李邢凡　陳培新　郭雷

摘? 要：文章基于VB平臺的MSComm控件，采用第三代SiRFstar Ⅲ芯，通過RS232串口通訊采集船舶航行中GPS軌跡數(shù)據(jù);在計算機端將航跡數(shù)據(jù)進行解析以及坐標轉換等操作，進而實現(xiàn)計算船舶回轉過程中性能的軟件系統(tǒng)，使用戶更為簡便地獲取船舶回轉過程中的參數(shù)。

關鍵詞：MSComm;GPS;串口通訊;回轉運動;軟件系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0018-03

Abstract： In this paper， based on the MSComm control of VB platform， the third-generation SiRFstar III core is used to collect GPS trajectory data during ship navigation through RS232 serial communication， and the track data are parsed and coordinate transformation are carried out on the computer side， and then the software system for calculating the performance of the ship in the turning process is realized， which makes it easier for users to obtain the parameters in the ship turning process.

Keywords： MSComm; GPS; serial communication; rotary motion; software system

1 船舶回轉運動的數(shù)學模型

船舶回轉是指直航船舶在操舵后，作縱移、橫移以及偏轉的一種運動過程。回轉性代表船舶轉舵后作圓弧運動的能力，一般使用回轉半徑與船長的比值D/L表征其性能優(yōu)劣，大多數(shù)船多集中在5～7。當D/L≈3時，表明性能較好，當D/L≈10時，則性能較差?；剞D半徑與船長的比值通常在試驗中獲得：穩(wěn)速直航的船舶在操舵后，快速操舵至規(guī)定舵角后并保持，直至艏向改變360°;隨后以此方法進行相反和其它測試舵角下的回轉，并獲取所需參數(shù)?；剞D運動中船舶重心運動軌跡通常如圖1。

在定?；剞D后，船舶運動的重心軌跡為圓，運動中的各參數(shù)也將不隨時間的變化而改變。此時，船舶回轉運動方程的直徑可表示為[1]：

其中：Y、N分別為合力在動坐標系y軸的分量、繞重心的力矩，YV、NV則為對橫向速度分量v的位置導數(shù);W為船只重量;XG為船舶坐標系下重心沿船長方向的縱向坐標;u1、v1為船舶初始狀態(tài)下動坐標系在x、y軸方向的初速度;Yr、Nr則為對回轉角速度r的旋轉導數(shù);Yδ、Nδ則為對舵角δ的控制導數(shù);δ0為定?；剞D時的舵角。

回轉過程中的各主要參數(shù)（如戰(zhàn)術直徑、定?；剞D直徑、縱距、橫距、回轉周期、回轉角速度、回轉航速等）一般通過帶有GPS航行性能軟件系統(tǒng)獲得。本文設計將基于MSComm，采用SiRF芯片對航行性能軟件系統(tǒng)進行設計。

2 系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)讀取與處理

2.1 系統(tǒng)選用GPS模塊簡介

系統(tǒng)選用SiRFstar Ⅲ芯片，該芯片以20萬次/頻率的特點大幅提升了靈敏度，冷/暖/熱開機的時間縮減至42s/38s和8s，同時追蹤衛(wèi)星信道可達20個。SiRFstar Ⅲ目前已成為市場上性能卓越、性價非常高的一款GPS芯片，因此本為在設計中采用此款芯片作為軟件系統(tǒng)GPS模塊的核心。

2.2 GPS模塊的數(shù)據(jù)格式

對數(shù)據(jù)的處理本質上是對串口通信的設計，SiRFstar Ⅲ芯片采用標準NMEA-0183協(xié)議[2]，該協(xié)議規(guī)定了各種航海儀器間傳輸資料的固定格式。因此，采用SiRFstar Ⅲ芯片的GPS模塊數(shù)據(jù)以固定的格式進行輸出，檢索字符串即可從數(shù)據(jù)中獲得各種信息。主要GPS數(shù)據(jù)格式如下：

（1）定位數(shù)據(jù)的標準格式為：$GPGGA，（字段1～9），M，（字段10），M，（字段11～12）*hh（CR）（LF），各字段分別對應時間、緯度、N/S（北緯或南緯）、經(jīng)度、E/W（東經(jīng)或西經(jīng)）、質量因子（0=無定位，1=實時GPS，2=差分GPS）、可使用的衛(wèi)星數(shù)（0～8）、水平精度因子（1.0～99.9）、天線高程、大地橢球面相對海平面高度（-999.9～9999.9，單位：m）、差分GPS數(shù)據(jù)年齡、差分基準站號（0000～1023）、*總和校驗域、hh 總和校驗數(shù)、（CR）（LF）回車，換行。

（2）推薦定位信息數(shù)據(jù)的標準格式為：$GPRMC，（字段1～11）（CR）（LF），各字段分別對應標準定位時間、定位狀態(tài)、緯度、北緯或南緯、經(jīng)度、東經(jīng)或西經(jīng)、相對位移速度、相對位移方向、日期、磁極變量、度數(shù)、檢查位。

（3）地面速度信息數(shù)據(jù)的標準格式為：$GPVTG，（字段1），T，（字段2），M，（字段3），N，（字段4），K，（字段5）*hh（CR）（LF），各字段分別對應運動角度、真北參照系、運動角度、磁北參照系、水平運動速度、N=節(jié)，Knots、水平運動速度、K=公里/時，km/h、校驗值。

3 本軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 RS232串口通訊

計算機內(nèi)部通過電位（即計算機中數(shù)據(jù)0、1）進行數(shù)據(jù)儲存和傳輸，其中數(shù)字、字符及符號通常由8個電位進行組合對應，如VB平臺中Byte數(shù)組元素即由8位構成，用來表示整數(shù)0～255。計算機和傳感器間通訊便以0、1的數(shù)據(jù)形式進行數(shù)據(jù)的傳輸。RS232串行接口廣泛應用于計算機、傳感器設備間通訊，該接口有9個信號針腳，功能見表1。

功能上講，信號線由數(shù)據(jù)線、地線和聯(lián)絡控制線三類構成，即TxD、RxD，GND，DSR、DTR、RI、DCD、RTS、CTS。RS232串口最初是連接調制解調器Modem傳輸使用，因此RS232的各個針腳一般與Modem有關。信號發(fā)送端與信號接收端直接傳輸時，定義的信號多數(shù)并未得到使用，一般僅需2根數(shù)據(jù)線、2根握手線和1根地線，甚至部分設備信號的傳輸只需2根數(shù)據(jù)線和1根地線就可以實現(xiàn)全雙工異步串行通信，示意圖如圖2。

3.2 MSComm控件

MSComm是VB平臺中串行通訊的插件。編譯串口通訊程序時，可直接調用該插件中的屬性函數(shù)，用來實現(xiàn)端口通訊，為程序員編譯串口通訊程序節(jié)約時間。MSComm可為各串口間建立聯(lián)接，串口聯(lián)接到其他設備可實現(xiàn)計算機與設備間進行數(shù)據(jù)接收、指令發(fā)送、響應及監(jiān)視串行通訊連接中的事件和產(chǎn)生的錯誤。

一般情況下，一個MSComm插件只與計算機的單個端口相互對應，并控制聯(lián)接該端口的設備。因此，在程序中添加幾個MSComm插件就控制相應數(shù)量的串行端口。

3.3 串口通訊的實現(xiàn)

MSComm控件同VB平臺中其他程序一樣，其功能的實現(xiàn)是依靠控件屬性來完成，設定MSComm的屬性值即可實現(xiàn)所需的串口通信功能，如串行端口參數(shù)的設置、握手協(xié)議、緩沖區(qū)大小等均通過相應屬性來設定。常用屬性、VB語法和作用如表2。

串口通訊程序的設計主要分為兩部分[3]：

（1）通訊端口的初始化設定：設置內(nèi)容主要有通訊協(xié)議、通訊、端口號碼、收發(fā)緩沖區(qū)大小、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的類型、波特率等[4]。初始化設定時，部分項目的設置要根據(jù)實際設備遵循的通訊協(xié)議及其數(shù)據(jù)特征進行。如某些具有固定波特率的傳感器，在端口參數(shù)初始化設置時，端口波特率需與設備保持一致;接收和發(fā)送緩沖區(qū)大小也要依據(jù)設備的數(shù)據(jù)發(fā)出和發(fā)送給設備指令來進行相應的初始化設定。

本文設計軟件系統(tǒng)的GPS串口初始化代碼如下：

（2）OnComm事件處理：a.通訊端口的初始化設定完成后，程序將打開端口，端口數(shù)據(jù)隨后發(fā)送到MSComm的接收緩沖區(qū)，OnComm事件得到觸發(fā);b.控件Input屬性讀取

數(shù)據(jù)，并賦值給byte數(shù)組（單個byte變量為8位），結合設備輸出的原始數(shù)據(jù)類型，轉化處理得到所需數(shù)據(jù)信息;c.在RS232串口中，設備數(shù)據(jù)是以二進制形式（8個二進制數(shù)）傳輸，再依據(jù)與設備的通訊協(xié)議中轉化成十進制的數(shù)值變量。d.數(shù)據(jù)讀取和轉化均在OnComm事件中，在觸發(fā)事件后程序執(zhí)行事件中程序塊對接收到的數(shù)據(jù)進行處理[5]。本文設計軟件系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)接收處理程序為例程序代碼為：

3.4 本軟件系統(tǒng)流程

綜上，基于MSComm控件，通過RS232串口通訊的軟件設計系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

通過對上述獲取的船舶回轉運動中的GPS數(shù)據(jù)進行解析及坐標轉換，即可獲取船舶回轉運動中的關鍵參數(shù)。

4 結束語

通過MSComm控件，結合SiRF芯片特點，利用RS232串口通訊在讀取船舶航行中GPS軌跡數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進行提取解析以及坐標轉換，進而可實現(xiàn)簡單、方便的獲取船舶回轉過程中的參數(shù)。

參考文獻：

[1]吳秀恒，等.船舶操縱性與耐波性[M].人民交通出版社，1999.

[2]Elliott D.Kaplan.GPS原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3]王樂.基于GPS的汽車操縱穩(wěn)定性研究[D].南京航空航天大學，2007.

[4]徐紹銓，等.GPS測量原理及應用[M].武漢：武漢大學出版社，2004.

[5]朱華統(tǒng)，等.GPS坐標系統(tǒng)的變換[M].北京測繪出版社，1994.