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船舶導航系統信息接口技術及應用實踐

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作者:陳永冰等
出版社:科學出版社出版時間:2021-09-01
開本: 其他 頁數: 280
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船舶導航系統信息接口技術及應用實踐 版權信息

船舶導航系統信息接口技術及應用實踐 內容簡介

本書主要內容包括單片機基礎和導航系統通用的信息接口技術兩部分。單片機基礎部分主要介紹51單片機基礎應用和擴展應用;導航系統通用的信息接口技術包括自整角機/旋轉變壓器軸角-數字轉換、異步串行通信、CAN總線和交換式以太網的技術基礎及其在導航系統中的基本應用方法,如典型接口電路設計、數據通信協議、數據網絡構建等,內容緊密聯系船舶導航系統中的應用實際。單片機基礎部分的內容可以為導航系統信息接口教學實踐奠定基礎。

船舶導航系統信息接口技術及應用實踐 目錄

目錄
第1章 51單片機基本應用 1
1.1 單片機概述 2
1.1.1 單片機的作用 2
1.1.2 單片機的發展歷史及現狀 3
1.1.3 如何學習單片機 8
1.2 單片機開發準備 8
1.2.1 Keil C51軟件的安裝 9
1.2.2 USB轉串口芯片CH340T驅動程序的安裝 10
1.2.3 STC單片機程序下載工具軟件 12
1.3 用單片機I/O口點亮LED燈 12
1.3.1 單片機的引腳和I/O口 13
1.3.2 單片機*小應用系統 13
1.3.3 LED燈的控制電路 15
1.3.4 軟件設計與下載 15
1.3.5 1個LED燈的循環亮滅控制 21
1.3.6 8個LED燈的亮滅控制 22
1.4 用單片機I/O口控制數碼管顯示 24
1.4.1 七段數碼管及其顯示控制 24
1.4.2 單片機控制數碼管亮滅的方法 25
1.4.3 數碼管控制芯片MAX7219 27
1.4.4 基于MAX7219的數碼管控制電路 31
1.4.5 數碼管顯示遞增計數值 32
1.5 用單片機I/O口讀取按鍵 34
1.5.1 按鍵布置方案 35
1.5.2 鍵盤消抖 36
1.5.3 讀取按鍵的軟件設計 36
1.5.4 單片機I/O口應用方法總結 42
1.6 單片機內部的定時器/計數器 43
1.6.1 單片機定時器/計數器的概念與設置 43
1.6.2 單片機定時器/計數器的工作方式 45
1.6.3 單片機定時器/計數器應用舉例 47
1.7 單片機內部的異步串行通信接口UART 49
1.7.1 關于異步串行通信的幾個概念 49
1.7.2 異步串行通信協議 51
1.7.3 51單片機的異步串行通信接口UART 52
1.7.4 8位方式串行通信舉例 56
1.7.5 9位方式串行通信舉例 57
1.7.6 51單片機P3口第二功能 59
1.8 單片機的中斷 60
1.8.1 中斷的概念 60
1.8.2 8051單片機的中斷源與中斷標志位 60
1.8.3 與中斷有關的特殊功能寄存器 61
1.8.4 有關中斷的單片機軟件設計 64
1.8.5 中斷應用舉例 66
1.9 單片機的存儲器 69
1.9.1 只讀存儲器 70
1.9.2 數據存儲器 70
1.9.3 特殊功能寄存器 72
1.9.4 存儲變量讀取速度的測試 74
本章練習題 78
第2章 51單片機擴展應用 79
2.1 液晶顯示器LCD1602的使用 80
2.1.1 字符型LCD1602簡介 80
2.2.2 LCD1602的讀寫時序 83
2.2.3 LCD1602的指令 84
2.2.4 在LCD1602上顯示字符 86
2.2 I2C總線及其應用舉例 89
2.2.1 I2C總線協議 89
2.2.2 I2C總線的通信時序 91
2.2.3 I2C總線器件AT24C02 92
2.2.4 AT24C02記錄開機次數 95
2.3 D/A轉換與A/D轉換 100
2.3.1 D/A轉換原理 101
2.3.2 A/D轉換原理 104
2.3.3 DA/AD轉換器PCF8591 109
2.3.4 用PCF8591進行電壓采樣與輸出 113
2.4 單片機定時器/計數器T2的應用 119
2.4.1 定時器T2的寄存器 120
2.4.2 定時器T2的三種工作模式 121
本章練習題 125
第3章 自整角機和旋轉變壓器信號接口技術 126
3.1 自整角機原理 127
3.1.1 控制式自整角機 128
3.1.2 力矩式自整角機 131
3.1.3 自整角機的電氣零位 133
3.2 自整角機軸角數字轉換技術 134
3.2.1 自整角機的信號特征 134
3.2.2 基于格雷編碼的軸角數字轉換 135
3.2.3 基于AD采樣的軸角數字轉換方法 137
3.2.4 基于軸角數字轉換模塊的軸角數字轉換電路 139
3.3 旋轉變壓器原理及接口技術 144
3.3.1 正余弦旋轉變壓器 145
3.3.2 線性旋轉變壓器 146
3.3.3 用一對旋轉變壓器測量差角 147
3.3.4 旋轉變壓器軸角數字轉換技術 148
3.4 數字軸角轉換技術 148
3.4.1 數字-自整角機/旋轉變壓器轉換器的原理 149
3.4.2 數字-自整角機/旋轉變壓器轉換器的應用 150
本章練習題 151
第4章 異步串行通信及其在船舶導航系統中的應用 152
4.1 串行通信技術概述 153
4.1.1 串行通信的含義與特點 153
4.1.2 數據傳送方式 153
4.1.3 信號調制解調 154
4.1.4 異步串行通信協議 155
4.1.5 同步串行通信協議 156
4.1.6 串行通信差錯控制 157
4.2 異步串行通信接口電氣標準 159
4.2.1 RS-232C接口標準 159
4.2.2 RS-422A接口標準 167
4.2.3 RS-485接口標準 170
4.2.4 RS-232C/RS-422A/RS-485三種接口標準電氣特性比較 173
4.2.5 RS-232C/RS-422A電氣特性測試實驗 174
4.3 異步串行通信在船舶導航系統中的應用 176
4.3.1 國際標準IEC61162與NMEA0183 176
4.3.2 NMEA0183接口協議與數據格式 177
4.3.3 基于NMEA0183的常用導航設備輸出典型報文 178
4.3.4 NMEA0183數據接收實踐—GPS/BD模塊報文接收顯示 182
本章練習題 183
第5章 CAN總線及其在船舶導航系統中的應用 185
5.1 CAN總線概述 186
5.1.1 CAN總線的由來 186
5.1.2 CAN總線的特點 187
5.1.3 CAN總線組網方法 187
5.2 CAN總線的報文幀 190
5.2.1 幀類型 190
5.2.2 數據幀與遠程幀格式 191
5.2.3 總線仲裁 194
5.2.4 位同步 195
5.2.5 位填充 196
5.3 CAN控制器SJA1000及其應用 197
5.3.1 SJA1000概述 197
5.3.2 SJA1000基本模式下的寄存器功能 199
5.3.3 SJA1000基本模式及應用實踐 210
5.3.4 SJA1000擴展模式及應用實踐 222
5.4 CAN收發器82C250 233
5.5 CAN總線在船舶導航系統中的應用 235
5.5.1 NMEA2000(IEC 61162-3)協議介紹 235
5.5.2 應用舉例 237
本章練習題 240
第6章 交換式以太網及其在船舶導航系統中的應用 242
6.1 計算機局域網概述 243
6.1.1 局域網的拓撲結構 243
6.1.2 共享式以太網 245
6.1.3 交換式以太網 246
6.1.4 以太網標準 248
6.1.5 局域網的層次結構與協議 249
6.1.6 數據的封裝 255
6.2 小型局域網組網實踐 258
6.2.1 IP地址和子網掩碼設置 258
6.2.2 設備配置與連接 259
6.2.3 測試網絡連通性 260
6.2.4 用ARP查詢MAC地址 261
6.2.5 用UDP收發工具收發數據 262
6.3 交換式以太網在船舶導航系統中的應用 265
6.3.1 國際標準IEC61162-450數據包 265
6.3.2 自定義數據格式舉例 266
本章練習題 270
參考文獻 271
附圖
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船舶導航系統信息接口技術及應用實踐 節選

第1章 51單片機基本應用 本章內容為單片機基礎應用知識,圍繞*常見也相對簡單的51單片機,學習單片機的I/O口、定時器、異步串行口、中斷、存儲器的應用方法。 1.1 單片機概述 1.1.1 單片機的作用 什么是單片機?首先,單片機的“機”指的是“計算機”。計算機是能夠存儲指令并自動執行指令、完成運算和邏輯操作的電子設備。計算機已經融入我們工作和生活的各個領域。需要計算機解決的問題千差萬別、多種多樣,大規模、高速度是計算機發展的一個方向,但在很多場合,如儀器儀表、測量控制等領域,需要計算機解決的是比較專一的問題,這時使用普通計算機好比是殺雞用了宰牛刀,使用單片機則會更加適合。單片機的特點是小而全,一般是在一塊芯片上集成了計算機的主要部件:算術邏輯單元(arithmetic logic unit,ALU)、存儲器、輸入輸出端口(簡稱I/O口),以及各種常用接口。限于體積和規模,單片機雖然有普通計算機的特征,但不具備常用個人計算機那么大的存儲容量、那么快的速度。那么單片機有什么作用呢?下面先來看看日常生活中哪些地方會使用單片機。 (1)冰箱。 冰箱的作用是產生并保持低溫,產生低溫需要依靠壓縮機運行,低溫低壓的液態制冷劑在冰箱內的蒸發器中吸收冰箱內的熱量后被壓縮機吸入,壓縮后變成高溫高壓的氣體,送到室外冷凝器中散熱后,重新變成液態回到冰箱內的蒸發器,吸收冰箱內的熱量,再排熱。如此循環,冰箱內的溫度不斷降低,到了需要的溫度后,壓縮機停止運行,溫度回升超過允許范圍時壓縮機再次啟動。那么怎樣測量冰箱內的實際溫度、控制壓縮機運轉、顯示溫度值及其他信息并接收人工設定呢?答案是單片機。圖1-1是單片機在冰箱中應用的典型控制原理圖。 圖1-1 單片機在冰箱中應用的典型控制原理圖 (2)洗衣機。 早期的洗衣機是全機械式控制,現在的全自動洗衣機幾乎都是用單片機控制。圖1-2是全自動洗衣機中典型的單片機控制原理圖。 圖1-2 洗衣機中典型的單片機控制原理圖 圖1-2中,單片機接收人工按鍵指令電源(開/關)、啟動/暫停、程序選擇、水位選擇等,接收重力傳感器的輸出,控制電機運行及排水閥的開閉,控制指示燈的亮滅及數碼管顯示。 (3)小家電。 單片機在小家電中的應用隨處可見,如電飯煲、微波爐、豆漿機、電子鐘等。 在工業應用領域,尤其是測控方面,單片機系統因其具有成本低、規模小、便于數字控制、完成特定功能編程方便等特點,應用非常普遍。單片機可以構成數據采集、信號檢測、無線感知系統等,結合控制部件,進行溫度、時間、液位、行程、姿態等控制。在工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統、與計算機聯網構成二級控制系統、物聯網系統、無人飛機、機器人等諸多方面,單片機的應用隨處可見。在汽車電子中單片機的應用也非常廣泛,如汽車中基于CAN總線的汽車發動機智能電子控制器、GPS導航系統、ABS防抱死系統、制動系統、胎壓檢測等。 在船舶導航系統中,單片機同樣發揮了重要作用。例如:在自動操舵儀中以單片機為微處理器進行船舶的航向控制、航跡控制;在計程儀中用單片機進行測量采集、解算、顯示速度航程、接收人工按鍵輸入;在測深儀中用單片機控制換能器發射聲波,采集回波信號并解算、顯示深度;在氣象儀中用單片機采集風速信號并顯示,如圖1-3所示。 1.1.2 單片機的發展歷史及現狀 單片機應用市場巨大,國際上有多家公司都有單片機產品。為滿足不同的應用,單片機并沒有一種固定的形式,規模大小、功能強弱、速度快慢、封裝形式均是多種多樣的。其中,51系列單片機是一個基礎的單片機系列。那么什么是51系列單片機?這要從單片機的發展歷史說起。 單片機的發展與PC的微處理器的產生大體同步,1971年美國Intel公司研制出4位處理器Intel 4004后不久,就出現了單片機。1975年,TI公司推出了4位單片機TMS-1000。隨后,Intel公司推出了系列化的單片機產品,可以說是單片機產品的代表。 圖1-3 應用單片機的常見導航設備 1976年,Intel公司推出了MCS-48系列8位單片機,其內集成了8位微處理器、8位并行I/O口、8位計數器/定時器、隨機存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)等部件,使單片機的發展進入了實用階段。 1980年,Intel公司推出了以8031、8051為代表的8位MCS-51系列單片機,形成了經典的8051內核。MCS-51系列單片機內集成的ROM、RAM尋址空間達到64 KB,具有16位計數器/定時器,還集成了串行通信口,具有兩級中斷處理能力。8位單片機的應用比較普遍,長盛不衰,具有8051內核的處理器不斷推出,形成了具有經典性、生命力頑強的系列單片機。直到現在,8位單片機仍然大量使用,是單片機中的主流品種。 1982年,Intel公司推出了MCS-96系列16位單片機。但從實際應用來看,16位單片機的應用并沒有8位單片機普遍。原因可能是其處于比較尷尬的位置,高不成、低不就。從大量簡單的測控應用場合的需要來看,8位單片機的性能就夠用了。 除Intel公司外,STC、Atmel、Philips、motorola、TI、NEC、AMD、MICROCHIP、SΛMSUNG等公司都有自己的單片機產品。 目前單片機的發展主要有以下兩個特征。 (1)51內核單片機仍然大量使用,但在51內核的基礎上,各公司的單片機產品又加入了自己的設計,擴展了功能,如集成了DA轉換器、AD轉換器、SPI接口、I2C接口、CAN接口等,一般使用Flash存儲器作為只讀存儲器。Flash存儲空間、RAM空間對簡單應用足夠大,用戶幾乎不需要考慮擴展問題,這使得單片機的應用更加便捷。 (2)各公司推出了速度快、容量大、接口豐富的高性能單片機。例如,ST公司推出的Cortex-u內核的32位STM32系列單片機,新唐公司推出的NUC140、240系列32位單片機等,包含了以太網、CAN、USB等接口,速度快,功能非常強,可以完成諸如船舶的運動控制等比較復雜的運算和控制工作,構建網絡也比較方便。 不同的51內核8位單片機雖然有不同的功能擴展,但其基本部分的結果是大致相同的。單片機的內部資源都掛接在單片機內部總線上,通過內部總線傳送數據和指令。51內核單片機的內部*基本結構類似,如圖1-4所示。 圖1-4 51內核單片機內部*基本結構 51內核單片機的內部主要包括如下*基本資源。 (1)8位數據總線的CPU,CPU是單片機內的核心部件,主要功能是產生各種控制信號、控制存儲器和端口的數據傳送、完成數據運算等。 (2)片內振蕩器和時鐘電路,配合外部晶振產生單片機工作時需要的基本時鐘頻率,單片機執行指令的速度以此基本時鐘頻率為準。 (3)片內只讀存儲器ROM,用于存儲程序,一般為Flash存儲器,4~64 KB不等。例如:Atmel公司AT89C51的Flash存儲器為4 KB,AT89C52為8 KB,AT89C55為20 KB;Winbond公司的W78E58為32 KB;STC公司的STC89C516RD + 為64 KB,STC90C52RC為8 KB。Flash存儲器的大小一般能從型號上看出來。 (4)片內RAM,存儲大小也不等,*基本的8051為128 B,8052為256 B。增強型51單片機一般均擴展了 RAM 的存儲大小,例如,Silicon Labs 公司的 C8051F340 為 4352 B,STC89C516RD + 為4 KB,STC90C52RC為512 B。 (5)16位定時器/計數器,*基本的8051有2個,8052有3個,增強型的定時器/計數器數量也增加了,多的有6個。 (6)8位并行I/O接口,基本DIP封裝的Intel 8051、Intel 8052為40個引腳,均有4個8位I/O口,即P0、P1、P2、P3。很多增強型的單片機引腳增多了,常見的引腳數有44、64、100、144等;I/O口也增加了不少,需要較多I/O口時,直接選引腳多的即可。同一型號、不同的封裝形式,I/O口的數量也可能不一樣。例如,TQFP封裝的AT89C52單片機有44個引腳,比基本DIP封裝的多4個引腳,這4個引腳就作為P4口來用(只有4位)。同樣,也有引腳少的單片機。例如,AT89C2051、AT89C4051有20個引腳,只有P1、P3口,沒有P0、P2口。 (7)全雙工異步串行接口,基本的8051、8052單片機均有1個,一些增強型的51單片機有2~4個。 (8)中斷系統,可以實現外部中斷、內部定時器中斷、串行口中斷等程序中斷功能。 不同型號的單片機,內部資源也不一樣,短時間內將所有的單片機型號都搞清楚是沒有必要的,也是不可能的。我們學習時,需要注意兩點:一是能熟練運用51單片機的基本資源;二是對增強型單片機的增強資源,會查找其資料,用到時再學習其用法。平時要多積累,了解有哪些單片機,它們分別有哪些特點和功能,這樣有助于使用時選型。 表1-1~表1-4為Intel公司早期的MCS-51系列單片機和目前市場上部分常見的單片機內部主要資源。 表1-1 Intel公司早期的MCS-51系列單片機主要產品及其性能 表1-2 Atmel公司的89系列單片機部分產品及其性能 表1-3 Silicon Labs公司的C8051系列單片機主要產品及其性能

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