秦 雷 談懷秋 樂禹銘
(1.長江海事局 武漢 430016; 2.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063)
隨著信息技術(shù)、通導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展,日益增多的自動化設(shè)備(如:AIS、GPS、雷達(dá)、羅經(jīng)、測深儀、計(jì)程儀、風(fēng)向風(fēng)速儀等)被廣泛應(yīng)用于船舶,提高了船舶的智能化程度。然而,這些電子設(shè)備各自獨(dú)立,導(dǎo)致駕駛?cè)藛T在航行過程中需要同時觀看多個屏幕,造成駕駛?cè)藛T注意力的分散,影響航行安全和航行效率[1]。
NMEA 0183 & 2000是目前廣泛應(yīng)用于船舶電子通信設(shè)備的2種接口協(xié)議[2]。2種接口協(xié)議都是由NMEA制定的艦船設(shè)備級數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn),不同在于NMEA 0183是通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),而NMEA 2000的核心是CAN。NMEA 2000網(wǎng)絡(luò)的總線訪問總裁機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)管理等功能都由CAN控制器實(shí)現(xiàn),電氣、機(jī)械接口也大都由CAN接口電路實(shí)現(xiàn)。CAN通信具有傳輸字節(jié)短、速度快、冗錯性好、數(shù)據(jù)傳輸可靠等特性,對于船舶通信發(fā)展具有重大意義。要滿足集成化顯示[3]的需要,關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)2種接口協(xié)議與屏幕之間的轉(zhuǎn)化。串口屏相較于具有CAN接口的組態(tài)屏有著成本低、易開發(fā)等優(yōu)勢,因此,本文提出一種基于NMEA 0183 & 2000接口協(xié)議的船載綜合信息一體化串口屏終端的設(shè)計(jì)方案。
為滿足NMEA 0183 & 2000接口協(xié)議與串口屏自定協(xié)議轉(zhuǎn)化的測試條件,確定船載綜合信息一體化串口屏終端應(yīng)達(dá)到以下基本條件。
1) 終端應(yīng)具備美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association)制定的0183 & 2000協(xié)議接口,實(shí)現(xiàn)船舶GPS定位和機(jī)艙控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)數(shù)據(jù)的采集及顯示。
2) 終端應(yīng)具備串口屏,基于NMEA 0183 & 2000協(xié)議與串口觸摸屏自定義協(xié)議提供顯示端。
船舶電子設(shè)備主要包括機(jī)艙設(shè)備和駕駛臺設(shè)備,通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器(主控制板)分別將NMEA 0183和NMEA 2000協(xié)議接口數(shù)據(jù)與串口屏自定協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換,最終將各種航行信息集成到屏幕端實(shí)現(xiàn)集成顯示[4]。其總體硬件連接關(guān)系見圖1。
圖1 終端硬件關(guān)系
基于對集成化顯示終端測試方案的需求分析,硬件設(shè)計(jì)包括4大部分:主控制器模塊、NMEA 0183協(xié)議接口模塊、NMEA 2000協(xié)議接口模塊、串口觸摸屏。系統(tǒng)的硬件框架見圖2。
圖2 終端硬件框架
2.1.2 逗號分段方式
1) 對NMEA 0183數(shù)據(jù)識別解析;
2) 對NMEA 2000數(shù)據(jù)仲裁解析;
(1)《中華人民共和國增值稅暫行條例》[1]中明確規(guī)定:在中華人民共和國境內(nèi)銷售貨物或者加工、修理修配勞務(wù)(以下簡稱勞務(wù))的單位和個人,為增值稅的納稅人。《財政部稅務(wù)總局關(guān)于調(diào)整增值稅稅率的通知》[2]中明確提出自2018年5月1日起執(zhí)行。其中納稅人發(fā)生增值稅應(yīng)稅銷售行為或者進(jìn)口貨物,原適用11%稅率的調(diào)整為10%;納稅人購進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品,原適用11%扣除率的,扣除率調(diào)整為10%;納稅人購進(jìn)用于生產(chǎn)銷售或委托加工16%稅率貨物的農(nóng)產(chǎn)品,按照12%的扣除率計(jì)算進(jìn)項(xiàng)稅額。涉農(nóng)貨物包括:糧食等農(nóng)產(chǎn)品、食用植物油、食用鹽;飼料、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)機(jī)、農(nóng)膜。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者銷售的自產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品項(xiàng)目免征增值稅。
3) 串口屏數(shù)據(jù)識別解析。
下面分別對這3個需求進(jìn)行具體的的協(xié)議轉(zhuǎn)化方案設(shè)計(jì)。
通過分析,該協(xié)議采用ASCII碼[5],其串行通信默認(rèn)參數(shù)為:波特率=9 600 bps,數(shù)據(jù)位=8 bit,開始位=1 bit,停止位=1 bit,無奇偶校驗(yàn)??偨Y(jié)其通用幀格式見表1。
初中班主任在管理工作中應(yīng)當(dāng)善于了解學(xué)生和幫助學(xué)生。在與學(xué)生進(jìn)行談話的過程中,教師要創(chuàng)造良好的談話機(jī)會,以合理的談話方式展開交流。
表1 NMEA 0183協(xié)議通用幀格式
2.3.1 幀頭
圖3 NMEA 0183協(xié)議解析方案流程
2.1.1 地址域及校驗(yàn)和驗(yàn)證
在獲取數(shù)據(jù)至接收緩沖區(qū)后,需進(jìn)行aaccc地址域的識別驗(yàn)證及hh校驗(yàn)和糾錯驗(yàn)證。
鑒于雙硫酯類化合物在聚合物合成中的重要性,本文設(shè)計(jì)合成了兩例新型的含羧基官能團(tuán)雙硫酯類化合物,并通過雙硫酯化合物結(jié)構(gòu)上的羧基與納米二氧化硅表面的氨基之間的酰胺化反應(yīng),成功的合成了兩種含雙硫酯結(jié)構(gòu)的納米二氧化硅。
aaccc地址域的識別取位操作的方式,首先判定從串口采集的數(shù)據(jù)是否為NMEA 0183協(xié)議數(shù)據(jù),判斷的方式為識別RXBUFFER[0]是否為“$”字符,隨后對RXBUFFER[1]~RXBUFFER[5]進(jìn)行循環(huán)操作,依次對地址域的5個字符進(jìn)行匹配,匹配地址域后,分別設(shè)計(jì)不同的解析函數(shù),依次對其后的ddd數(shù)據(jù)段進(jìn)行截取解析。
在0183數(shù)據(jù)解析前,進(jìn)行校驗(yàn)和驗(yàn)證[6],驗(yàn)證字段為$與*之間所有字符ASCII碼,對各字節(jié)做異或運(yùn)算,得到校驗(yàn)和后,再轉(zhuǎn)換16進(jìn)制格式的ASCII字符(包含“,”字符),通過識別“*”字符,定位校驗(yàn)和位置,獲取校驗(yàn)和數(shù)據(jù),將計(jì)算的校驗(yàn)和數(shù)據(jù)與接收獲取的校驗(yàn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,進(jìn)行校驗(yàn)糾錯,完成數(shù)據(jù)的可靠性驗(yàn)證。
基于對硬件方案的設(shè)計(jì)考量,系統(tǒng)主要功能為實(shí)現(xiàn)船機(jī)數(shù)據(jù)NMEA 0183和NMEA 2000協(xié)議在輔助顯示屏上的集中化顯示,為了更好的使用這些數(shù)據(jù),需進(jìn)行NMEA 0183 & 2000協(xié)議的解析方案設(shè)計(jì),方案設(shè)計(jì)有以下3個需求:
2.3.2 數(shù)據(jù)長度
此處對這4個部分進(jìn)行協(xié)議設(shè)計(jì)。
通過此種分段方案,可以有效地對數(shù)據(jù)進(jìn)行存取,同時可以對NMEA 0183數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,提高數(shù)據(jù)調(diào)用的可靠性。
NMEA 2000的通信協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)協(xié)議,具備沖突檢測仲裁功能,其基本技術(shù)是依托于CAN協(xié)議,可以對消息的優(yōu)先級進(jìn)行仲裁,優(yōu)先級較高的標(biāo)志符總會優(yōu)先地獲取總線的使用,通過分析NMEA 2000協(xié)議的基本格式,基于NMEA 2000數(shù)據(jù)串行的傳輸特性,NMEA 2000協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式見表2。
表2 NMEA 2000協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 位
1) SOF。數(shù)據(jù)幀起始位,總線節(jié)點(diǎn)閑置后同步,數(shù)據(jù)開始接收或者發(fā)送開始標(biāo)志,電平會翻轉(zhuǎn)。
2) 仲裁。幀優(yōu)先級字段,進(jìn)行NMEA 2000網(wǎng)絡(luò)設(shè)備優(yōu)先級的分配,適用于實(shí)時控制,字段中二進(jìn)制消息標(biāo)志符數(shù)字越小優(yōu)先級越高,整體優(yōu)先級的設(shè)定取決于軟件工程師自定義。
3) 控制。數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),參數(shù)群編號(PGN)的定義識別。
破壞極限、屈服極限、剛度等壓縮特性參數(shù)如表1所示。從表1中可以看出,不同硬度的圣女果在相同壓縮速率情況下,橫向壓縮和縱向壓縮的屈服極限差異不大,縱向壓縮的破壞極限、破壞能、剛度明顯大于橫向壓縮的,而橫向壓縮的變形能則大于縱向的。不同加載速度和不同的加載方向下的屈服極限值比較接近,可以看出加載速度、加載方向?qū)ηO限值影響不大。
4) 數(shù)據(jù)。最多可傳輸64位數(shù)據(jù)。
5) CRC。16位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼,檢查數(shù)據(jù)幀的傳輸可靠性,計(jì)算范圍包括幀起始、仲裁、控制及數(shù)據(jù),傳輸與發(fā)送不一致時會糾錯并報錯。
播種當(dāng)年于8月3日在苜蓿盛花期進(jìn)行第1次刈割,留茬5 cm。9月10日對再生草分種取樣,選取頂部往下數(shù)第3~4片無損壞葉片10 g,在液氮中迅速冷凍,帶回實(shí)驗(yàn)室后,存放冰柜中保存?zhèn)溆谩3趸锲缁?SOD)活性采用NBT光還原法測定,過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定,脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法測定[17]。
6) ACK。確認(rèn)數(shù)據(jù)的正常接收。
7) EOF。表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束。
在NMEA 2000網(wǎng)絡(luò)中,所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以群的形式組織,并賦予了1個唯一的標(biāo)識符,以數(shù)字的形式表示,每一個設(shè)備均定義了一系列的參數(shù)群編號(PGN),組織需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),此6位PGN值即為控制段數(shù)據(jù),為實(shí)時有效地檢測NMEA 2000網(wǎng)絡(luò)的CAN數(shù)據(jù),需要及時地過濾出有效的ID數(shù)據(jù)(PGN數(shù)據(jù))。NMEA 2000協(xié)議解析的方案[7]流程見圖4。
圖4 NMEA 2000協(xié)議解析方案流程
由圖4可見,解析方案采用CAN ID過濾的形式,從NMEA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中基于數(shù)據(jù)需求中獲取數(shù)據(jù)的PGN值,獲取數(shù)據(jù),通過CAN的過濾機(jī)制,從總線中的CAN收發(fā)器檢測總線電平,檢測控制段6位值,當(dāng)檢測的ID值為需求的PGN值時,從CANID郵箱數(shù)據(jù)接收值CANBUFFER中獲取8 bit數(shù)據(jù),即為數(shù)據(jù)源。
迪文串口屏的通信采用串行指令式的報文協(xié)議,協(xié)議是以識別幀頭的形式設(shè)計(jì),與傳統(tǒng)的 LCM通過時序或者指令控制顯示不同,DGUS屏采用直接變量驅(qū)動顯示方式,所有的顯示和操作都是基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件來運(yùn)行的,同時通過串口數(shù)據(jù)幀來驅(qū)動屏幕。
串口迪文屏的的幀由4個數(shù)據(jù)塊組成,其協(xié)議結(jié)構(gòu)見表3。
表3 串口屏協(xié)議結(jié)構(gòu)
$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh
1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料以表示,組間比較采用t檢驗(yàn),以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
基于上述NMEA 0183協(xié)議分為7個部分,其中地址域字符按照分類多達(dá)30種,其中常用的有:$GPZDA(衛(wèi)星定位信息)、$GPRMC(推薦定位信息)等定位信息;$GPZDA(UTC時間和日期)等時間信息。為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取,取出ddd數(shù)據(jù)域,需要進(jìn)行地址域判別及數(shù)據(jù)的獲取,在保證數(shù)據(jù)完整性的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)判定,其解析方案流程見圖3。
北宋末年論者吳可曾認(rèn)為:“晚唐詩失之太巧,只務(wù)外華,而氣弱格卑,流為詞體耳。”〔6〕331所謂“氣弱格卑,流為詞體”即說詞體本身托體亦卑。陸游對詞體的態(tài)度則遠(yuǎn)較此微妙而復(fù)雜。
通信幀頭設(shè)置用于串口數(shù)據(jù)幀的同步和識別,同時當(dāng)多臺DGUS屏并聯(lián)工作時,把幀頭作為設(shè)備地址進(jìn)行區(qū)分,此處以2個字節(jié)16進(jìn)制作為設(shè)定,即為5A A5。
逗號分段方式為本協(xié)議解析的重要組成部分,為獲取協(xié)議報文的ddd數(shù)據(jù)段,結(jié)合0183通用幀格式,分析探討出逗號為協(xié)議的主要分段區(qū),為此做出對逗號域的分段標(biāo)識,就可以完成對數(shù)據(jù)域的截取。
數(shù)據(jù)長度是對指令、數(shù)據(jù)及CRC校驗(yàn)的定義,設(shè)計(jì)的目的是防止數(shù)據(jù)丟失造成數(shù)據(jù)顯示的紊亂,必須增添作為判定符。
2.3.3 指令
則 g(*,·)L2(?!罵+;η)。這說明簡單函數(shù)全體S(Γ;η)在Dom 中,故 稠定,從而 是L2(Γ;η)中稠定無界線性算子。
串口屏采用變量驅(qū)動模式工作,屏的工作模式和GUI狀態(tài)完全由數(shù)據(jù)變量來控制。相應(yīng)的,串口指令也只需要對變量進(jìn)行讀、寫即可,指令集非常簡單,一共有 4條主要指令,其指令定義見表4。
表4 指令定義
此處,數(shù)據(jù)通過0x80~0x83指令,就可以實(shí)現(xiàn)對串口屏的讀取數(shù)據(jù)的操作。為了完成向迪文串口屏寫數(shù)據(jù)的操作,利用0x82指令,固定的向屏幕固定位置寫入數(shù)據(jù)。
2.3.4 數(shù)據(jù)
支承輥原始剝落狀況如圖1所示,輥?zhàn)颖砻娲竺娣e與輥?zhàn)颖倔w分層剝落,采用機(jī)械加工的方式去除掉快部分,對剝落面進(jìn)行解剖。
此處數(shù)據(jù)包括變量地址及變量值,變量地址采取2個字節(jié)的形式定義,變量數(shù)據(jù)的長度根據(jù)每個變量地址允許的變量值長度進(jìn)行設(shè)計(jì)及小數(shù)點(diǎn)的定位,具體的數(shù)據(jù)位示意見圖5。
圖5 地址數(shù)據(jù)位示意
由圖5可知,每個地址可以存儲2個字節(jié)的數(shù)據(jù),按照需求顯示的數(shù)據(jù)長度,分配變量地址分別為1000、1001、1003、1004,每個變量地址分別存儲2、4、2、4個字節(jié)數(shù)據(jù),此處數(shù)據(jù)位的報文定義見圖6。
圖6 數(shù)據(jù)段報文協(xié)議
基于對4個數(shù)據(jù)塊的協(xié)議定義,串口迪文屏的數(shù)據(jù)報文完整定義見表5。
由于數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果基于人工智能創(chuàng)作結(jié)果而產(chǎn)生,鑒于人工智能強(qiáng)大的計(jì)算能力和由此而來的巨大的數(shù)據(jù)生成量,考慮到人工智能自動完成數(shù)據(jù)挖掘的可能性,賦予挖掘結(jié)果的特別知識產(chǎn)權(quán)在排他性方面不宜過強(qiáng)。權(quán)利內(nèi)容應(yīng)主要排斥對數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的競爭性商業(yè)復(fù)制和傳播,對于自然人的非競爭性使用要給出足夠的空間。對于涉及教育和表達(dá)自由的使用者利益要給予充分考慮,防范在計(jì)算力強(qiáng)大的機(jī)器智能的擠壓下人類創(chuàng)作空間的萎縮。
表5 串口屏協(xié)議完整定義
為確保上述硬件功能與協(xié)議轉(zhuǎn)換滿足集成化顯示需求,開展基于以上終端硬件方案和協(xié)議轉(zhuǎn)換方案的試驗(yàn)測試,測試內(nèi)容包括NMEA 0183和NMEA 2000協(xié)議接口與串口屏通信測試。
NMEA 0183協(xié)議接口與DGUS串口屏通信測試:按硬件設(shè)計(jì)方案要求連接好設(shè)備后,將GPS天線置于室外空曠位置,連接24 V電源,利用PC端串口調(diào)試助手查看GPS定位信息。串口調(diào)試助手接收GPS數(shù)據(jù)界面見圖7。
圖7 串口調(diào)試助手接受GPS數(shù)據(jù)界面
以“$GNVTG,511.000,T,511.00,M,0.000,N,0.000,K*50”為例,其含義分別是指以真北為基準(zhǔn)參考的地面航向及以磁北為參考基準(zhǔn)的地面航向均為511.000°,對地航速分別為0.000 km和0.000 km/h。GPS數(shù)據(jù)NMEA 01-83標(biāo)準(zhǔn)由主控制器解析,發(fā)送給屏幕相應(yīng)顯示區(qū)域,測試結(jié)果表明NMEA 0183協(xié)議經(jīng)由單片機(jī)解析成功在串口屏顯示。
NMEA 2000協(xié)議接口與DGUS串口屏通信測試:NMEA 2000協(xié)議的核心是CAN協(xié)議[8],主要對象為機(jī)艙設(shè)備(如:主、輔柴油機(jī)等)數(shù)據(jù)的采集,在本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備條件下對測試進(jìn)行簡化。利用PC端軟件模擬NMEA 2000協(xié)議模塊向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù),經(jīng)由解析后再發(fā)送給屏幕顯示。具體測試界面及結(jié)果如下。
1) PC端通過USB CAN轉(zhuǎn)換器連接主控器,基于PC端CAN TEST軟件發(fā)送6個幀ID數(shù)據(jù),共48個字節(jié)。經(jīng)測試,數(shù)據(jù)能夠正常發(fā)送。
經(jīng)過半年多的運(yùn)轉(zhuǎn),浮選車間運(yùn)行狀況穩(wěn)定。浮選精煤灰分控制在8%以內(nèi),三班工作制,每班精煤壓濾機(jī)可卸3~4個循環(huán),按每個循環(huán)8 t計(jì),則每天可生產(chǎn)浮選精煤80 t左右。每月可多洗精煤約2 500 t,按當(dāng)時精煤價格1 300元/t測算,每月可增加效益近350萬元。經(jīng)測算,實(shí)際運(yùn)行4個月后,已收回投資成本。
因?yàn)樨?fù)荷預(yù)測具有較高的實(shí)時性,本文采用ARMAX模型[14]對負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。ARMAX模型主要包括模型定階、參數(shù)優(yōu)化和參數(shù)檢驗(yàn)3方面內(nèi)容,可描述為
2) 通過控制器的解析,將接受到的CAN擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)解析發(fā)送至串口,成為串口顯示屏可以解析的格式。
通過串口解析出來的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。串口解析出來的數(shù)據(jù)位為:00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 00 64 AA AA AA AA AA AA AA AA。
其中每8個字節(jié)數(shù)據(jù)對應(yīng)1個CAN ID數(shù)據(jù)段,以0064 0064 0064 0064對應(yīng)幀ID為0x18f00f52的數(shù)據(jù)段,AA AA AA AA AA AA AA AA對應(yīng)于幀id為0x18feee00的數(shù)據(jù)段。此處證明控制器的NMEA 2000數(shù)據(jù)協(xié)議解析正確無誤,完美實(shí)現(xiàn)。屏幕端首頁面各參數(shù)均顯示正確。
本文基于NMEA 0183 & 2000接口協(xié)議與串口屏協(xié)議的轉(zhuǎn)化提出了一種船載綜合信息一體化顯示串口觸摸屏終端設(shè)計(jì)方案。為驗(yàn)證該方案的可行性,設(shè)計(jì)了簡化的硬件方案并對協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述,最后通過軟硬件測試進(jìn)行了驗(yàn)證。
首先,注重入門引導(dǎo)。學(xué)生對專業(yè)的興趣是建立在專業(yè)入門時的引導(dǎo)上,學(xué)生剛剛接觸專業(yè)是培育學(xué)生興趣的最佳時機(jī),因此教師應(yīng)該在專業(yè)入門的引導(dǎo)上下功夫,讓每一名學(xué)生都能找到自己感興趣的點(diǎn),這樣才能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣,讓學(xué)生真的能夠“鉆進(jìn)去,學(xué)出來”。在學(xué)生剛剛接觸專業(yè)時,應(yīng)注重學(xué)習(xí)方法的傳授,而不是知識的傳授,告訴學(xué)生怎么學(xué),學(xué)什么,比給學(xué)生講一個知識點(diǎn)重要得多。同時教師要在課程中融入專業(yè)的文化,培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的責(zé)任感和使命感,這也能提高學(xué)生對所學(xué)專業(yè)的興趣。
研究結(jié)果表明,本文所提出的硬件方案和軟件設(shè)計(jì)能夠完美實(shí)現(xiàn)NMEA 0183 & 2000接口協(xié)議與串口屏協(xié)議之間的轉(zhuǎn)化,完全滿足集成化顯示的需求,對于提高航行安全和航行效率具有重大的意義。從設(shè)計(jì)成本和難度上分析,提出應(yīng)用串口觸摸屏替代CAN口組態(tài)屏,不僅降低了研發(fā)成本,同時降低了屏幕端的開發(fā)難度。