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南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 摘要 论文以某市渔船监控系统项目为背景，分析了渔船监控系统对监控终端的功能要 求，完成渔船监控终端的设计。 本文以l p c 2 2 9 2 a r m 微控制器为核心，外扩了c d m a 模块、定位模块和c a n 总线收发器等外围电路，结合渔船上原有的9 0 c 渔业电台，组成了具有c d m a 和短 波通信的双信道渔船监控终端。这种双信道通信方式发挥了c d m a 网络通信速度快、 可同时多点通信的优点，弥补了原有短波电台系统的通信延时大、系统容量小的缺点： 发挥了无线短波电台通信距离远的优点，克服了e d m a 网络覆盖有限的缺点。本渔 船监控终端有开关量输出接口、c a n 总线接口、数据采集接口等多种接口，可以实 现对渔船的控制和渔船工作信息的采集。 本文将整个渔船监控终端分成：微控制器、通信、定位、接口等几个单元，分模 块对这几个单元进行硬、软件设计。这种设计方法减小了各个模块之间的耦合，为以 后的功能扩展提供了极大的方便。 实验结果证明，本渔船监控终端定位精度高、实时性好，能够实现对渔船的实时 定位、检测、控制、报警以及与监控中心通信等基本功能。本渔船监控系统方便渔政 部门对渔船的监管，提高了渔船作业安全性。 关键词：渔船监控，a r m 微控制器，c d m a 通信，全球定位系统，c a n 总线 ， 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h er e m o t em o n i t o r i n gt e r m i n a lf o rt h ep r o j e c t t l l ef i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n gs y s t e m o fac i t y t h et a s ko ft h ep a p e ri st od e s i g nt h e m o n i t o r i n gt e r m i n a lt h r o u g h 锄a i y z i n gt h er e q u i r e m e n t sw h i c hi sp r o p o s e db yt h ef i s h i n g v e s s e lm o n i t o r i n gs y s t e m - l p c 2 2 9 2a r mm i c r o - c o m r o l l e ri st h ek e r n e lo ft h ef i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n g t e r m i n a l ，w h i c hi se x p a n d e dw i t hc d m am o d u l e , p o s i t i o n i n gm o d u l e , c a nb u s t r a n s c e i v e ra n do t h e rp e r i p h e r a jd e v i c e s w i t h9 0 cf i s h e r yr a d i o t h ef i s h i n gv e s s e l m o n i t o r i n gt e r m i n a lh a ss h o r t w a v ec h a n n e la n dc d m a c h a n n e l t h i sd e s i g nm e t h o dg i v e t h es y s t e mh i g hq u a l i 够a st h ec d m an e th a sh i 【g hs p e e di nc o m m u n i c a t i o na n dt e r m i n a l s c a l lc o i l l m u n i e a t ew i t he a c ho t h e rs y n c h r o n o u s l y ，t h ef i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n gt e r m i n a l c a no v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fl o n g e rt i m e - d e l a ya n ds m a l l e rc a p a b i l i t yi nr a d i o c o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g eo ft h ef a r t h e ru a n s m i s s i o nd i s t a n c ei nr a d i o c o m m u n i c a t i o n , t h ef i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n gt e r m i n a lc a l lo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo f t h el i m i t e dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei nt h ec d m an e t 1 1 1 i sf i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n gt e r m i n a l h a sa b u n d a n ti n t e r f a c e ss u c ha sc a ni n t e r f a c e ，l c di n t e r f a c e ，c o l l e c t i o ni n t e r f a c ea n ds o o i l t h e s ei n t e r f a c e sc o n t r o lt h ef i s h i n gv e s s e la n dc o l l e c tt h ei n f o r m a t i o no ft h ef i s h i n g v e s s e l i nt h i sp a p e r ) t h ef i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n gt e r m i n a li sd i v i d e di n t o ：m i c r o - c o n t r o l l e r m o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，p o s i t i o n i n gm o d u l e , t h ei n t e r f a c e ，e t c w i t ht h i sd e s i g n m e t h o dw h i c hr e d u c e st h ec o u p l i n gi nm o d u l e s ，t h ef i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n gt e r m i n a li s c o n v e n i e n tf o rf u n c t i o ne x p a n s i o n 孔ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ef i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n gt e r m i n a lh a s h i g hp r e c i s i o na n d r e a lt i m eo p e r a t i o n 1 1 1 ef i s h i n gv e s s e lm o n i t o r i n gt e r m i n a lh a sr e a l i z e d t h ef u n c t i o np e r f e e d y , s u c ha sf i x e dp o s i t i o n ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o nw i t ht h em o n i t o r i n g c c l l t e r , a n ds oo i l f i s h i n gv e s s e l sc a nb es u p e r v i s e de f f i c i e n t l yb yt h ed e p a r t m e n to ff i s h e r y a d m i n i s w a t i o n k e y w o r d s ：f i s h i n g v e s s e l m o n i t o r i n g ，a r mm i c r o c o n t r o u e r , c d m a c o m m u n i c a t i o n ，g p s ，c a nb u s l l i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：_ 粹 乒册7 月p 日 c 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：7 炉 弘玎年7 月伊日 1 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 1 绪论 1 1 课题的背景 改革开放以来，我国的渔船数量大幅度增长。到2 0 0 0 年，我国在册机动渔船增 加到4 7 2 万艘，非机动渔船增加到5 0 多万艘口】。渔船数量的增加保障了渔业总产量 不断提高的同时，也给我国的渔业经济带来了一些问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 在休渔期，还存在部分渔民偷捕事件，严重的影响了渔业生态平衡和渔业可 持续发展，政府部门虽然投入了大量的人力、物力，但是收效甚微。 ( 2 ) 我国的渔业安全生产问题已经成为一个国际性问题，渔业安全状况一直比较 严峻。近年来，全国每年发生渔船海难事故有上千起。据不完全统计，平均每年沉没 渔船1 3 5 0 余艘+ 死亡、失踪渔船船员近7 0 0 人1 4 2 1 。 ( 3 ) 渔船偷盗现象严重，时常会发生渔船被盗事件，并且，当渔民在海上作业时 候，有时会遇到海盗，严重威胁了渔民的财产和生命安全。 本课题以x x 市的渔业监控系统项目为背景，进行了渔船监控终端部分的设计和 实现。本渔船监控系统可以为渔监部门提供准确的渔船作业信息，大大的提高对渔船 的监管力度，进而有效的控制休渔期盗捕现象的发生。当发生海难时，救援部门可以 利用该监控系统提供的渔船的准确位置信息及时地对渔船上的人员进行搜救，大大提 高了救援部门的救援效率。当渔船遇到海盗时，操作人员可以触发报警按钮，则终端 会自动向监控中心发送报警信息。当船主发现渔船被盗后，船主可以向监控中心报告， 监控中心可以对被盗渔船进行锁定。该监控系统具有很高的实用价值，适合在渔船上 大力推厂。 近年来，各国政府非常重视渔业生态平衡，对渔船进行监控被认为是维持渔业生 态平衡的最有效的手段，因此渔船监控也就成为了各渔业科研院所和高校的研究重 点。各国投入了很大的人力、物力和财力在渔船监控系统的研发、建立和维护上，目 前在渔船监控方面比较成熟的技术有i n m a r s a t + s s a s 系统、v t s + a i s 系统、北斗世 广卫星系统等。 1 绪论硕士论文 1 2 1i n m a r s a t + s s a s 系统 国际海事卫星组织( i n m s 吼t ) 管理的i n m s r s a t 系统提供了全球海事卫星通信服 务。i n n l a r s a t 系统由船站、岸站、网络协调站和卫星等部分组成，该系统拥有自己的 专用通信卫星，提供了i n m a r s a t - a 、b 、c 、d + 、m 和m i n i - m 等多种卫星通信业务。 i l m a l s a t 系统已经成为惟一的全球海上、空中和陆地商用及遇险安全卫星移动通信服 务的提供者 1 4 1 。 船舶安全报警系统( s s a s ) 是当船舶在海上遇到海盗袭击或者遇到风暴等危险 时向海事部门发出警报、请求救援的设备系统【2 1 。 通过i n m a r s a t 系统和s s a s 系统相结合形成了组合系统，该组合系统由i n m a r s a t 系统提供和岸基监控中心的通信服务，由s s a s 系统提供船舶运行参数和位置信息。 该系统可以提高渔船海上作业的安全性，并且在遇到突发事件时，为海事部门的救援 工作提供了极大的方便。目前市场上有很多集i n m a r s a t 、s s a s 、g p s 卫星定位、i n t e m e t 信息传送和地面信息管理于一体的渔船安全设备。 1 2 2v t s + a i s 系统 船舶交管系统( v e s s e lt r a f f i cs e r v i c e s ，简称v t s ) 是为保障船舶交通安全、提 高交通效率以及保护水域环境之三大目的而广为建立的一种岸基设施f 3 1 。在v t s 作 用区域内，岸基管理中心通过岸基设备不断向周围区域发出询问信号，区域内的船舶 在接收到询问信号后便自动依次向岸上设备发回各类信息，这些信息自动输入v t s 设备。v t s 控制中心通过v i - f f ( v e r yh i g hf r e q u e n c y ，简称v h f ) 将这些信息用广 播方式播发，凡配有这种设备的船舶都可接收到，并可在电子海图上显示出来，驾驶 人员可在电子海图上看到周围船舶的船位、船名、航向、航速等信息。此外，系统还 可进行数字通信和语音通信。 船舶自动识别系统( a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ，简称a i s ) 是以自组织时分 多址( s e l fo r g a n i z e dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称s o t d m a ) 为核心技术、 可以用于水上交通联络和指挥的岸一船、船一岸以及船一船之间的通讯、导航系统 4 1 。 该系统运用s o t d m a 方式发射船舶数据，将本船的信息经接口电路转换后送信息处 理器，在计算机内实现信息的融合、编程，然后再由接口电路经信道选择、编码，由 v h f 发信机发送到v i - i f 信道，在此信道收听的目标船就可以接收。 a i s 的出现增强了y r s 的功能，减轻了v t s 工作人员的劳动强度，提供了一种 智能化的渔船监管方案1 5 l 。目前，我国已经在江苏省南通市和浙江省的宁波市建成了 v r s 和a i s 并轨的船舶监控系统。 2 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信 系统( c n s s ) ，是除美国的g p s 、俄罗斯的g l o n a s s 之后第三个成熟的卫星导航 系统。该系统由北斗定位卫星( 现有五颗) 、地面控制中心为主的地面部份、北斗用 户终端三部分组成。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可 达数十纳秒的同步精度，其精度与g p s 相当。 世广卫星系统是使用l 波段提供数字音频和多媒体卫星直播业务的先进卫星系 统。世广卫星系统包括非洲之星、亚洲之星和美洲之星，分别覆盖亚洲、非洲、美洲 以及欧洲的部分地区，覆盖人口达5 2 亿。此系统用数字音频卫星将信号直播到固定 或移动的接收机，向世界发展中国家提供最有效的通信服务。 北斗世广卫星渔船监控系统利用北斗卫星提供的定位功能和世广卫星提供的通 信功能，对渔船进行监控，具有定位准确、通信不受距离限制等优点。 g p s + g p r s ，c d m a + g i s 方式是船载g p s 接收机获取g p s 定位信息，依托 g p r s c d m a 网络覆盖，传送至服务器，再将服务器中经过处理的数据存储到本地数 据库中，然后，利用g i s 的地理数据显示、分析和管理功能将船舶信息动态地显示在 背景海图上，从而实现对船舶的调度、监控、历史记录查看以及船舶轨迹报表生成等 功能。 1 3 论文的主要工作 本文通过分析目前监控系统中常用的通信和定位技术得出了适合在渔船监控系 统中使用的通信和定位技术。并以此为基础进行了监控终端硬件设计和软件设计。 1 硬件设计 本终端是由u c 2 2 9 2a r m 控制器、g p $ 9 8 0 5 定位模块、f d 8 1 0c d m a 模块、 无线电台和外围接e l 电路组成的新型的渔船监控终端。g p s 9 8 0 5 模块是监控终端的定 位模块，该模块的定位精度优于l o 米；f d 8 1 0 模块和无线电台组成的双信道通信子 系统为监控终端提供通信服务；微控制器l p c 2 2 9 2 为3 2 位的先进的微处理器，该处 理器有着很强的处理能力；本监控终端外围接口有r s 2 3 2 接口、c a n 总线接口、液 晶显示接口、模拟量采集接口、数字量采集接1 2 3 和开关量输出接口，这些接口主要负 责采集渔船的工作信息、提供人机界面和对渔船进行控制。 2 软件设计 3 1 绪论 硕士论文 监控终端的软件主要完成上电后系统的初始化，对各个模块进行检测，接收g p s 模块发送的g p s 信息，采集渔船工作信息，将定位和工作信息上传到监控中心，接 收并执行监控中心的控制命令，显示监控中心发送的海洋天气预报。 整个监控终端的软件应包括定位模块、通信模块、l c d 显示模块等几个部分。 1 4 论文的组织结构 本文的主要内容安排如下： 第一章绪论主要介绍了渔船监控技术的现状，结合我国渔业系统的实际情况描述 了本课题的背景，提出了论文中所要完成的工作。 第二章渔船监控终端的总体设计，分析了渔船监控系统的总体结构，描述了本系 统的通信平台和定位技术，进而得出渔船监控终端的总体设计方案。 第三章渔业监控终端的硬件设计，主要描述了监控终端的硬件上的实现。 第四章渔业监控终端的软件设计，主要描述了监控终端的软件总体设计和软件子 模块的设计。 第五章为全文总结。 4 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 2 渔船监控终端的总体设计 渔船监控系统融合全球定位技术、地理信息技术、无线通信技术、嵌入式技术以 及计算机数据处理技术于一体，可实现全天候卫星定位、电子海图显示和渔船实时监 控等功能。它通常由监控中心、船载监控终端以及通信平台组成。 2 1 渔船监控系统整体结构 渔船监控系统由渔船监控终端、无线通信网络和监控中心三个部分组成”。系统 整体结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1 渔船监控系统结构图 1 渔船监控终端 渔船监控终端是渔船监控系统的核心部分，分布在各个船只上，负责接收来自 g p s 系统的卫星定位信息并解算出渔船的位置信息；通过采集点或者c a n 总线采集 有关渔船工作信息的数据，并把这些数据通过c d m a 网络或者渔业电台按照通信协 议，传送到监控中心。渔船监控终端检测渔船的状态，如果发现渔船出现异常，立即 向监控中心报警。同时，渔船监控终端接收来自监控中心的命令，并执行这些命令。 2 无线通信网络 无线通信网络是连接渔船监控终端与监控中心的桥梁，是组成渔船监控系统的关 键。渔船监控系统不仅要通信覆盖范围广，而且要考虑无线通信的不稳定性等情况， 5 2 渔船监控终端的总体设计 硕士论文 保证数据信息传输的准确性和实时性。该系统采用了c d m a 无线网络和短波，超短波 电台相结合的传输方式。在有c d m a 网络覆盖的海域，用中国联通提供的“海洋新 时空”业务( 该业务基于c d m a 网络，网络覆盖范围为2 0 海里左右) 和监控中心进 行语音及数据通信；在联通c d m a 网络无法覆盖的海域，用短泐超短波电台进行语 音和数据通信。我们选择了f d 8 l o c d m a 模块和9 0 c 渔业电台作为无线通信模块。 3 监控中心 监控中心由中心终端设备、监控计算机和监控软件组成。中心终端设备主要是指 短波，超短波电台，该电台主要用于和远海海域的渔船进行语音通信及数据传输。监 控中心平台是以电子海图为基础对数据库的监视和控制的操作平台，具有很方便的信 息数据库和电子海图操作功能。 监控计算机是具有固定m 地址的主机，可接入i n t e m e t 等外部数据网。监控中心 接收渔船监控终端上传的渔船位置、状态等信息，进行相应数据转换、处理后，与监 控计算机系统上的电子海图进行匹配，并在电子海图上实时显示渔船位置，并且可以 根据需要显示出渔船轨迹：对于渔船监控终端检测到的报警信息，将给以报警提示。 这样，监控中心就可以直观实时地掌握渔船的动态信息( 位置、速度、工作情况等) 。 监控中心具有大型数据库的支持，所以同时可以对渔船的数据进行记录和存储，以便 事后查询和进行轨迹回放。除接收渔船监控终端的上传数据外，监控中心还具有下发 调度命令和远程修改参数等功能。 2 2 渔船监控系统的通信平台 通信平台是监控终端和监控中心联系的纽带，渔船监控系统要求通信平台有很高 的稳定性和准确性。本小节通过对常用的通信平台的比较得出本渔船监控系统的通信 方案。 目前，监控系统的通信平台有集群通信网、卫星通信、g s m 网、c d p d ( c e l l u l a r d i 百t a lp a c k e td a t a ，蜂窝数字分组数据) 网、g p r s 网、短波超短波电台通信和c d m a 网络等多种方案。 综合了传输速率、频率利用率、网络时延、覆盖范围和费用等多方面的考虑，我 们选用c d m a 网络和短波腹i 短波电台相结合的方式作为系统通信平台。和其他通信 方式相比这两种通信方式的优点是： ( 1 ) 短波超短波电台通信不需接力站中继即可建立长距离通信链路，且通信设备 也比较简单、机动性强，组网和维护费用低。目前，我国的渔船上基本上都配备了农 业部渔政局推荐使用的9 0 c 渔业电台。 ( 2 ) c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 利用数字传输方法，采用 6 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 扩频通信技术，大幅度地提高了频率利用率，具有容量大、覆盖范围广、话音质量高 的突出优点。c d m a 的传输最高速度可达1 5 3 6 k b p s ，并且丢包率很小( 小于1 ) 、 断线率低叫l 。 短波，超短波电台虽然有传输距离远、组网和维护简单等优点，但是，由于采用 了时分复用的通信方式，一个频点在任一时刻只能有一部电台发射，所以能容纳的电 台数量是有限的，当电台数目过多时，会造成通信阻塞。c d m a 网络覆盖范围和基 站息息相关，渔船监控系统的特殊应用环境限制了基站的建立范围，所以c d m a 网 络不可能覆盖渔船所有作业区。结合了短波超短波通信和c d m a 网络通信的优缺点， 我们采用了c d m a 网络和短波，超短波相结合的通信方式。在这种双信道通信方式下， c d m a 网络可以多点同时通信、传输速度快的优点弥补了电台的信道独占、传输速 度慢的缺点，提高了监控系统的通信效率，使系统的实时性增强；另外，电台传输距 离远的优点弥补了c d m a 网络覆盖范围有限的缺点，使渔船在整个作业区域内都可 以和监控中心进行通信。总之，c d m a 网络和短波，超短波相结合的双信道通信方式， 弥补了c d m a 网络和短波，超短波通信各自的缺点，发挥了各自的优点，使得渔船监 控系统的覆盖范围更广、通信效率更高、系统容量更大。 2 3 渔船监控系统中的定位技术埘【1 4 1 目前可以应用在渔船监控系统的定位技术有很多，如北斗卫星定位技术、全球轨 道卫星导航系统g l o n a s s 技术、g s m 手机定位技术、c d m a 手机定位技术、全球 定位系统g p s 技术等。综合考虑了定位的精度、系统性能和应用成本等因素，我们 决定采用g p s 定位技术为该系统提供定位信息。 g p s 全球定位系统是美国从上世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资近2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进 行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。g p s 系统与其他定 位系统相比，主要特点有： ( 1 ) 全球、全天候工作。能为用户提供连续、实时的三维位置，三维速度和精密 的时间，不受天气的影响。 ( 2 ) 定位精度高。单机定位精度优于1 0 米，采用差分定位，精度可达厘米级和 毫米级。 ( 3 ) 功能多，应用广。g p s 系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。 测速的精度可达0 1 m s ，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。 g p s 定位技术可以在定位精度、稳定性和成本上完全满足渔船监控系统的要求。 所以，本监控系统选择了g p s 定位技术。 7 2 渔船监控终端的总体设计硕士论文 2 4 渔船监控终靖总体设计 监控终端与整个监控系统息息相关，监控终端设计的质量，直接决定了整个监控 系统的稳定性、实时性和准确性。终端是整个系统的执行者，系统的部分重要功能需 要在终端上实现。 2 4 1 渔船监控终端的功能 渔船监控终端的主要功能如下： ( 1 ) 精确定位功能：渔船监控终端全天候2 4 小时连续不断的接收g p s 卫星信号， 为系统提供渔船的位置和速度信息，定位精度为l o 米左右。 ( 2 ) 工作信息检测功能：渔船监控终端采集渔船的工作状态、机油压力、机油温 度、油量，电压等物理量，并把采集的数据准确无误地发送到监控中心。 ( 3 ) 控制功能：渔船监控终端接收到监控中心的控制命令后，对渔船执行控制动 作。例如，被盗时，渔船监控终端可以在适当的时候将渔船死锁，使渔船无法启动， 直至接收到解锁的命令。 ( 4 ) 数据和语音通信功能：在渔船作业区范围内，渔船监控终端可与监控中心进 行数据通信和语音通信。 ( 5 ) 紧急救援报警功能：在渔船遭受抢劫或者遇到海难时，船员可以触发按钮， 监控终端实时的将救援信号发送到监控中心。 ( 6 ) 越界报警功能：当渔船的活动范围超过设定区域时，渔船监控终端向监控中 心报警，该功能对于休渔期渔船管理有重大的意义，加强了对渔船的监管力度。 ( 7 ) 显示功能：显示天气预报、当前渔船所在的经纬度和渔船状态报警信息。 结合监控中心的软、硬件，本监控系统可以实现：实时查询、历史追溯、数据和 语音通信、远程监控、海图显示、实时轨迹显示、记录跟踪轨迹、历史轨迹回放等功 能。 2 4 2 渔船监控终端的总体设计 根据监控终端的功能要求，我们采用了嵌入式技术 2 8 1 ，选用了a r m 7 微控制器， 结合相关的外围设备，对终端进行了板级集成。监控终端的总体结构如图2 4 2 1 所 示。 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 圈2 4 ，2 1 渔船监控终端总体结构图 图2 4 2 1 描述了渔船监控终端各个部分和微控制器之间的物理连接和信号连接 ( 部分线路和电源模块省略) 。渔船监控终端可以分为系统电源单元、微控制器单元、 无线通信单元、定位单元和接口单元等部分。 微控制器u ，c 2 2 9 2 是整个监控终端的核心，该芯片具有很强的处理能力，并且 集成了丰富的外围电路，极大的方便了整个系统的开发。微控制器模块的主要功能是 对数据进行处理和对控制节点进行控制。其具体功能是：对定位模块的g p s 数据进 行解析，从而得出经度、纬度、时间和速度等信息；通过数据采集模块采集数据采集 点的数值；通过c a n 总线接口采集渔船c a n 总线上的渔船工作信息；控制无线通 信模块和监控中心进行数据和语音通信；通过开关量输出模块对控制节点进行控制； 控制显示模块，提供人机接口。 定位模块g p s 9 8 0 5 的功能是接收g p s 卫星发送的导航电文，并且对导航电文进 行解算，得出g p s 接收机所在的经度、纬度、时间和速度等信息，并且把以上信息 按照一定的格式通过串口发送给微控制器u c 2 2 9 2 的u a r 罚口。 无线通信模块包括两个予模块：9 0 渔业电台和f d 8 1 0 模块。无线通信模块负 2 渔船监控终端的总体设计 硕士论文 责和监控中心进行数据和语音通信，该模块是监控终端的核心模块。监控终端实时的 向监控中心上传定位和渔船工作信息，监控中心将控制命令通过该部分发送到监控终 端。在该部分中，9 0 c 渔业电台通过电台接1 ：3 及手柄接口和电路板相连，其具体结 构如图2 4 2 1 所示。信道控制是该部分的重点，信道的控制是由l p c 2 2 9 2 控肯4 通道 选择电路实现的，综合了短波超短波电台通信和c d m a 网络通信的优缺点，我们采 取以下控制策略：在有c d m a 网络覆盖的海域用f d 8 1 0 模块通信，在无c d m a 网 络覆盖的海域用9 0 c 电台通信。实践证明，在渔船作业范围内，c d m a 网络的覆盖 率很高，所以我们把c d m a 网络作为主要的通信方式，电台作为辅助通信方式，绝 大多数的船只在大部分时间内是通过c d m a 网络和监控中心通信的。另外，由于电 台的语音通信和数据通信所使用的频点不同，所以系统在通信时，存在频点切换的问 题。在电台中，频点的切换是通过电台的手柄设定的。在本监控终端中，我们对电台 手柄接口进行了改造，采用了l p c 2 2 9 2 的i o 口模拟手柄信号进行频点切换，这部分 电路还可以监听手柄的按键情况。 一接口单元有数字量采集接口、模拟量采集接口、c a n 总线接口、开关量输出接 口和液晶显示接口等，这些接口负责采集渔船的工作信息、提供人机界面和对渔船进 行控制。控制器通过数字量采集接口获得渔船数字量采集点的状态；控制器通过模拟 量采集接口获得渔船的模拟量采集点的模拟量数值：u 2 2 9 2 集成了c a n 控制器， 加上合适的外围芯片就可以和渔船上的c a n 总线进行通信。通过c a n 总线接口， 渔船监控终端可以获得渔船工作的相关参数；监控中心下发的控制命令，通过开关量 输出接口予以执行，该部分通过光耦和继电器将c p u 的控制信号传递到渔船的控制 节点：为了提供良好的人机界面，设计中通过液晶显示接口和2 4 0 1 2 8 点的液晶模 块相连，可以显示1 6 1 6 的汉字8 行、1 5 列。该显示模块用来显示海洋天气预报、 渔船的经纬度和报警状况等信息。这些接口和渔船的连接关系如图2 4 2 2 所示。 l o 渔船监控终端 渔船 匝噻 巨匿 医面 1一遵 匿悃 图2 4 2 2 渔船监控终端和渔船连接关系 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 2 5 本章小结 本章建立了渔船监控系统的整体结构，对目前监控系统中常用的无线通信技术和 定位技术进行了比较，得出了适合渔船监控系统的通信平台和定位技术。根据渔船监 控终端的功能要求，对渔船监控终端进行总体设计。 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 3 渔船监控终端的硬件设计 渔船监控终端可以分为微控制器单元、通信单元、定位单元和接口单元等部分。 本章对渔船监控终端各个单元进行了硬件上的设计。 3 1 徽控制器单元设计 微控制器是监控终端的核心，监控终端的所有工作都必须要依赖微控制器，本系 统的微控制器选用的是p h o n s 公司的i j p c 2 2 9 2 微控制器，本小节主要对微控制器 单元进行设计，包括时钟电路、复位电路、存储器扩展电路、调试测试电路。 3 1 1l p c 2 2 9 2 徽控制器介绍司 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 1 d m i sc p u 的微控 制器，并带有2 5 6 k 嵌入的高速片内r a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特 的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用 可使用1 6 位n u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。l p c 2 2 9 2 较小的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 以及多达9 个 外部中断使它特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机【埘。 l p c 2 2 9 2 的具体特性如下： 1 6 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 删- s 微控制器，l q f p l 4 4 脚封装。 1 6 k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l 硒h 程序存储器，1 2 8 位宽度接口加速器。 可通过片内b 0 0 t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 。f l a s h 编程时间为l m s ，可编程5 1 2 字节，单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。 e i i l b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o m t o r 软件对任务实时调试， 并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 8 路l o 位a d 转换器，转换时间低至2 4 钆s ，本设计中选用了a d 4 a d 7 进行 模拟量的采集。 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实 时时钟和看门狗。 内置多个串行接口，包括2 个符合1 6 c 5 5 0 工业标准的u m 汀、1 个高速1 2 c 接口 ( 4 0 0k b i 以) 和2 个s p i 接口。本设计中1 7 r a i d 、u a r t l 分别和g p s 模块、 通信模块相连。 3 渔船监控终端的硬件设计 硕士论文 4 个互连的c a n 接1 ：3 ，带有先进的验收滤波器，本设计中使用了c a n i 和渔船 上的c a n 控制器进行通信。 内置向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址。 通过外部存储器控制器将外部存储器可用地址空间配置成4 组，每组容量高达 1 6 m b ，数据宽度为8 1 6 3 2 位。 1 1 2 个通用i o1 2 1 ( 可承受5 v 电压) ，1 2 个边沿或电平触发的外部中断引脚。 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 片内晶振频率范围：1 3 0 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 可通过使钳禁止片内外设功能来优化功耗。 可通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 双电源 p u 工作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( 1 8 0 1 5v ) ； 一i 工作电压范围：3 o 3 6v ( 3 3 o 3 v ) ，可承受5 v 电压。 3 1 2 时钟电路 l p c 2 2 9 2 微控制器为时序电路器件，需要一个时钟信号才可以工作。基于以上事 实，需要设计时钟电路。由于l p c 2 2 9 2 内部具有晶体振荡器，本设计就使用了其内 部的晶体振荡器设计时钟电路，如图3 1 2 1 所示。 图3 1 2 1 时钟电路 对于l p c 2 2 9 2 微控制器来说，如果从x t a l l 脚输入占空比为5 0 的方波信号作 为时钟源，则时钟频率应在1 5 0 m h z 范围内；如果使用外部晶振，则晶振的频率应 在1 3 0 m h z 范围内。若用户还需要使用片内p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 功能( 目的 是提高微控制器的工作频率，但微控制器的最高工作频率不能超过6 0 m h z ) 或引导 装载程序( 即i s p 功能) ，则输入时钟频率将被限制在1 0 2 5 m h z 范围内。 渔船监控终端使用了1 1 0 5 9 2 m h z 的外部晶振作为系统时钟源，在晶振两端并接 1 m n 的电阻r 1 3 可以使系统更容易起振。晶振频率选择1 1 0 5 9 2 m h z ，在1 0 m h z 2 5 m h z 范围内，用户可以使用片内p l l 功能和i s p 功能。另外，选用1 1 0 5 9 2 m h z 1 4 南京理工大学硕士学位论文 渔船监控终端的设计与实现 的晶振，用户可以方便地设置串口波特率。例如，用户启用片内p l l 功能并将倍频 系数设为4 ，则处理器核心将工作在4 4 2 3 6 8 m h z ，用户可将v p b 分频器的分频系数 设置为4 从而使v p b 总线( 连接a r m 处理器核心与片内外设的总线) 工作在 1 1 0 5 9 2 m h z ，这样用户只要设置u a r t 的分频系数为6 就可以使串口的波特率精确 设定为1 1 5 2 0 0 。 3 1 3 复位电路 如果微控制器在上电后状态不确定，将造成微控制器不能正常工作。为解决这个 问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确定的状态。 这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。有一些微控制器在上电时自身会产生复位 信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号。因为这个信号会使微控制器初始化 为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影 响。微控制器在复位后可能有多种初始状态，具体复位到哪种初始状态是在复位过程 中决定的。复位逻辑可能通过片内只读存储器中的数据决定具体的初始状态，但更多 的是通过复位期间的引脚状态决定，也可能通过两者共同决定。 l p c 2 2 9 2 微控制器内部嵌有复位干扰滤波器，该干扰滤波器可以使处理器忽略非 常短的外部复位脉冲，它决定了r e s e t 保证芯片复位所必须保持的最短时间【怕】。一 旦r e s e t 有效，只有当晶振运行稳定并且l p c 2 2 9 2 的x 1 脚上出现适当的信号时才 能撤除。如果晶振子系统使用的是外部晶振，上电后r e s e t 脚的信号必须保持1 0 m s 。 对于晶振已经稳定运行且x l 脚上已出现稳定信号时出现的复位，r e s e t 脚的信号 只需保持3 0 0 n s 。 本设计中，复位电路采用了专用的复位芯片m a x 7 0 8 t ，该芯片不仅可以消除手 动复位容易产生的抖动现象，为微控制器提供可靠的复位电平，而且还可以对微控制 器的工作电压进行监控，在电压过低时使系统复位，以避免系统的不确定行为，提高 系统的可靠性。 图3 1 3 1 复位电路 s w 4 旺s 盱 3 渔船监控终端的硬件设计 硕士论文 如图3 1 3 1 所示，当按下复位按钮时，m a x 7 0 8 t 的1 脚的电平被拉低，此时7 脚将输出一个低电平复位信号，在松开复位按钮后，该低电平信号可维持2 0 0 m s ，因 此m a x 7 0 8 t 可以保证微控制器在用户的控制下可靠复位。当m a x 7 0 8 t 的4 脚的电 平低于1 2 5 v 时，m a x 7 0 s t 的第5 脚将输出低电平信号，使系统复位。由于l p c 2 2 9 2 内核运行电压为1 8 v ，所以可以将m a x 7 0 8 t 的4 脚接1 8 v ，以监控其内核运行的 电压。 由于l p c 2 2 9 2 集成了2 5 6 k 的内部f l a s h ，并且可以通过e m c 单元扩展外部f l a s h ， 所以，当控制器复位后，系统引导程序需要决定系统是从片内f l a s h 还是从片外f l a s h 重启。对于l p c 2 2 9 2 ，b o o t 1 ：0 脚的状态控制着引导方式，见表3 1 3 1 。 表3 1 3 1b o o t 1 ：0 】的引导控制 p 2 2 7 ，d 2 7 ，b o o t li 2 2 6 1 3 2 6 b o o t 0引导方式 oo c s 0 控制的8 位存储器 ol c s 0 控制的1 6 位存储器 1 一 oc s 0 控制的3 2 位存储器 1l 内部f l a s h 存储器 本设计中采用了从片内f l a s h 启动，其电路如图3 1 3 2 。 图3 1 3 2l p c 2 2 9 2 复位原理图 图3 1 3 2 为u ) c 2 2 9 2 复位原理图，图中b 0 0 哟和b o o t i 经1 0 k 的电阻连接 到3 3 v 的电源，即，b o o t 1 ：0 1 = 1 l ，由表3 1 3 1 知，l p c 2 2 9 2 会从片内的f l a s h 重 新启动，l p c 2 2 9 2 将会从片内f l a s h 的0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址重新启动，然后进行相应 的存储器映射，从而使得系统进入正常运行模式。l p c 2 2 9 2 的r s t 引脚连接到图 3 1 3 1 中的m a x 7 0 8 t 的7 脚( 复位信号产生脚) ，l p c 2 2 9 2 的外部复位信号来自 m a x 7 0 8 t 。l p c 2 2