高，記錄內(nèi)容主觀(guān)性較強(qiáng)，在特殊情況下，記錄數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性有待驗(yàn)證，一旦出現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或不完整將會(huì)給船舶的安全航行埋下隱患。紙海圖是一種具有智能化的航跡記錄儀器，記錄數(shù)據(jù)由特種繪筆繪制而成，記錄數(shù)據(jù)的內(nèi)容主要包括：航行軌跡、方向、船位和錨位等。然而，這種方式使用的前提是具備大量的海圖信息庫(kù)，成本較高，一般的小船很少有條件使用這種設(shè)備。GPS具有海洋、陸地和空中實(shí)時(shí)定位、測(cè)速和導(dǎo)航的功能，對(duì)船舶航海技術(shù)的快速發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用[6-7]?，F(xiàn)有的海用型GPS導(dǎo)航儀僅能顯示船舶的實(shí)時(shí)位置、速度和方向信息。少見(jiàn)專(zhuān)門(mén)用于航行數(shù)據(jù)記錄的小型GPS航跡記錄儀。本文將基于STC89C58芯片設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型GPS船舶航跡儀，能夠完整、準(zhǔn)確的記錄船舶的大量航行數(shù)據(jù)，且具有船舶航行必備的導(dǎo)航功能。

1 航跡儀硬件設(shè)計(jì)

小型GPS船舶航跡儀硬件主要由STC89C58單片機(jī)、GPS模塊、存儲(chǔ)器、TFT彩屏顯示模塊、串口通信接口、按鍵模塊和電源模塊組成。航跡儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

硬件系統(tǒng)以STC89C58單片機(jī)為微處理器，當(dāng)單片機(jī)接受到GPS模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以提取所需信息，最后將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。以Gstar-GS-15C作為GPS數(shù)據(jù)信息接收器，該芯片將從GPS衛(wèi)星接收到的信息通過(guò)串行接口實(shí)時(shí)傳送給微處理器。采用SD卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，容量大，能夠存儲(chǔ)大量船舶的地址位置信息、航速和航向等，適用于海上船舶航行時(shí)間長(zhǎng)數(shù)據(jù)量大的需求。航跡數(shù)據(jù)的顯示采用TFT液晶顯示器，實(shí)時(shí)顯示船舶的位置信息并設(shè)置開(kāi)關(guān)機(jī)和重啟復(fù)位等按鍵信息。由于微處理器及整個(gè)硬件系統(tǒng)耗電量較小，因此，本系統(tǒng)只需4節(jié)充電電池或電腦USB供電即可。

圖1 航跡儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure diagram of course tracking hardware system

Gstar-GS-15C將集GPS接收機(jī)的主要功能于一體，具有接收效果好、體積小、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是一種32通道的衛(wèi)星定位接收芯片，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛適用于海洋上各種復(fù)雜環(huán)境。其主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)上述硬件系統(tǒng)的總功耗約為85 mA，因此，為滿(mǎn)足船舶在野外一到兩天的使用要求，采用容量為2 700 mAH的中檔鎳鎘電池即可，價(jià)格低廉。

表1 Gstar-GS-15C參數(shù)設(shè)置表

本文所設(shè)計(jì)航跡記錄儀力求體積小巧還能夠?yàn)榇瑔T提供足夠豐富的航跡信息。TFT-LCD是目前較為成熟的一種LCD顯示器，具有體積小、功耗低和顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)且價(jià)格便宜。

2 航跡儀軟件及界面設(shè)計(jì)

為便于軟件調(diào)試和軟件的移植和修改，按照模塊化軟件設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的航跡儀軟件主要分為主程序、GPS數(shù)據(jù)處理模塊、顯示程序模塊、文件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊5個(gè)軟件模塊。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)功能分離，軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。其中，系統(tǒng)初始化是指GPS模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模塊等進(jìn)行初始化，經(jīng)單片機(jī)處理后如接收到的設(shè)計(jì)有效，則將對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)的解析、顯示和儲(chǔ)存等操作。

圖2 航跡儀軟件流程圖Fig.2 The flow chart of course tracking software

GPS接收機(jī)與用戶(hù)之間的數(shù)據(jù)通信格式大多采用NMEA-0183(The National Marine Electronics Association，即美國(guó)海洋電子協(xié)會(huì))數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。其通信格式定義如下：波特率4 800 bit/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。圖3所示為液晶顯示芯片時(shí)序圖，其中，DC是數(shù)據(jù)與命令之間的切換，低電平表示命令，高電平表示數(shù)據(jù)。以寫(xiě)入命令為例，DC拉低—CS位拉低—片選開(kāi)—單片機(jī)PORT寫(xiě)入—WR輸出低電平—TFT液晶寫(xiě)入命令并恢復(fù)高電平。吸入數(shù)據(jù)與寫(xiě)入命令程序類(lèi)似。圖4所示為航跡記錄儀的液晶顯示界面，主要分為開(kāi)機(jī)初始化界面和定位信息界面。

圖3 TFT液晶時(shí)序圖Fig.3 TFT LCD write command sequence diagram

圖4 航跡儀界面設(shè)計(jì)Fig.4 The interface design of course tracking

3 系統(tǒng)調(diào)試和分析

為了測(cè)試本文所設(shè)計(jì)的航跡記錄儀的可靠性，在對(duì)硬件和軟件進(jìn)行分別調(diào)試后進(jìn)行軟硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試。制作的航跡記錄儀如圖5所示。依次進(jìn)行單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試、GPS模塊Gstar-GS-15C調(diào)試、系統(tǒng)軟件調(diào)試和整體調(diào)試。GPS模塊Gstar-GS-15C調(diào)試的主要內(nèi)容擺闊模塊是否正常運(yùn)行、波特率大小和數(shù)據(jù)的輸出格式，調(diào)試軟件采用J-Nav-Analyzer軟件。測(cè)試結(jié)果表明：TFT液晶顯示效果達(dá)到預(yù)期要求，能夠準(zhǔn)確顯示經(jīng)緯度和時(shí)間等信息，文件操作滿(mǎn)足一般應(yīng)用要求且存儲(chǔ)的讀寫(xiě)功能完整。

圖5 航跡儀硬件實(shí)物圖Fig.5 The hardware physical figure of course tracking

GPS模塊的輸出數(shù)據(jù)的最低位為0.0001 min。因此，在國(guó)內(nèi)地區(qū)A精度的最小里程測(cè)量精度為0.15 m，經(jīng)度的最小里程精度為0.19 m。理論上，GPS模塊的測(cè)量精度是很高的，可達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。本文所設(shè)計(jì)的航跡記錄儀數(shù)據(jù)采集頻率是1 Hz，共采集10組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的記錄格式為“xx°xx.xxxx’”。所測(cè)10組經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 航跡儀實(shí)測(cè)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)

設(shè)測(cè)得的10個(gè)經(jīng)度數(shù)據(jù)分別記錄為x1，x2，…，x10，則經(jīng)度的算術(shù)平均值可由式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

所得結(jié)果為σx=0.000 53′=0.03″，σy=0.002 26′=0.136″。此外，本文還對(duì)單次測(cè)量的誤差限進(jìn)行考察，即極端誤差。單次測(cè)量或測(cè)量的數(shù)據(jù)平均值不超過(guò)該極端誤差概率P且設(shè)誤差限為δlim。測(cè)量的極端誤差可由式(3)進(jìn)行計(jì)算，其中t為置信系數(shù)，本文取t=3，則對(duì)應(yīng)的概率p=99.73%。

δlim=±tσ。

(3)

所得結(jié)果為δlim=±3×0.03×25.6=±2.3 m，δlim=±3×0.136×30.9=±12.6 m。

本文僅用一個(gè)GPS接收機(jī)對(duì)船舶進(jìn)行定位，屬于單點(diǎn)定位，因此定位精度受大氣延誤和衛(wèi)星星歷的影響較大，易造成定位的不穩(wěn)定，因此存在上述定位誤差是不可避免的且誤差范圍在船舶航行可接受的誤差范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于STC89C58芯片設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型GPS船舶航跡儀，能夠完整、準(zhǔn)確的記錄船舶的大量航行數(shù)據(jù)，且具有船舶航行必備的導(dǎo)航功能。該航跡儀主要由STC89C58單片機(jī)、GPS模塊、存儲(chǔ)器、TFT彩屏顯示模塊、串口通信接口、按鍵模塊和電源模塊組成，以Gstar-GS-15C作為GPS數(shù)據(jù)信息接收器。硬件系統(tǒng)的總功耗僅為85 mA，所測(cè)船舶經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于0.03 s和0.136 s。經(jīng)調(diào)試，本文所設(shè)計(jì)的航跡儀在功能和測(cè)量精度上均滿(mǎn)足使用要求。

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Design of a portable GPS track plotter based on chip STC89C58

PAN Tan

(Jilin Technology College of Electronic Information,Jilin 132021,China)

To overcome the shortcomings of logbook and paper chart in recording the voyage data of ships, this paper designed a kind of economical and practical portable GPS voyage data recorder based on chip STC89C58. The designed recorder can record the abundant voyage data of ships integrally and accurately and bas the necessary navigating function for ships. The designed recorder is composed of chip STC89C58, a GPS module, a memorizer, a TFT color display, serial communication interface, keypress module and power module. The Gstar-GS-15C was chosen as the receptor of GPS data. The total power consumption of the hardware system was as small as 85mA, the standard deviation of the measured data of longitude and latitude is smaller than 0.03 second and 0.136 second separately. After debugging, the track plotter is satisfied with the application requirements in function and measuring accuracy.

track plotter;GPS;microcontroller;ship

2014-03-14;

2014-07-02

吉林省教育廳“十一五”科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目

潘談(1980-)，女，碩士，講師 ，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)及仿真技術(shù)。

U665.26

A

1672-7649(2014)12-0124-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.028