基于STC89C58芯片的小型GPS船舶航跡儀的設計

潘 談

(吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132021)

基于STC89C58芯片的小型GPS船舶航跡儀的設計

潘 談

(吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132021)

為克服航海日志和紙海圖進行船舶航跡記錄的缺點，本文基于STC89C58芯片設計一種經濟實用的小型GPS船舶航跡儀，能夠完整、準確的記錄船舶的大量航行數據，且具有船舶航行必備的導航功能。該航跡儀主要由STC89C58單片機、GPS模塊、存儲器、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數據信息接收器。硬件系統的總功耗僅為85 mA，所測船舶經度和緯度數據標準偏差分別小于0.03 s和0.136 s。經調試，本文所設計的航跡儀在功能和測量精度上均滿足使用要求。

航跡儀；GPS；單片機；船舶

0 引 言

隨著海洋資源對人類生產和生活重要性的不斷提高，使得用于海洋資源運輸的船舶快速向大型化和高速化發展且海上船舶的數量也不斷增加。海洋運輸已成為我國外貿領域中最重要的運輸方式之一，約占全部運輸量的80%以上[1-2]。因此，進行船舶航跡記錄，確保船舶航行安全，降低航行事故的發生，已成為船舶科學領域研究的熱點和難點[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》是一種簡單直接的航跡記錄方式，但是對操作者要求較高，記錄內容主觀性較強，在特殊情況下，記錄數據的真實性和完整性有待驗證，一旦出現記錄數據不準確或不完整將會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，記錄數據由特種繪筆繪制而成，記錄數據的內容主要包括：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，成本較高，一般的小船很少有條件使用這種設備。GPS具有海洋、陸地和空中實時定位、測速和導航的功能，對船舶航海技術的快速發展起著巨大的推動作用[6-7]。現有的海用型GPS導航儀僅能顯示船舶的實時位置、速度和方向信息。少見專門用于航行數據記錄的小型GPS航跡記錄儀。本文將基于STC89C58芯片設計一種經濟實用的小型GPS船舶航跡儀，能夠完整、準確的記錄船舶的大量航行數據，且具有船舶航行必備的導航功能。

1 航跡儀硬件設計

小型GPS船舶航跡儀硬件主要由STC89C58單片機、GPS模塊、存儲器、TFT彩屏顯示模塊、串口通信接口、按鍵模塊和電源模塊組成。航跡儀硬件系統結構框圖如圖1所示。

硬件系統以STC89C58單片機為微處理器，當單片機接受到GPS模塊傳輸過來的數據后，進行數據分析以提取所需信息，最后將處理后的數據進行數據存儲和顯示。以Gstar-GS-15C作為GPS數據信息接收器，該芯片將從GPS衛星接收到的信息通過串行接口實時傳送給微處理器。采用SD卡作為數據存儲器，容量大，能夠存儲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間長數據量大的需求。航跡數據的顯示采用TFT液晶顯示器，實時顯示船舶的位置信息并設置開關機和重啟復位等按鍵信息。由于微處理器及整個硬件系統耗電量較小，因此，本系統只需4節充電電池或電腦USB供電即可。

圖1 航跡儀硬件系統結構框圖Fig.1 The structure diagram of course tracking hardware system

Gstar-GS-15C將集GPS接收機的主要功能于一體，具有接收效果好、體積小、性價比高等優點，是一種32通道的衛星定位接收芯片，抗干擾能力強，廣泛適用于海洋上各種復雜環境。其主要參數設置如表1所示。通過實驗實測上述硬件系統的總功耗約為85 mA，因此，為滿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，價格低廉。

表1 Gstar-GS-15C參數設置表

本文所設計航跡記錄儀力求體積小巧還能夠為船員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、功耗低和顯示內容豐富等特點且價格便宜。

2 航跡儀軟件及界面設計

為便于軟件調試和軟件的移植和修改，按照模塊化軟件設計要求，本文設計的航跡儀軟件主要分為主程序、GPS數據處理模塊、顯示程序模塊、文件系統及數據讀寫模塊5個軟件模塊。為實現數據采集、顯示和存儲功能分離，軟件總體設計流程圖如圖2所示。其中，系統初始化是指GPS模塊、液晶顯示模塊、數據讀寫模塊等進行初始化，經單片機處理后如接收到的設計有效，則將對有效數據進行處理，處理過程主要包括數據的解析、顯示和儲存等操作。

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

GPS接收機與用戶之間的數據通信格式大多采用NMEA-0183(The National Marine Electronics Association，即美國海洋電子協會)數據標準。其通信格式定義如下：波特率4 800 bit/s，數據位8位，停止位1位，無奇偶校驗位。圖3所示為液晶顯示芯片時序圖，其中，DC是數據與命令之間的切換，低電平表示命令，高電平表示數據。以寫入命令為例，DC拉低—CS位拉低—片選開—單片機PORT寫入—WR輸出低電平—TFT液晶寫入命令并恢復高電平。吸入數據與寫入命令程序類似。圖4所示為航跡記錄儀的液晶顯示界面，主要分為開機初始化界面和定位信息界面。

圖3 TFT液晶時序圖Fig.3 TFT LCD write command sequence diagram

圖4 航跡儀界面設計Fig.4 The interface design of course tracking

3 系統調試和分析

為了測試本文所設計的航跡記錄儀的可靠性，在對硬件和軟件進行分別調試后進行軟硬件的聯機調試。制作的航跡記錄儀如圖5所示。依次進行單片機最小系統調試、GPS模塊Gstar-GS-15C調試、系統軟件調試和整體調試。GPS模塊Gstar-GS-15C調試的主要內容擺闊模塊是否正常運行、波特率大小和數據的輸出格式，調試軟件采用J-Nav-Analyzer軟件。測試結果表明：TFT液晶顯示效果達到預期要求，能夠準確顯示經緯度和時間等信息，文件操作滿足一般應用要求且存儲的讀寫功能完整。

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

GPS模塊的輸出數據的最低位為0.0001 min。因此，在國內地區A精度的最小里程測量精度為0.15 m，經度的最小里程精度為0.19 m。理論上，GPS模塊的測量精度是很高的，可達到厘米數量級。本文所設計的航跡記錄儀數據采集頻率是1 Hz，共采集10組數據，數據的記錄格式為“xx°xx.xxxx’”。所測10組經度和緯度數據如表2所示。

表2 航跡儀實測經緯度數據

設測得的10個經度數據分別記錄為x1，x2，…，x10，則經度的算術平均值可由式(1)進行計算。

(1)

(2)

所得結果為σx=0.000 53′=0.03″，σy=0.002 26′=0.136″。此外，本文還對單次測量的誤差限進行考察，即極端誤差。單次測量或測量的數據平均值不超過該極端誤差概率P且設誤差限為δlim。測量的極端誤差可由式(3)進行計算，其中t為置信系數，本文取t=3，則對應的概率p=99.73%。

δlim=±tσ。

(3)

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

本文僅用一個GPS接收機對船舶進行定位，屬于單點定位，因此定位精度受大氣延誤和衛星星歷的影響較大，易造成定位的不穩定，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。

4 結 語

本文基于STC89C58芯片設計一種經濟實用的小型GPS船舶航跡儀，能夠完整、準確的記錄船舶的大量航行數據，且具有船舶航行必備的導航功能。該航跡儀主要由STC89C58單片機、GPS模塊、存儲器、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數據信息接收器。硬件系統的總功耗僅為85 mA，所測船舶經度和緯度數據標準偏差分別小于0.03 s和0.136 s。經調試，本文所設計的航跡儀在功能和測量精度上均滿足使用要求。

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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”科學技術研究資助項目

潘談(1980-)，女，碩士，講師 ，研究方向為計算機應用技術、計算機軟件技術及仿真技術。

U665.26

A

1672-7649(2014)12-0124-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.028