多串口船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低成本實現(xiàn)

1?引言
?由于接收信號強弱差別、設(shè)備使用狀況差異等因素，船舶導(dǎo)航過程中會出現(xiàn)信號不穩(wěn)、輸出中斷等問題，給船舶導(dǎo)航帶來極大不便。而電羅經(jīng)和GPS是遠洋船舶上常用的導(dǎo)航設(shè)備，合理地配合使用這兩種設(shè)備可以有效地增加導(dǎo)航的可靠性。
?為實現(xiàn)電羅經(jīng)和GPS的配合使用，使用單片機設(shè)計了一種新型的船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器[1]。在只有一種可靠導(dǎo)航數(shù)據(jù)的情況下，轉(zhuǎn)換器可以實時地進行兩種數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，保證電羅經(jīng)和GPS設(shè)備的正常工作，為船舶航行提供可靠導(dǎo)航。

2?串口擴展方案比較分析
?數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有兩個輸入端，分別與電羅經(jīng)和GPS設(shè)備連接，且均為RS422接口[2]。GPS信號是標準NMEA-0183格式，并包括兩種語句，其中HDT語句輸出航向信號，ROT語句輸出航向變化率信號。而電羅經(jīng)信號只有一種格式，它包括了航向數(shù)據(jù)信號和航向變化率信號。
?數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號進行選擇，當輸入信號為電羅經(jīng)時，轉(zhuǎn)換器將電羅經(jīng)的航向語句直接輸出到接口為RS422的電羅經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備終端，同時將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準NMEA-0183格式的HDT與ROT語句數(shù)據(jù)輸出到接口為RS232的GPS導(dǎo)航設(shè)備終端。而輸入信號為GPS時，轉(zhuǎn)換器將GPS的航向語句直接輸出到接口為RS232的GPS導(dǎo)航設(shè)備終端，同時將輸入的HDT與ROT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電羅經(jīng)數(shù)據(jù)格式輸出到接口為RS422的電羅經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備終端。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的功能框圖如圖1所示。
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圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的功能框圖
?為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，就需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器至少具備三個標準的UART串口。有多種設(shè)計方案都能滿足這一要求且不盡相同，成本、指標、可靠性等都存在差異。根據(jù)目前的串口器件設(shè)計，歸納起來主要有以下幾種比較常用的多串口設(shè)計方案[3]。
?(1)?多串口單片機。其中雙串口的單片機的價格在30~70元左右，三串口的單片機價格更加昂貴，直接增加了系統(tǒng)設(shè)計的成本。同時，由于各單片機的指令不同，以及由于串口功能的擴展帶來的陌生寄存器的使用都增加了設(shè)計人員的工作量和難度。
?(2)?軟件模擬串口。其主要優(yōu)點是成本低，但是可靠性和串口指標都無法控制，存在缺點：一是采樣次數(shù)低，一般只能做到2次/BIT，這樣數(shù)據(jù)的正確性就難以保證；二是不能實現(xiàn)高波特率通訊，軟件模擬串口一般不能實現(xiàn)高于4800 bps的波特率。
?(3)?專用IC器件。使用專用串口擴展芯片，例如TI等公司開發(fā)的16C554系列串口擴展芯片，通過并行口擴展串行口，功能比較強大、通訊速度高；成都國騰微電子有限公司推出的GM8123/25系列串口擴展芯片，通過串行口擴展串行口，可簡單方便地實現(xiàn)全硬件擴展。但總而言之，串口擴展芯片價格普遍較高。
?根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計要求，考慮降低成本，最后選取可通過RS232接口在線編程的飛利浦單片機P89C669作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的主處理器。并充分利用P89C669豐富的IO口，通過AT89C2051來擴展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所需要的第三個串口，以低成本實現(xiàn)了串口擴展[4]。

3?UART的低成本實現(xiàn)方案
3.1?單片機IO口的分配、連線
?P89C669[5]是基于Philips半導(dǎo)體新51MX（存儲器擴展）內(nèi)核的Flash微控制器代表。它包含96k字節(jié)的Flash程序存儲器、2k字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM、1個可編程計數(shù)器陣列（PCA）、可配置成不同時間范圍的看門狗定時器（通過SFR的位設(shè)置）、2個增強型UART以及字節(jié)型I2C總線串行接口等。
?P89C669主要實現(xiàn)電羅經(jīng)和GPS信號數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換和發(fā)送，AT89C2051主要用來擴展串口[5]，具體的IO分配如下。AT89C2051的P1口與P89C669的P0口相連，作為數(shù)據(jù)通信總線；單片機AT89C2051的P3.3引腳接P89C669的P3.2引腳，作為AT89C2051向P89C669的發(fā)送請求信號( )；AT89C2051的P3.2引腳接P89C669的P2.7引腳，作為P89C669向AT89C2051請求中斷的控制信號；AT89C2051的P3.4引腳接P89C669的P2.6引腳，作為P89C669對AT89C2051讀寫操作的控制信號( )；AT89C2051的P3.5引腳接P89C669的P2.5引腳，作為P89C669向AT89C2051寫入指令或數(shù)據(jù)的控制信號( )。AT89C2051與P89C669之間的連接圖如圖2所示。
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圖2 P89C669與AT89C2051的硬件連接圖

3.2?單片機P89C669與AT89C2051通信程序的設(shè)計
?單片機P89C669與AT89C2051之間的數(shù)據(jù)通信流程圖如圖3所示，具體實現(xiàn)如下。
(1)?P89C669方面
?①?P89C669發(fā)送數(shù)據(jù)。首先，程序初始化后P89C669將AT89C2051有關(guān)的晶振信息、波特率等參數(shù)以命令字形式傳送給AT89C2051，AT89C2051接收后查表求解進行串口波特率設(shè)置。然后P89C669將接收完畢的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，并檢測 引腳，若為高電平則等待，直到變?yōu)榈碗娖綍r通過并口將數(shù)據(jù)傳給AT89C2051。在AT89C2051將接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送出去的同時檢測緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)不滿則將 引腳置低，反之則高。
?②?P89C669接收數(shù)據(jù)。AT89C2051接收到數(shù)據(jù)后用 引腳產(chǎn)生邊沿信號向P89C669發(fā)出請求，P89C669收到請求信號后執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)程序。
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圖3 P89C669方面的程序流程圖

(2)?AT89C2051方面
?AT89C2051是作為IC芯片用來進行串口擴展的，在初始化階段接收上位機傳來的數(shù)據(jù)進行初始化設(shè)置，然后循環(huán)等待接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)[6]。AT89C2051將并口傳來的數(shù)據(jù)存在并口接收緩沖區(qū)，并復(fù)制到串口發(fā)送緩沖區(qū)，激活串口使用中斷方式發(fā)送；將串口傳來的數(shù)據(jù)存在串口接收緩沖區(qū)，并復(fù)制到并口發(fā)送緩沖區(qū)，同時改變 的電位，向上位機發(fā)出請求。在船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，AT89C2051主要是用來串口發(fā)送電羅經(jīng)信號，它與P89C669的通信流程圖如圖4所示。

4?結(jié)束語
?文中應(yīng)用AT89C2051擴展串口后，系統(tǒng)共有三個串行口。其中，一個串口用來選擇接收電羅經(jīng)或者GPS信號用以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；一個串口經(jīng)過MAX3232實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平轉(zhuǎn)換后可連接微機的串行口，從而簡單方便地實現(xiàn)單片機P89C669的在線編程，它同時也作為GPS信號的輸出接口；另一個串口主要用來輸出電羅經(jīng)信號。
?該電路與采用專用芯片的電路相比，并不復(fù)雜，而且編程設(shè)計較簡單，綜合考慮是一種比較經(jīng)濟實用的低成本設(shè)計方法。
?創(chuàng)新點：
文章本著低成本的指導(dǎo)思想進行設(shè)計。首先，選用可在線編程的P89C669單片機為主處理器，省去編程器，降低了成本；其次，采用價格便宜的AT89C2051單片機與充分利用P89C669單片機豐富的IO口進行串口擴展。最終，實現(xiàn)了多串口船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低成本實現(xiàn)。