張 超 ,范娟利 ,章傳銀 ,方書山

(1.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830； 2.山東科技大學(xué)，山東 青島266510；3.中測新圖(北京)遙感技術(shù)有限責(zé)任公司,北京 100039)

0 引 言

隨著計算機通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)被用到測繪行業(yè)獲取高質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)，但正確的獲取觀測數(shù)據(jù)是測量的根本，也是避免誤差的重要措施之一。全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的數(shù)據(jù)格式遵循NEMA-0183協(xié)議，目前關(guān)于解析該類的文獻很多，但是這些文獻有的是簡單介紹一下單行數(shù)據(jù)的解析，有的是基于后處理的數(shù)據(jù)解析，有的是沒有結(jié)合讀取串口或者網(wǎng)口數(shù)據(jù)流來分析，而基于ASCII的無地址格式數(shù)據(jù)的解析更是少之又少。

在實際應(yīng)用中，GPS接收機、羅經(jīng)方位系統(tǒng)、數(shù)字羅盤等儀器輸出的數(shù)據(jù)都是NEMA-0183格式的數(shù)據(jù)[1]。另外，一些硬件廠商為了產(chǎn)品需求，方便數(shù)據(jù)收發(fā)而自定義各自的數(shù)據(jù)通信格式(用戶層面的通訊協(xié)議)的數(shù)據(jù)。

基于上述情況，本文以NEMA-0183格式數(shù)據(jù)與U型激光傳感器所示的基于ASCII碼的無地址格式數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹基于串口 NEMA-0183 格式和ASCII無地址實時數(shù)據(jù)流的解析。

1 NEMA-0183 格式與基于ASCII無地址格式數(shù)據(jù)流說明

NEMA 0183是美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA )為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會(RTCM)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NEMA-0183 格式數(shù)據(jù)串的所有數(shù)據(jù)都采用 ASCII文本字符表示，數(shù)據(jù)傳輸以“$”開頭，后面是語句頭。語句頭由五個字母組成，分兩部分，前兩個字母表示“系統(tǒng)ID”，即表示該語句是屬于哪種系統(tǒng)，后面三個字母表示“語句ID”,表示該語句是關(guān)于哪方面的數(shù)據(jù)。語句頭后是數(shù)據(jù)體，包含不同的數(shù)據(jù)體字段，語句末尾為校驗碼(可選，由十六進制組成)，以回車換行符結(jié)束，單句數(shù)據(jù)結(jié)束前還有一個標(biāo)示字符“*”。數(shù)據(jù)字段以逗號分隔識別，空字段保留逗號。其通用格式如：$AABBB，<1>，<2> ，…，<12>*hh.一般NEMA-0183 格式數(shù)據(jù)以串口數(shù)據(jù)流形式輸出，其含有多條 NEMA-0183格式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流形式如“…$AABBB，<1>，<2>，…，<12>*hh…$AABBB，<1>，<2>，…，<12>*hh…”的一大串多條語句一起連續(xù)輸出，其中每條語句最多包括82個字符(包括回車換行符和“$”符)[2]。

NEMA-0183協(xié)議是GPS接收機應(yīng)當(dāng)遵守的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，也是目前GPS 接收機上使用最廣泛的協(xié)議，大多數(shù)常見的GPS接收機、GPS數(shù)據(jù)處理軟件、導(dǎo)航軟件都遵守或者至少兼容這個協(xié)議。本文中使用的是 NovAtel 的GPS-OEMV4板接收機。其輸出的數(shù)據(jù)格式$GPGLL，5106.9802869，N，11402.3037325，W，182147.00，A*1C。其中$GPGLL 為語句頭，5106.9802869表示51°06.9802869分，N表示緯度，11402.3037325表示 114°02.3037325 s，W表示經(jīng)度,182147.00表示18點21分47.00秒，A表示數(shù)據(jù)可用，如果是V表示數(shù)據(jù)不可用，*標(biāo)示此句馬上結(jié)束，1C為校驗和。

導(dǎo)航用的三維數(shù)字羅盤也輸出 NEMA-0183格式數(shù)據(jù)，數(shù)字羅盤主要輸出姿態(tài)(航向、橫滾、俯仰)數(shù)據(jù)，本文以型號為XW_EC1730的電子羅盤為例，其串口輸出的 NEMA-0183 數(shù)據(jù)格式舉例：$C220.6，P4.5，R0.3，X-8.20,Y-10.74,Z-20.33,T15.0*49.其中$：數(shù)據(jù)包幀頭，C220.6：航向角，值為220.6°，P4.5：俯仰角，值為4.5°，R0.3：橫滾角，值為0.3°，X-8.20：X軸磁場強度，值為-8.20，Y-10.74：Y軸磁場強度，值為-10.74，Z-20.33，Z軸磁場強度，值為-20.33，T15.0：傳感器溫度，值為15.0，*49，校驗和。

基于ASCII無地址格式數(shù)據(jù)是廠商根據(jù)串口通信用戶層協(xié)議編制原則：1) 數(shù)據(jù)包必須有包頭；2) 非定長數(shù)據(jù)包必須有包尾；3) 一般應(yīng)對數(shù)據(jù)進行檢校；4) 要求便于觀察的數(shù)據(jù)應(yīng)該在結(jié)尾加入換行等符號；5) 要求更新快的數(shù)據(jù)，應(yīng)盡量簡短[3]自定義通信協(xié)議的典型。其數(shù)據(jù)格式是$<1>,<2>,<3>…$<1>,<2>,<3>…$<1>,<2>,<3>…，……,該數(shù)據(jù)格式與NEMA-0183數(shù)據(jù)格式最大的區(qū)別：1) 沒有類似于符號“*”的數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)示符；2) “$”符號后的字段數(shù)不固定；3)每個字段長度也不固定。例如：A.如果現(xiàn)在只需要測量距離信息和激光反射強度，通過串口寫數(shù)據(jù)函數(shù)，設(shè)置好后其數(shù)據(jù)流為$BM10.841，22348$BM10.842,22355$BM10.840,22991……，說明所測距離為10.841 m、10.842 m和10.840 m，分別對應(yīng)的激光反射強度為22348B、22355B、22991B.如果僅需要測量距離信息，同樣通過串口寫數(shù)據(jù)函數(shù)，設(shè)置好后其數(shù)據(jù)流為$BM20.882$BM21,235$BM20.013……，其中所測距離分別為20.882 m、21,235 m、20.013 m.

2 NEMA-0183 格式與基于ASCII無地址格式數(shù)據(jù)流解析

將GPS串口、數(shù)字羅盤串口、U型傳感器串口分別與電腦連接，利用串口調(diào)試工具查找各自對應(yīng)串口號。將GPS串口波特率設(shè)置為115 200，羅盤串口波特率設(shè)置為192 00，U型激光傳感器的波特率設(shè)置為115 200.GPS 串口輸出的數(shù)據(jù)類型為 NEMA-0183 格式的 GPGLL 數(shù)據(jù)，其包含測站位置數(shù)據(jù)(測站經(jīng)緯度、 對應(yīng)時間、狀態(tài)及檢校位)。數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)流包含姿態(tài)數(shù)據(jù)(俯仰角、方位角及翻滾角)。U型傳感器數(shù)據(jù)流包含測距數(shù)據(jù)或激光反射強度信息。連接本文設(shè)計的程序，設(shè)置好各自串口號及波特率，連接成功后通過串口采集兩種格式的ASCII數(shù)據(jù)，將所需數(shù)據(jù)解析提取并存儲。

串行口的本質(zhì)功能是作為CPU和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器，當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU經(jīng)過串口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行位。在接收數(shù)據(jù)時，串口的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在Windows環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一部分，應(yīng)用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請(打開串口)，通信完成后必須釋放資源(關(guān)閉串口)[4-7]。那么按照上節(jié)兩種格式的ASCII數(shù)據(jù)流的規(guī)律及區(qū)別，對串口數(shù)據(jù)流的讀取，采用如圖1所示的思路設(shè)計串口類。

圖1 串口數(shù)據(jù)流解析流程圖

2.1 串口類設(shè)計

本文串口類的設(shè)計以多線程串口類CSerialPort為基礎(chǔ)，需要用到的主要函數(shù)有：打開關(guān)閉串口函數(shù)、串口參數(shù)設(shè)置和初始化函數(shù)、串口讀寫函數(shù)。

本文中，串口類名為：CSerialCom.定義如下：

class CSerialCom

{

……

public:

HANDLE m_hComm; //串口句柄

BOOL CreateComEvent();//建立串口通訊事件

BOOL OpenPort(int port); //打開串口，即通知其他程序禁用此串口

BOOL ConfigurePort(int baud, int timeout); //串口參數(shù)的設(shè)置和初始化

ReadFile(m_hComm, unsigned char*data, DWORD len, DWORD &read, NULL);//讀串口數(shù)據(jù)

WriteFile(m_hComm, unsigned void*data, DWORD len, DWORD &read, NULL); //寫串口數(shù)據(jù)

BOOL ClosePort(int port);//關(guān)閉使用的串口，即釋放串口以供其他程序使用

……

};

根據(jù)所需數(shù)據(jù)的類型，設(shè)計該類時只用了簡單的同步I/O數(shù)據(jù)讀寫方式。其中所用函數(shù)為Windows API函數(shù)，具體使用說明可查閱相關(guān)資料。

2.2 解析NEMA-0183格式數(shù)據(jù)流與基于ASCII無地址格式數(shù)據(jù)流類的設(shè)計

由于GPS-OEM板卡輸出的數(shù)據(jù)格式與羅盤XW_EC1730輸出的數(shù)據(jù)格式都是NEMA-0183格式數(shù)據(jù)，是特殊數(shù)據(jù)格式。U型激光傳感器輸出的數(shù)據(jù)格式為基于ASCII的無地址格式數(shù)據(jù)，是以串口通訊標(biāo)準(zhǔn)的最基本形式。所以以U型激光傳感器輸出的基于ASCII無地址格式數(shù)據(jù)流為例。NEMA-0183數(shù)據(jù)流的解析只需在此基礎(chǔ)上稍作修改即可。

設(shè)計U型激光傳感器的基于ASCCII無地址格式數(shù)據(jù)解析類，命名為CLaserThread。利用多線程函數(shù)的功能，設(shè)計虛成員函數(shù)為Run函數(shù)。Run函數(shù)的功能就是從串口中讀取數(shù)據(jù)、解析并存儲數(shù)據(jù)。

CLaserThread的定義如下：

class CLaserThread:public CWinThread,public CSerialCom

{

public:

virtual int Run();//接收并解析串口數(shù)據(jù)

bool StoreData();//數(shù)據(jù)存儲函數(shù)

}

其中CWinThread為系統(tǒng)自帶類，具體功能可查閱相關(guān)資料。

由第1節(jié)U型激光傳感器的基于ASCII無地址格式數(shù)據(jù)流的規(guī)律，通過串口數(shù)據(jù)解析的方法為：先讀取緩存中的所有數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進行解析。由于該數(shù)據(jù)只有數(shù)據(jù)頭標(biāo)示符“$”，沒有結(jié)束符標(biāo)志，就需要特殊的方法來解析緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，指針首先找到“$”字符，然后下移直到再次遇到“$”字符，去掉最后一個“$”字符后就可以提取出第一組數(shù)據(jù)，按照事先測試的每個逗號前的數(shù)據(jù)內(nèi)容，以“，”為標(biāo)志提取相關(guān)數(shù)據(jù)，而“$”前的最后一個數(shù)據(jù)可通過用該組數(shù)據(jù)的總長度減去截止最后一個逗號的字符串長度來獲取，關(guān)鍵在提取第二組數(shù)據(jù)時，指針起始位置需向上移動一位，這樣再按照第一組數(shù)據(jù)提取的方式進行解析就可以得到第二組數(shù)據(jù)。如此反復(fù)，就可以將讀入緩存區(qū)的數(shù)據(jù)解析完。其實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 基于ASCII無格式數(shù)據(jù)流解析過程

按照上述方法設(shè)計Run函數(shù)，如下：

int ClaserThread::Run()

{

unsigned char szBuffer[2048];//設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小

DWORD nReadLen = 0;//緩沖區(qū)中被讀取的字節(jié)數(shù)

int nLeftLen = 0; //未解析剩余的字節(jié)數(shù)

DWORD nOffset = 0; //每次解析完的字節(jié)數(shù)

DWORD nIndexEnd = 0; //結(jié)束符索引值

//讀取羅盤串口數(shù)據(jù)

ReadData(szBuffer + nLeftLen, sizeof(szBuffer) -nLeftLen -1, nReadLen); nLeftLen += nReadLen;

nOffset = 0;

while(nLeftLen>0){

while(nLeftLen>0){

if(szBuffer[nOffset] == '$')break;//找到數(shù)據(jù)包的幀頭

nOffset += 1;nLeftLen -= 1;}

while(int(nIndexEnd -nOffset) <= nLeftLen && nIndexEnd < (sizeof szBuffer))

{

switch(szBuffer[nIndexEnd])

{case '$':isFind=1;//是否找到數(shù)據(jù)包幀頭標(biāo)志$

break;

default:isFind=0;break;}

if (isFind){break; } else{nIndexEnd+=1; continue; }}

//如果數(shù)據(jù)包不完整情況就舍棄

if(int(nIndexEnd -nOffset) > nLeftLen|| szBuffer[nIndexEnd] == 0)

{

memmove(szBuffer, szBuffer + nOffset, nLeftLen);break;}

nLeftLen -= (nIndexEnd -nOffset + 1);

…………

while(nOffset < nIndexEnd)

{

for(int i=2;lastData;i++){

if(*(szBuffer+i)==44){

L=atof((const char*)(szBuffer+2+nOffset));//距離值

S=atof((const char*)(szBuffer+i+nOffset));//激光強度大小

lastData=false;//判斷是否到數(shù)據(jù)包結(jié)尾

StoreData();//將提取的測量數(shù)據(jù)存儲起來

}}

if (szBuffer[nIndexEnd]==_T('$')) //查找下一個字段的開始標(biāo)示符$

{nLeftLen-=nIndexEnd+1;

nOffset=nIndexEnd;}}}

::PostThreadMessage(m_nThreadID, WM_QUIT, 0, 0);

return CWinThread::Run();

}

由于篇幅限制，Run函數(shù)中部分內(nèi)容省去，僅留關(guān)鍵部分。

對于NEMA-0183格式數(shù)據(jù)流的解析，以數(shù)字電子羅盤數(shù)據(jù)為例。其解析方法為：先讀取緩存中的所有數(shù)據(jù)，然后再對數(shù)據(jù)進行解析。針對NEMA-0183格式數(shù)據(jù)每句都是以“$”開頭，以“*”符號標(biāo)示結(jié)尾，他們之間的數(shù)據(jù)就是我們所需要的姿態(tài)數(shù)據(jù)。將這之間按“P”“C”“R”的標(biāo)志將三個姿態(tài)數(shù)據(jù)提取出來。解析完該句后，指針繼續(xù)下移，分別找到“$”字符和“*”字符。又解析出下組數(shù)據(jù)，如此反復(fù)直到解析完該緩存區(qū)中的所有數(shù)據(jù)。等下一時刻緩存區(qū)存儲數(shù)據(jù)后再次進行解析，重復(fù)以上步驟就可實時獲取所需數(shù)據(jù)。其實現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 NEMA-0183格式數(shù)據(jù)流解析過程

NEMA-0183數(shù)據(jù)流解析的實現(xiàn)過程可在基于ASCII無地址格式數(shù)據(jù)流解析過程基礎(chǔ)上將代碼稍作調(diào)整即可。

3 測 試

由于實時數(shù)據(jù)流速率和大小的不確定性，作者基于vs2008sp1平臺上編寫了能夠同時接收多個串口數(shù)據(jù)的多線程程序，利用上述數(shù)據(jù)解析方法，通過自制控制板卡(串口轉(zhuǎn)USB接口控制)，將連接好天線的NovAtel-OEM4板卡、數(shù)字羅盤和U型激光傳感器與PC連接，分別實現(xiàn)了NovAtel-OEM4板卡的GPS數(shù)據(jù)解析(需將存儲文件通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換軟件分離出觀測文件、導(dǎo)航文件及氣象文件中的相關(guān)數(shù)據(jù))，數(shù)字羅盤數(shù)據(jù)解析和U型激光傳感器的基于ASCII碼的無地址數(shù)據(jù)解析。為方便查看和使用所獲數(shù)據(jù)，電子羅盤數(shù)據(jù)和基于ASCII碼的無地址數(shù)據(jù)按照所需的設(shè)計格式進行存儲。如表1所示。

表1 解析結(jié)果示例

由于篇幅限制，對GPS數(shù)據(jù)的解析[8-9]不作列出。

4 結(jié)束語

通過對基于ASCII無地址格式與NEMA-0183格式實時數(shù)據(jù)流解析方法介紹與程序編寫，實現(xiàn)了相關(guān)數(shù)據(jù)的提取，驗證了上述解析方法的適用性。如果按照串口通信中用戶層協(xié)議一般編制原則，其他類似數(shù)據(jù)格式的ASCII數(shù)據(jù)，就可以以NEMA-0183格式數(shù)據(jù)和基于ASCII碼無地址格式數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照需求目的，在原有代碼基礎(chǔ)上，稍作改動，就可獲取所需測量信息。

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