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基于USB的航海雷达模拟器的设计与实现

作　者: 盛威
导　师: 施朝健；黄震民
学　校: 上海海事大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 航海模拟器通用串行总线雷达接口
分类号: U666.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

安装在船舶上的雷达是船长的眼睛，是必不可少的主要助航设备。它的主要优点是：第一，船用雷达显像直观，使用方便，定位测量比较准确；第二，船用雷达能在雨、雪、雾和夜航等不利条件下探测物标，且作用距离远。船用雷达的这种作用，在船上众多的助航仪器中是独一无二的。因此，国际海事组织(IMO)对各类船舶必须装备船用雷达的数量和性能都作了具体的规定。 STCW公约明确要求500总吨或以上船舶，负责航行值班的高级船员能使用雷达和自动雷达标绘仪保持安全航行。而操作、解释和分析雷达获得的信息的能力的培训必须通过航海雷达模拟器。正因为如此，航海雷达模拟器在航海教学中占据十分重要的地位，模拟器教学将进一步加强。近几年，国内不少单位都在研制以单片机为基础的AVIMA模式的雷达信号发生器，显然这种方法在研制大型雷达导航模拟器时已很难符合STCW公约的要求。以PC机为基础，加上PC机的雷达接口，用图形方式来研制雷达导航模拟器是一种新的趋势。由于USB技术较新，及其众多优点背后的协议及设计应用的复杂性，所以当前还未出现基于USB技术的航海雷达模拟器。因此，研究并设计基于USB的雷达模拟器是一个具有重要价值的课题。整个有关论文的理论部分着重分析了USB协议的重要内容，并开发了相应的软件进行了测试和实验。有关论文的实践部分主要分为软件设计和硬件设计两部分。硬件电路的设计涵盖了雷达微机的USB连接电路，雷达视频数据的传输、转换及放大电路，触发信号、方位信号、船首信号、计程仪信号及罗经信号的产生及驱动电路。在设计过程中，利用Protel 99SE设计了硬件电路，并且采用了多种抗干扰的可靠性措施。嵌入式软件是在KEIL集成环境下用C语言及汇编语言编写并调试的，主要包括了嵌入式软件的总体框架，视频信号数据通过GPIF接口控制传输程序，触发信号、方位信号及船首信号的产生程序。 WDM驱动程序提供了系统中雷达微机应用程序和USB设备通信的主要功能。雷达微机应用程序提供了模拟器与用户交互，雷达数据传输，雷达接口控制等主要功能。本课题实现的利用USB技术的航海雷达模拟器，在图像传输的稳定性和准确性上都达到了雷达模拟器的要求。

全文目录

第一章绪论  8-13
  1.1 论文的选题及背景  8-9
  1.2 通用串行总线简介  9-10
  1.3 基于USB2.0的航海雷达模拟器的系统架构及设计要求  10-12
  1.4 本文的篇章结构  12-13
第二章 USB2.0通信协议分析  13-31
  2.1 USB2.0数据流模型  13-17
    2.1.1 实现者的视图  13-14
    2.1.2 USB通信流  14-16
    2.1.3 传送类型  16-17
  2.2 USB协议层  17-31
    2.2.1 位定序  17
    2.2.2 同步字段  17
    2.2.3 包字段格式  17-19
      2.2.3.1 包标识符字段  17-18
      2.2.3.2 地址字段  18
      2.2.3.3 端点字段  18-19
      2.2.3.4 帧号字段  19
      2.2.3.5 数据字段  19
      2.2.3.6 循环冗余校验字段  19
    2.2.4 包格式  19-23
      2.2.4.1 标记包  19-20
      2.2.4.2 帧开始包  20
      2.2.4.3 数据包  20
      2.2.4.4 握手包  20-21
      2.2.4.5 握手回答(Handshake Response)  21-23
    2.2.5 事务格式  23-28
      2.2.5.1 批量事务  23-24
      2.2.5.2 控制传送  24-26
      2.2.5.3 中断事务  26-27
      2.2.5.4 同步事务  27-28
    2.2.6 数据切换同步和重试  28-31
      2.2.6.1 通过建立标记初始化  28
      2.2.6.2 成功的数据事务  28-29
      2.2.6.3 损坏,或者不被接受数据  29
      2.2.6.4 损坏的ACK握手  29-31
第三章系统硬件设计  31-44
  3.1 系统总体构成  31
  3.2 雷达微机部分  31
  3.3 雷达接口部分  31-41
    3.3.1 USB雷达接口芯片选型  31-37
      3.3.1.1 FX2微处理器  32-33
      3.3.1.2 FX2的端点  33-34
      3.3.1.3 FX2的枚举和再枚举过程  34
      3.3.1.4 FX2的中断机制  34-35
      3.3.1.5 FX2接口模式  35-37
    3.3.2 雷达接口设备硬件电路设计  37-41
      3.3.2.1 USB连接电路  38
      3.3.2.2 5V-3.3V电压转换电路  38-39
      3.3.2.3 I~2C接口电路  39
      3.3.2.4 串口电路  39-40
      3.3.2.5 键盘和显示电路  40-41
  3.4 各类信号转换电路  41-44
    3.4.1 雷达视频信号产生电路  41-43
    3.4.2 触发,船首,方位,罗经和计程仪信号驱动电路  43-44
第四章系统固件设计  44-51
  4.1 外设描述符表  44-45
  4.2 USB设备请求  45
  4.3 固件程序的编制  45-51
    4.3.1 固件架构  45-48
    4.3.2 GPIF控制程序  48-50
    4.3.3 触发信号、方位信号、船首信号、计程仪信号及罗经信号固件程序  50-51
第五章系统驱动程序设计  51-58
  5.1 WDM驱动程序的特点  51-53
  5.2 USB设备驱动程序的开发  53-57
  5.3 USB设备驱动程序的安装  57-58
    5.3.1 检测新硬件  57
    5.3.2 添加注册表项  57-58
第六章应用程序设计  58-63
  6.1 基本原理  58-59
  6.2 USB功能测试应用程序  59-60
  6.3 雷达模拟器应用程序  60-63
第七章结论与展望  63-64
  7.1 研究的成果  63
  7.2 进一步的研究考虑  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
附录A 系统硬件电路原理图  68-71
附录B 设备描述符表  71-75
附录C 中断向量跳转表  75-77
攻读硕士学位期间的科研工作和论文的发表情况  77

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