Nghiên cứu thiết kế mặt lặp la bàn chỉ thị số tương thích chuẩn giao tiếp NMEA 0183

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em nhận đƣợc nhiều giúp đỡ , đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy , cô , bạn bè Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo : Ths Nguyễn Đình Thạch giới thiệu, cung cấp tài liệu tận tình hƣớng dẫn em hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn thầy cô giáo trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam thầy cô khoa Điện- Điện tử dạy dỗ em thời gian học tập trƣờng giúp em có đƣợc sở lý thuyết tạo điều kiện giúp đỡ em trình học tập Cuối em xin cảm ơn gia đình, bạn bè ,đã tạo điều kiện quan tâm ,giúp đỡ , động viên em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Giáo viên hƣớng dẫn Sinh viên thực Ths Nguyễn Đình Thạch Trần Thành Công Em xin chân thành cảm ơn I LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồán độc lập riêng em Các thiết kế ,tính toán đồán hoàn toàn mang em không chépở đồán trƣớcđó Nếu có không trung thực em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm II MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC HÌNH VẼ v LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG CỤ CẨN THIẾT ĐỂ THIẾT KẾ MẶT LẶP 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LA BÀN SỬ DỤNG TRÊN TÀU BIỂN 1.2 LA BÀN ĐIỆN ĐỒNG BỘ BẰNG TÍN HIỆU SỐ 1.3 CHUẨN TRUYỀN THÔNG NMEA 0183 1.3.1 Khái quát chung chuẩn giao tiếp NMEA 0183 1.3.2 Đặc tính điện 1.3.3.Cách thức gói tin NMEA 0183 1.3.4 Mã nhận dạng Talker định dạng tín hiệu la bàn 1.3.5 Định dạng tín hiệu la bàn 10 1.4.NGHIÊN CỨU VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN AVR 11 1.4.1 Chức đặc điểm 11 1.4.2 Cấu trúc bên AVR 11 1.4.3 Các Port nhập xuất 16 1.4.4 Ngắt kiện 17 1.5 LED THANH VÀ PHƢƠNG PHÁP HIỂN THỊ CỦA LED THANH 21 1.5.1 Khái quát 21 1.5.2 Các thông số LED 22 III CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MẶT LẶP LA BÀN HIỆN THỊ SỐ 23 2.1 XÂY DỰNG CẤU TRÚC SƠ ĐỒ KHỐI CHO MẶT LẶP LA BÀN HIỂN THỊ SỐ 23 2.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 24 2.2.1.Thiết kế mạch nguồn 24 2.2.2.Thiết kế khối xử lý trung tâm 26 2.3 KHỐI GIAO TIẾP VỚI NMEA 0183 29 2.4.MẠCH HIỆN THỊ BẰNG LED THANH 30 2.5 MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG 31 2.6 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MẶT LẶP 31 CHƢƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO MẶT LẶP LA BÀN HIỆN THỊ SỐ 33 3.1.LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA CHƢƠNG TRÌNH CHÍNH 33 3.2 KHỞI TẠO VÀ KHAI BÁO BIẾN 35 3.3 CHƢƠNG TRÌNH THU TÍN HIỆU LA BÀN 37 3.4 CHƢƠNG TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU LA BÀN 39 3.5 CHƢƠNG TRÌNH HIỆN THỊ TÍN HIỆU RA LED THANH 41 3.6 CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG DIMMER 42 CHƢƠNG THI CÔNG 46 PHỤ LỤC 53 IV DANH MỤC HÌNH VẼ Số hình Tên Hình Trang 1.1 Sơ đồ giao tiếp La bàn – mặt lặp – hệ máy trạm 1.2 Nguyên lý báo mặt lặp la bàn 1.3 Cấu trúc khung liệu tín hiệu chuẩn NMEA 0183 1.5 Kết nối Talker nhiều Listener 1.6 Sơ đồ cấu trúc bên dòng chip AVR 12 1.7 Thanh ghi trạng thái 13 1.8 Cấu trúc nhớ AVR 14 1.9 Cách truy cập liệu ngăn xếp 16 1.10 Quy trình phục vụ ngắt 18 1.11 Hình dạng LED 21 1.12 LED loại Anode chung 22 1.13 LED loại Cathode chung 22 2.1 Sơ đồ khối mặt lặp la bàn hiển thị số 23 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn +5V 25 2.3 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm cấu báo 26 2.4 Mạch tạo dao động cho vi điều khiển 27 2.5 Mạch RESET 28 2.6 Mạch giao tiếp với NMEA0183 29 2.7 Mạch thị thị LED 30 2.8 Mạch điều khiển độ sáng Dimmer 31 2.9 Sơ đồ nguyên lý cho mặt lặp la bàn điện 32 3.1 Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình 33 3.2 Khởi tạo ngắt cứng UART 35 3.3 Khởi tạo Timer1 36 3.4 Sơ đồ thuật toán chƣơng trình thu tín hiệu la bàn 37 3.5 Chƣơng trình xử lý tín hiệu la bàn 39 V 3.6 Chƣơng trình quét LED 41 3.7 Chƣơng trình điều khiển độ sáng Dimmer 43 3.8 Biểu đồ thời gian 45 4.1 Sơ đồ nguyên lý board 46 4.2 Sơ đồ mạch in mặt lặp la bàn thị số 47 4.3 Sơ đồ mạch in board 48 4.4 Khởi động chƣơng trình nạp Progisp 49 4.5 Báo nhận mạch nạp chọn loại chip 49 4.6 Chọn thông số quan trọng trình nạp 50 chƣơng trình 4.7 Nạp chƣơng trình 51 4.8 Load chƣơng trình kết thúc 52 VI LỜI MỞ ĐẦU Từ lâu đời la bàn thiết bị thiếu tàu bè lƣu thông biển giúp nhận biết góc phƣơng vị mà tàu di chuyển Ngày công nghệ phát triển hệ thống la bàn trang bị tàu ngày đại Mỗi tàu lƣu thông biển thƣờng đƣợc la bàn từ , la bàn quay la bàn điện Trong la bàn quay cho độ xác cao hết Tuy nhiên giá thành la bàn quay thƣờng cao yêu cầu xác gia công chi tiết khí đòi hỏi công nghệ đại chế tạo đƣợc Mỗi tàu thƣờng trang bị la bàn quay vị trí buồng lái nên muốn quan sát góc phƣơng vị vị trí khác tàu ngƣời ta thƣờng chọn phƣơng án lắp đặt mặt lặp la bàn dùng lặp lại thông tin la bàn chủ Để tìm hiểu rõ hệ thống la bàn nhƣ cách thức truyền liệu từ la bàn chủ tàu em chọn đề tài " Nghiên cứu thiết kế mặt lặp la bàn thị số tương thích chuẩn giao tiếp NMEA 0183" Sau thời gian tìm hiểu với hƣớng dẫn thầy giáo Ths.Nguyễn Đình Thạch đến em hoàn thành đồ án với nội dung gồm chƣơng  Chƣơng : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG CỤ CẨN THIẾT ĐỂ THIẾT KẾ MẶT LẶP  Chƣơng :TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MẶT LẶP LA BÀN HIỆN THỊ SỐ  Chƣơng :XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO MẶT LẶP LA BÀN HIỆN THỊ SỐ  Chƣơng :THI CÔNG Chƣơng giới thiệu công cụ cần để triển khai thiết kế Chƣơng phần tính toán cho phần cứng mặt lặp Chƣơng phần xây dựng thuật toán thu tín hiệu , tách tín hiệu , điều khiển Chƣơng thực thi công Hải phòng, tháng 12 năm 2015 Sinh viên thực đề tài Trần Thành Công CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG CỤ CẨN THIẾT ĐỂ THIẾT KẾ MẶT LẶP 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LA BÀN SỬ DỤNG TRÊN TÀU BIỂN Các yêu cầuchung hệ thống la bàn sử dụng tàu biển Đối với tàu lƣu thông biển phải trang bị la bàn từ chuẩn đƣợc hiệu chỉnh phƣơng tiện xác định phƣơng hƣớng mà độc lập với nguồn điện để xác định phƣơng hƣớng hiển thị thông tin phƣơng hƣớng đƣợc đặt vị trí lái tàu Các tàu phải trang bị mặt la bàn phƣơng tiện khácđƣợc chia độ theo phƣơng ngang 360o Các tàu lƣu hành biển phải đƣợc trang bị la bàn từ dự trữ thay la bàn nêu phƣơng tiện khác có chức tƣơng đƣơng Tất tàu có tổng dung tích 500 trở lên phải mang la bàn quay phƣơng tiện khác nhƣ mặt lặp la bàn để định hiển thị hƣớng tàu biện pháp không từ tính Các thiết bị phải đƣợc bố trí để dễ dàng quan sát đƣợc từ vị trí lái Đối với tàu có trang bị hệ thống mặt lặp la bàn: -Mặt lặp phải đƣợc chế tạo để lắp đặt thiết bị đọc phƣơng vị -Mặt lặp phải đƣợc treo mặt phẳng ngang nhờ hệ thống đăng để tránh ảnh hƣởng chuyển động tàu -Mọi mặt lặp đƣợc trang bị boong hở phải có khả kín nƣớc -Dung sai không 0.2o -Phải đƣợc trang bị hệ thống chiếu sáng phù hợp để đọc đƣợc số la bàn lúc.Hệ thống phải có khải điều chỉnh độ sáng 1.2 LA BÀN ĐIỆN ĐỒNG BỘ BẰNG TÍN HIỆU SỐ Ngày với phát triển kỹ thuật thông tin số, thiết bị hàng hải đƣợc phát triển với đặc trƣng bật: -Khả điều khiển từ xa thông qua máy chủ -Tài nguyên phần cứng phần mềm đƣợc dùng chung, thông tin thiết bị đƣợc nhiều thiết bị khác khai thác sử dụng -Độ tin cậy nhƣ chất lƣợng thông tin cao Cụ thể hệ thống la bàn: Hình 1.1 – Sơ đồ giao tiếp La bàn – mặt lặp – hệ máy trạm Trong đó: Gyro Compass: La bàn quay Magnetic Compass: La bàn từ Gyro Operator Unit: thiết bị điều chỉnh quay Steering Repeater: Mặt lặp Bridge Workstations: Hệ thống máy trạm Nguyên tắc hoạt động: La bàn quay đƣợc đồng với la bàn từ qua thiết bị điều chỉnh quay Số liệu góc phƣơng vị la bàn quay la bàn từ đƣợc chuyển thành liệu dạng số thông qua đĩa encoder Các liệu đƣợc đóng gói truyền đến hệ máy thống máy trạm thông qua chuẩn truyền thông NMEA 0183 Hoặc đƣợc truyền đến cho mặt lặp để thị phƣơng vị liệu La bàn MODULE Điều Khiển Cơ cấu báo Hình 1.2 – Nguyên lý báo mặt lặp la bàn Thành phần cấu báo LED7 Thành phần module điều khiển chip vi điều khiển họ AVR 1.3 CHUẨN TRUYỀN THÔNG NMEA 0183 1.3.1 Khái quát chung chuẩn giao tiếp NMEA 0183 NMEA 0183 tiêu chuẩn kỹ thuật cho giao tiếp kết hợp điện với tín hiệu thông tin liên lạc cho thiết bị hàng hải nhƣ echo sounder, máy dò ngang (sonar), máy đo gió (anemometer), gyrocompass, autopilot, thiết bị thu GPS Tiêu chuẩn đƣợc xây dựng Hiệp hội Điện tử Hàng Hải Quốc gia Mỹ (National Marine Electronics Association).Tiêu chuẩn thay cho tiêu chuẩn trƣớc NMEA 0180 NMEA 0182 Sắp tới đƣợc thay tiêu chuẩn NMEA 2000 Tuy nhiên, tiêu chuẩn đƣợc nâng cấp thƣờng xuyên Tiêu chuẩn điện đƣợc sử dụng EIA-422, hầu hết phần cứng với NMEA-0183 kết nối qua cổng EIA-232 Chuẩn NMEA đƣợc sử dụng mã ASCII đơn giản, phƣơng thức truyền Dữ liệu đƣợc truyền câu lệnh theo chiều từ máy Talker đến Listener thời điểm Trên sở đó, ngƣời ta mở Hình 4.6 – Chọn thông số quan trọng trình nạp chương trình Trong đó: Chip Erase: cho phép xóa chip Program FLASH: cho phép nạp file hex Verify FLASH: Kiểm tra lỗi chƣơng trình FLASH Data Reload: Tự động cập nhật liệu thay đổi file hex B4: Nạp chƣơng trình 50 Hình 4.7 – Nạp chương trình B5: Load chƣơng trình hoàn thành Ấn nút auto để bắt đầu load Khi xuất dòng chữ Erase,Write Flash,Verify Flash,Successfully done chƣơng trình nạp xong 51 Hình 4.8 – Load chương trình kết thúc 52 PHỤ LỤC Chƣơng trình cho mặt lặp la bàn thị số đƣợc trình bày dƣớiđây : #include #include #define giam PIND.2 #define tang PIND.3 // Standard Input/Output functions #include char num[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; char num2[] = {0x40, 0x79, 0x24, 0x30, 0x19, 0x12, 0x02, 0x78, 0x00, 0x10}; int i, thapphan=8,donvi=8,chuc=8,tram=8 ; int dosang=20,dem2=0 ,dem3=0,dem4=0; unsigned char dem=0; unsigned char start=0; unsigned char mang[15]; #define DATA_REGISTER_EMPTY (1