摘 要

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2国内外研究与发展现状 1

1.3系统开发的意义 2

1.4设计（论文）的主要内容 2

第2章 航海仪器 3

2.1航海仪器介绍 3

2.2航海仪器输出的数据类型 5

2.3航海仪器的接口类型 6

第3章 数据通信方式和通信协议 8

3.1数据通信 8

3.1.1数据通信的基本概念 8

3.1.2串行通信 8

3.1.3异步通信传输方式 9

3.2串行通信协议 10

3.3 NMEA-0183协议 11

第4章 船舶航行数据采集系统的硬件设计 14

4.1 数据采集系统 14

4.2 单片机的选择 15

4.2.1 MCS-51单片机的引脚与功能 15

4.2.2 单片机及其外围电路设计 17

4.3 模数转换电路设计 19

4.3.1 采样/保持电路 19

4.3.2 多路转换开关电路 20

4.3.3信号调节电路 22

4.3.4 模数转换器（ADC） 24

第5章 船舶航行数据采集系统的软件设计 26

5.1 单片机程序设计 26

5.1.1 数据采集启动子程序 26

5.1.2 ADC中断服务子程序 27

5.1.3 量程切换子程序 27

5.2 上位PC机程序 28

5.3 串行口通信程序 29

第6章 总结 30

参考文献 31

致谢 33

摘 要

船舶航行状态信息是船舶操纵控制的重要依据，随着计算机技术的广泛应用，本文采用单片机与上位PC机有效结合的方式，设计了一套基于8031单片机控制的船舶航行数据采集系统，设计主要从硬件设计和软件设计两方面展开。本文设计的船舶航行数据采集系统采用了传感器技术、单片机技术、电子控制技术以及通信技术等对航海仪器提供的船舶航行数据进行采集、处理与分析，可减少了船舶上的人力投入，提高船舶航行的安全可靠性。为解决航海仪器之间信号格式不统一的问题，采用的输出信号标准为NMEA-0183格式信号。为确保数据采集系统中数据通信的准确性和可靠性，设计了串行通信协议，它是建立在串口之上并且数据传输可以根据具体的实际情况构建的通信双方共同遵守的数据交换规则。

关键字：数据采集系统；单片机；上位机；串行通信协议；NMEA-0183标准；航海仪器

Abstract

The ship navigation status information is an important basis for the control of ship. With the extensive application of computer technology, this paper designs a ship navigation data acquisition system with the effective combination of single chip and upper PC which is based on 8031-single chip microcomputer. The design mainly consists of two areas: hardware design and software design. The ship navigation data acquisition system designed in this paper adopts the sensor technology, single chip microcomputer technology, electronic control technology, communication technology and so on, deal with and analyze the ship navigation data provided by the navigation equipment, and to a certain extent, it can reduce the manpower and material resources on the ship, improve the safety and reliability of the ship sailing, with good prospects for development. In order to solve the problem that the signal between the navigation equipment is not uniform, the output of signal standard is NMEA-0183 signal. In order to ensure the accuracy and reliability of data communication in data acquisition system, a serial communication protocol is designed. It is a data exchange rule that is established on the serial port and the data transmission can be constructed according to the actual situation.

Key words: data acquisition system; microcontroller; host computer; serial communication protocol; NMEA-0183 standard; navigation equipment

第1章 绪论

1.1选题背景

古往今来，航海事业不断发展，世界古代航海史上的海上航行包括郑和下西洋、哥伦布发现新大陆、达·伽马绕过好望角到达印度和麦哲伦环球航行。航海事业的发展促进了国际贸易的扩大，带动了国家之间的经济交流与发展，例如，中国政府提出的“一带一路”倡议，就需要航运业为海上丝路打开一条康庄大道，加强中国与沿线国家的贸易往来。航运是世界各国发展经济贸易不可缺少的主体，船舶运输实现了全世界70%以上的国际贸易。随着国际贸易的不断深入，全球经济发展对船舶运输的要求逐渐提高，从过去的大吨位、大尺度、快速、安全、高效到现在的自动化、智能化，船舶领域的发展日新月异。如今根据时代的发展需求，世界各国对智能船舶的研发也在不断完善。其中，中国船级社（China Classification Society，CCS）编制的《智能船舶规范》于2016年3月1日正式生效，这意味着智能船舶及无人驾驶时代的到来^[1]。

船舶的智能化发展意味着越来越多先进的装备运用船上，使船舶在海上航行变得更加安全可靠。同时，由于航海仪器设备的增多，而且这些航海仪器相对独立、布局分散，所采集的航行数据信息多种多样，因此驾驶人员对于数据信息的整合、分析的难度也相应加大，增大了驾驶人员做出正确的综合判断的压力。所以我们迫切需要一种全面的船舶航行数据采集系统，这种综合系统已经不在限制于小范围、单独的数据采集，而且是大范围、多层次、集中式的监控管理系统^[2]。该系统通过数据组合，将各种航行数据信息集中起来，实现系统的综合控制。

1.2国内外研究与发展现状

目前有关船舶航行数据采集系统的研发，国外在该方面的研究比较早，技术也比较成熟。挪威的Norcontrol公司是最先提出相似概念的公司之一，该公司在1969年就研发成功了数据驾驶台系统（data bridge），该系统主要由数据定位（data position）、数据雷达（data radar）、数据航行（data sailing）和数据操舵（data pilot）4个子系统组成。如今，Wärtsilä SAM Electronics 公司的新一代集成船舶控制系统NACOS Platinum代表了一系列完整的下一代导航，自动化和控制系统。该系列通过一个通用的硬件和软件平台，在可用性，可扩展性和网络系统方面提供了前所未有的功能。它的优点有易于安装和维护，操作简单，通用的硬件平台和基于提高用户服务的有效解决方案。除此之外，还有意大利Consilium Selesmar公司的Master BridgeⅢ的综合驾控系统，意大利Consilium Selesmar公司的Master BridgeⅢ的综合驾控系统和美国Northrop Grumman下属的Sperry Marine公司的VISION FT 综合驾驶台系统，和丹麦Lyngso的Stella Net船舶综合监控系统^[3]等等。其中，最具有影响力的应是美国Northrop Grumman下属的Sperry Marine公司的VISION FT 综合桥梁系统，它专为从大型游艇，油轮，集装箱船到游轮的所有类型船只设计。作为最新一代的桥梁控制台，它为人性化设计提供了极致的设计，便于操作和维护，可轻松与所有导航产品和第三方设备集成，从而提供全面的解决方案。