基于NMEA 0183 & 2000協議的船載集成顯示終端設計
2020-06-04 02:57:04談懷秋樂禹銘
交通科技 2020年2期
秦 雷 談懷秋 樂禹銘
(1.長江海事局 武漢 430016； 2.武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063)
隨著信息技術、通導技術的不斷發展，日益增多的自動化設備(如：AIS、GPS、雷達、羅經、測深儀、計程儀、風向風速儀等)被廣泛應用于船舶，提高了船舶的智能化程度。然而，這些電子設備各自獨立，導致駕駛人員在航行過程中需要同時觀看多個屏幕，造成駕駛人員注意力的分散，影響航行安全和航行效率[1]。
NMEA 0183 & 2000是目前廣泛應用于船舶電子通信設備的2種接口協議[2]。2種接口協議都是由NMEA制定的艦船設備級數據通信標準，不同在于NMEA 0183是通過串口進行數據關聯，而NMEA 2000的核心是CAN。NMEA 2000網絡的總線訪問總裁機制、網絡管理等功能都由CAN控制器實現，電氣、機械接口也大都由CAN接口電路實現。CAN通信具有傳輸字節短、速度快、冗錯性好、數據傳輸可靠等特性，對于船舶通信發展具有重大意義。要滿足集成化顯示[3]的需要，關鍵在于實現2種接口協議與屏幕之間的轉化。串口屏相較于具有CAN接口的組態屏有著成本低、易開發等優勢，因此，本文提出一種基于NMEA 0183 & 2000接口協議的船載綜合信息一體化串口屏終端的設計方案。
1 硬件方案設計
1.1 終端功能需求分析
為滿足NMEA 0183 & 2000接口協議與串口屏自定協議轉化的測試條件，確定船載綜合信息一體化串口屏終端應達到以下基本條件。
1) 終端應具備美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)制定的0183 & 2000協議接口，實現船舶GPS定位和機艙控制器局域網絡(Controller Area Network)數據的采集及顯示。
2) 終端應具備串口屏，基于NMEA 0183 & 2000協議與串口觸摸屏自定義協議提供顯示端。
船舶電子設備主要包括機艙設備和駕駛臺設備，通過協議轉換器(主控制板)分別將NMEA 0183和NMEA 2000協議接口數據與串口屏自定協議進行轉換，最終將各種航行信息集成到屏幕端實現集成顯示[4]。其總體硬件連接關系見圖1。
圖1 終端硬件關系
1.2 終端硬件設計方案
基于對集成化顯示終端測試方案的需求分析，硬件設計包括4大部分：主控制器模塊、NMEA 0183協議接口模塊、NMEA 2000協議接口模塊、串口觸摸屏。系統的硬件框架見圖2。
圖2 終端硬件框架
2 NMEA 0183 & 2000協議轉換方案
2.1.2 逗號分段方式
1) 對NMEA 0183數據識別解析；
2) 對NMEA 2000數據仲裁解析；
（1）《中華人民共和國增值稅暫行條例》[1]中明確規定：在中華人民共和國境內銷售貨物或者加工、修理修配勞務（以下簡稱勞務）的單位和個人，為增值稅的納稅人。《財政部稅務總局關于調整增值稅稅率的通知》[2]中明確提出自2018年5月1日起執行。其中納稅人發生增值稅應稅銷售行為或者進口貨物，原適用11%稅率的調整為10%；納稅人購進農產品，原適用11%扣除率的，扣除率調整為10%；納稅人購進用于生產銷售或委托加工16%稅率貨物的農產品，按照12%的扣除率計算進項稅額。涉農貨物包括：糧食等農產品、食用植物油、食用鹽；飼料、化肥、農藥、農機、農膜。農業生產者銷售的自產農產品項目免征增值稅。
3) 串口屏數據識別解析。
下面分別對這3個需求進行具體的的協議轉化方案設計。
2.1 NMEA 0183協議解析設計方案
通過分析，該協議采用ASCII碼[5]，其串行通信默認參數為：波特率=9 600 bps，數據位=8 bit，開始位=1 bit，停止位=1 bit，無奇偶校驗。總結其通用幀格式見表1。
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表1 NMEA 0183協議通用幀格式
2.3.1 幀頭
圖3 NMEA 0183協議解析方案流程
2.1.1 地址域及校驗和驗證
在獲取數據至接收緩沖區后，需進行aaccc地址域的識別驗證及hh校驗和糾錯驗證。
鑒于雙硫酯類化合物在聚合物合成中的重要性，本文設計合成了兩例新型的含羧基官能團雙硫酯類化合物，并通過雙硫酯化合物結構上的羧基與納米二氧化硅表面的氨基之間的酰胺化反應，成功的合成了兩種含雙硫酯結構的納米二氧化硅。
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據是否為NMEA 0183協議數據，判斷的方式為識別RXBUFFER[0]是否為“$”字符，隨后對RXBUFFER[1]～RXBUFFER[5]進行循環操作，依次對地址域的5個字符進行匹配，匹配地址域后，分別設計不同的解析函數，依次對其后的ddd數據段進行截取解析。
在0183數據解析前，進行校驗和驗證[6]，驗證字段為$與*之間所有字符ASCII碼，對各字節做異或運算，得到校驗和后，再轉換16進制格式的ASCII字符(包含“，”字符)，通過識別“*”字符，定位校驗和位置，獲取校驗和數據，將計算的校驗和數據與接收獲取的校驗和數據進行對比，進行校驗糾錯，完成數據的可靠性驗證。
基于對硬件方案的設計考量，系統主要功能為實現船機數據NMEA 0183和NMEA 2000協議在輔助顯示屏上的集中化顯示，為了更好的使用這些數據，需進行NMEA 0183 & 2000協議的解析方案設計，方案設計有以下3個需求：
2.3.2 數據長度
此處對這4個部分進行協議設計。
通過此種分段方案，可以有效地對數據進行存取，同時可以對NMEA 0183數據進行分類，提高數據調用的可靠性。
2.2 NMEA 2000協議解析設計方案
NMEA 2000的通信協議是載波偵聽多路訪問(CSMA)協議，具備沖突檢測仲裁功能，其基本技術是依托于CAN協議，可以對消息的優先級進行仲裁，優先級較高的標志符總會優先地獲取總線的使用，通過分析NMEA 2000協議的基本格式，基于NMEA 2000數據串行的傳輸特性，NMEA 2000協議數據幀格式見表2。
表2 NMEA 2000協議數據幀結構 位
1) SOF。數據幀起始位，總線節點閑置后同步，數據開始接收或者發送開始標志，電平會翻轉。
2) 仲裁。幀優先級字段，進行NMEA 2000網絡設備優先級的分配，適用于實時控制，字段中二進制消息標志符數字越小優先級越高，整體優先級的設定取決于軟件工程師自定義。
3) 控制。數據字節數，參數群編號(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、加載方向對屈服極限值影響不大。
4) 數據。最多可傳輸64位數據。
5) CRC。16位的循環冗余校驗碼，檢查數據幀的傳輸可靠性，計算范圍包括幀起始、仲裁、控制及數據，傳輸與發送不一致時會糾錯并報錯。
播種當年于8月3日在苜蓿盛花期進行第1次刈割，留茬5 cm。9月10日對再生草分種取樣，選取頂部往下數第3～4片無損壞葉片10 g，在液氮中迅速冷凍，帶回實驗室后，存放冰柜中保存備用。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光還原法測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定，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。確認數據的正常接收。
7) EOF。表示數據幀結束。
在NMEA 2000網絡中，所有傳輸的數據以群的形式組織，并賦予了1個唯一的標識符，以數字的形式表示，每一個設備均定義了一系列的參數群編號(PGN)，組織需要傳輸的數據，此6位PGN值即為控制段數據，為實時有效地檢測NMEA 2000網絡的CAN數據，需要及時地過濾出有效的ID數據(PGN數據)。NMEA 2000協議解析的方案[7]流程見圖4。
圖4 NMEA 2000協議解析方案流程
由圖4可見，解析方案采用CAN ID過濾的形式，從NMEA標準協議中基于數據需求中獲取數據的PGN值，獲取數據，通過CAN的過濾機制，從總線中的CAN收發器檢測總線電平，檢測控制段6位值，當檢測的ID值為需求的PGN值時，從CANID郵箱數據接收值CANBUFFER中獲取8 bit數據，即為數據源。
2.3 串口屏協議設計方案
迪文串口屏的通信采用串行指令式的報文協議，協議是以識別幀頭的形式設計，與傳統的 LCM通過時序或者指令控制顯示不同，DGUS屏采用直接變量驅動顯示方式，所有的顯示和操作都是基于預先設置好的變量配置文件來運行的，同時通過串口數據幀來驅動屏幕。
串口迪文屏的的幀由4個數據塊組成，其協議結構見表3。
表3 串口屏協議結構
$aaccc，ddd，ddd，…，ddd*hh
1.3 統計學處理 采用SPSS17.0統計軟件進行分析。計量資料以表示，組間比較采用t檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。
基于上述NMEA 0183協議分為7個部分，其中地址域字符按照分類多達30種，其中常用的有：$GPZDA(衛星定位信息)、$GPRMC(推薦定位信息)等定位信息；$GPZDA(UTC時間和日期)等時間信息。為了對數據進行獲取，取出ddd數據域，需要進行地址域判別及數據的獲取，在保證數據完整性的前提下進行數據判定，其解析方案流程見圖3。
北宋末年論者吳可曾認為：“晚唐詩失之太巧，只務外華，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。陸游對詞體的態度則遠較此微妙而復雜。
通信幀頭設置用于串口數據幀的同步和識別，同時當多臺DGUS屏并聯工作時，把幀頭作為設備地址進行區分，此處以2個字節16進制作為設定，即為5A A5。
逗號分段方式為本協議解析的重要組成部分，為獲取協議報文的ddd數據段，結合0183通用幀格式，分析探討出逗號為協議的主要分段區，為此做出對逗號域的分段標識，就可以完成對數據域的截取。
數據長度是對指令、數據及CRC校驗的定義，設計的目的是防止數據丟失造成數據顯示的紊亂，必須增添作為判定符。
2.3.3 指令
則 g(*,·)L2(Γ×R+;η)。這說明簡單函數全體S(Γ;η)在Dom 中,故 稠定，從而 是L2(Γ;η)中稠定無界線性算子。
串口屏采用變量驅動模式工作，屏的工作模式和GUI狀態完全由數據變量來控制。相應的，串口指令也只需要對變量進行讀、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，數據通過0x80～0x83指令，就可以實現對串口屏的讀取數據的操作。為了完成向迪文串口屏寫數據的操作，利用0x82指令，固定的向屏幕固定位置寫入數據。
2.3.4 數據
支承輥原始剝落狀況如圖1所示，輥子表面大面積與輥子本體分層剝落，采用機械加工的方式去除掉快部分，對剝落面進行解剖。
此處數據包括變量地址及變量值，變量地址采取2個字節的形式定義，變量數據的長度根據每個變量地址允許的變量值長度進行設計及小數點的定位，具體的數據位示意見圖5。
圖5 地址數據位示意
由圖5可知，每個地址可以存儲2個字節的數據，按照需求顯示的數據長度，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個字節數據，此處數據位的報文定義見圖6。
圖6 數據段報文協議
基于對4個數據塊的協議定義，串口迪文屏的數據報文完整定義見表5。
由于數據挖掘結果基于人工智能創作結果而產生，鑒于人工智能強大的計算能力和由此而來的巨大的數據生成量，考慮到人工智能自動完成數據挖掘的可能性，賦予挖掘結果的特別知識產權在排他性方面不宜過強。權利內容應主要排斥對數據挖掘結果的競爭性商業復制和傳播，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自由的使用者利益要給予充分考慮，防范在計算力強大的機器智能的擠壓下人類創作空間的萎縮。
表5 串口屏協議完整定義
3 協議轉換測試與驗證
為確保上述硬件功能與協議轉換滿足集成化顯示需求，開展基于以上終端硬件方案和協議轉換方案的試驗測試，測試內容包括NMEA 0183和NMEA 2000協議接口與串口屏通信測試。
3.1 NMEA 0183協議測試
NMEA 0183協議接口與DGUS串口屏通信測試：按硬件設計方案要求連接好設備后，將GPS天線置于室外空曠位置，連接24 V電源，利用PC端串口調試助手查看GPS定位信息。串口調試助手接收GPS數據界面見圖7。
圖7 串口調試助手接受GPS數據界面
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參考的地面航向及以磁北為參考基準的地面航向均為511.000°，對地航速分別為0.000 km和0.000 km/h。GPS數據NMEA 01-83標準由主控制器解析，發送給屏幕相應顯示區域，測試結果表明NMEA 0183協議經由單片機解析成功在串口屏顯示。
3.2 NMEA 2000協議測試
NMEA 2000協議接口與DGUS串口屏通信測試：NMEA 2000協議的核心是CAN協議[8]，主要對象為機艙設備(如：主、輔柴油機等)數據的采集，在本實驗室現有設備條件下對測試進行簡化。利用PC端軟件模擬NMEA 2000協議模塊向主控制器發送數據，經由解析后再發送給屏幕顯示。具體測試界面及結果如下。
1) PC端通過USB CAN轉換器連接主控器，基于PC端CAN TEST軟件發送6個幀ID數據，共48個字節。經測試，數據能夠正常發送。
經過半年多的運轉，浮選車間運行狀況穩定。浮選精煤灰分控制在8%以內，三班工作制，每班精煤壓濾機可卸3～4個循環，按每個循環8 t計，則每天可生產浮選精煤80 t左右。每月可多洗精煤約2 500 t，按當時精煤價格1 300元/t測算，每月可增加效益近350萬元。經測算，實際運行4個月后，已收回投資成本。
因為負荷預測具有較高的實時性，本文采用ARMAX模型[14]對負荷進行預測。ARMAX模型主要包括模型定階、參數優化和參數檢驗3方面內容，可描述為
2) 通過控制器的解析，將接受到的CAN擴展幀數據解析發送至串口，成為串口顯示屏可以解析的格式。
通過串口解析出來的數據，對數據進行解析。串口解析出來的數據位為：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個字節數據對應1個CAN ID數據段，以0064 0064 0064 0064對應幀ID為0x18f00f52的數據段，AA AA AA AA AA AA AA AA對應于幀id為0x18feee00的數據段。此處證明控制器的NMEA 2000數據協議解析正確無誤，完美實現。屏幕端首頁面各參數均顯示正確。
4 結語
本文基于NMEA 0183 & 2000接口協議與串口屏協議的轉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計方案。為驗證該方案的可行性，設計了簡化的硬件方案并對協議之間的轉換原理進行了系統的闡述，最后通過軟硬件測試進行了驗證。
首先，注重入門引導。學生對專業的興趣是建立在專業入門時的引導上，學生剛剛接觸專業是培育學生興趣的最佳時機，因此教師應該在專業入門的引導上下功夫，讓每一名學生都能找到自己感興趣的點，這樣才能培養學生的專業興趣，讓學生真的能夠“鉆進去，學出來”。在學生剛剛接觸專業時，應注重學習方法的傳授，而不是知識的傳授，告訴學生怎么學，學什么，比給學生講一個知識點重要得多。同時教師要在課程中融入專業的文化，培養學生對專業的責任感和使命感，這也能提高學生對所學專業的興趣。
研究結果表明，本文所提出的硬件方案和軟件設計能夠完美實現NMEA 0183 & 2000接口協議與串口屏協議之間的轉化，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。從設計成本和難度上分析，提出應用串口觸摸屏替代CAN口組態屏，不僅降低了研發成本，同時降低了屏幕端的開發難度。
