摘  要： 為了提高船舶試航測試系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)的精確性與可靠性，同時適應(yīng)現(xiàn)代試航測試系統(tǒng)的整體性能要求，開發(fā)了一種基于GPS的船舶試航數(shù)據(jù)提取與存儲系統(tǒng)。建立了總體架構(gòu)，提出了基于多線程的GPS串口通信和SQL數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)處理改進技術(shù)，開發(fā)了軟件系統(tǒng)。通過測試，證明新技術(shù)在提高試航定位數(shù)據(jù)性能方面效果顯著，同時精度符合實際需求。
關(guān)鍵詞： 全球定位系統(tǒng)；串口通信；多線程；微軟基礎(chǔ)類編程；應(yīng)用程序編程接口

　船舶試航是新船出廠前的一個重要測試過程，其目的在于測試船舶的航行性能，并對船舶設(shè)計方的設(shè)計做出評價，同時這些船舶實際航行的測試資料，可以為設(shè)計方設(shè)計新船舶時提供參考。
　船舶試航大部分采用GPS獲取船舶的定位數(shù)據(jù)，由計程儀、羅經(jīng)等相關(guān)設(shè)備記錄參數(shù)，然后通過計算和繪制航跡曲線獲得船舶性能。傳統(tǒng)試航作業(yè)中，一般通過手工和計算機輔助設(shè)備獲得數(shù)據(jù)，人工干預(yù)度高，難以有效獲得精確度高的數(shù)據(jù)，已無法滿足現(xiàn)代試航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)性能要求。
　目前船廠所用的船舶試航系統(tǒng)軟件大多工作在DOS界面上，存在穩(wěn)定性差、數(shù)據(jù)安全性弱、移植性差以及人機交互不夠友好等問題。為克服DOS系統(tǒng)帶來的不便，2001年華南理工大學(xué)開發(fā)了一套基于VB開發(fā)的GPS船舶測試系統(tǒng)，整個系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較為清晰，但由于VB本身特點，對數(shù)據(jù)處理性能以及系統(tǒng)穩(wěn)定性有著一定的局限性。2006年，上海海事大學(xué)發(fā)表了一篇題為《基于GPS的船舶航行試驗系統(tǒng)研究》的論文，在VC++平臺上，應(yīng)用GPS技術(shù)、計算機處理技術(shù)設(shè)計了一套完整的試航測試系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，但仍然存在數(shù)據(jù)接收和不能進行同步處理的問題。
　為改善已有試航數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能，有效提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與可靠性，本文在VC++平臺上，通過多線程技術(shù)以及數(shù)據(jù)提取方式的優(yōu)化，提出一個新的GPS船舶試航數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于實時有效地接收處理GPS定位數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)精度，并結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)安全存儲。
1 系統(tǒng)組成
　GPS船舶試航數(shù)據(jù)提取與存儲系統(tǒng)是GPS船舶試航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、處理、存儲部分，主要由兩大部分組成，如圖1所示。其中，GPS串口通信部分主要是對GPS接收機中接收到的船舶的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)進行提取處理；數(shù)據(jù)庫存儲部分將提取處理后的有用數(shù)據(jù)按照一定的格式存儲入數(shù)據(jù)庫以供后期使用。

2 GPS串口通信
　GPS接收機通過串口與PC機相連，將GPS定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機，作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。由于本系統(tǒng)工作在現(xiàn)場，需要滿足實時穩(wěn)定的通信需求，并保證接收到的GPS數(shù)據(jù)的有效性與完整性。為此，本文采用基于多線程的串口通信技術(shù)，能做到在接收定位數(shù)據(jù)的同時，對其進行提取處理。
2.1 串口通信編程
　GPS串口通信的開發(fā)模式通常有Windows API、串口通信組件MSComm及第三方串口通信類。
　其中，MSComm控件雖然編程簡單，但是由于進行了大量封裝，其編程的靈活性、穩(wěn)定性、可控性較差；第三方串口通信類是個介于WinAPI與MScomm控件之間的方式，有一定的封裝性，但相對靈活可控，唯一的缺陷在于移植性要遜于API函數(shù)。新船試航系統(tǒng)需要一個能滿足較高精度，工作在現(xiàn)場，并且可以根據(jù)需要適應(yīng)各種設(shè)備的數(shù)據(jù)提取與存儲系統(tǒng)。同時API函數(shù)法作為與計算機底層設(shè)備聯(lián)系最為緊密的一種實現(xiàn)方法，與MSComm控件和第三方通信類相比，應(yīng)用于多線程系統(tǒng)時有更好的穩(wěn)定性。因而API函數(shù)法能更好滿足試航系統(tǒng)需求，故本文采用API函數(shù)法來實現(xiàn)串口通信。
2.2 多線程編程
　Windows多線程編程可以使用兩種方法：直接使用Win32 API或MFC線程技術(shù)。其中MFC編程較為簡便，更方便實現(xiàn)界面線程。在MFC線程技術(shù)中，線程分為用戶界面線程和工作者線程。用戶界面線程有自己的消息隊列和消息循環(huán)來處理界面消息，用來與用戶進行交互；工作者線程沒有消息循環(huán)，一般用來完成后臺工作。
　結(jié)合實際需要以及編程的難易程度，本文選擇MFC線程技術(shù)實現(xiàn)多線程。
2.3 多線程串口通信的實現(xiàn)
　串口通信部分分為數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)接收兩大部分。數(shù)據(jù)處理主線程CDataFlow，用于對接收到的數(shù)據(jù)提取處理；數(shù)據(jù)接收工作線程CThreadCom，用于監(jiān)視串口狀態(tài)以及對GPS數(shù)據(jù)的接收。其中用WaitCommEvent函數(shù)對串口進行監(jiān)視，一旦有數(shù)據(jù)到達，即可讀取進緩存區(qū)，從而增加了數(shù)據(jù)的實時性。數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)處理兩個線程的流程如圖2所示。

　從圖中可以看到，接收到的數(shù)據(jù)將從緩沖區(qū)中讀出并存儲在緩存數(shù)據(jù)文件中，這樣既可以不必考慮數(shù)據(jù)處理速度對于數(shù)據(jù)接收所造成的影響，也不會造成丟失數(shù)據(jù)幀，在數(shù)據(jù)實時接收的同時，保證了數(shù)據(jù)接收的完整性。下面分別說明數(shù)據(jù)處理主線程與數(shù)據(jù)接收線程的具體實現(xiàn)。
　（1）GPS數(shù)據(jù)格式
　在說明如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收之前，本文先討論一下GPS接收機的數(shù)據(jù)接收格式。GPS數(shù)據(jù)遵循NMEA0183協(xié)議，該協(xié)議主要用來傳輸GPS定位信息，衛(wèi)星信息、經(jīng)緯度信息、速度、時間等信息，輸出標準ASCII碼形式的數(shù)據(jù)信息，協(xié)議包括GPGGA、GPGSA、GPRMC、GPGLL等多種數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)格式都以“$”開頭，到*表示校驗碼開始，hh表示語句校驗碼，本文需要提取GPGGA與GPRMC中的信息。
　（2）數(shù)據(jù)接收
　針對實時接收數(shù)據(jù)的要求，本文使用WaitCommEvent（）對串口數(shù)據(jù)進行接收。在API函數(shù)中，WaitCommEvent（）、WaitForMultipleObject（）和GetOverlappedResult（）等函數(shù)均可以檢測到串口是否有數(shù)據(jù)。其中waitforMultipleobjects（）作用為等待多個被監(jiān)測內(nèi)核對象的結(jié)果，getoverlappedresult（）為返回最后重疊操作結(jié)果。相比之下，waitcommevent（）是一個特指的通信設(shè)備等待一個事件發(fā)生，并監(jiān)控與該設(shè)備句柄相關(guān)聯(lián)的一系列事件。用該函數(shù)接收數(shù)據(jù)時，一旦數(shù)據(jù)到達串口，系統(tǒng)將會馬上檢測到，并做好接收的準備，其關(guān)鍵實現(xiàn)代碼如下：
　While（m_hcom!=INVALID_HANDLE_VALUE）
　{dwEvent=0
　WaitCommEvent（m_hCom，&dwEvent，Null）；
　//檢查串口事件
　If（（dwEvent&EV_RXCHAR）==EV_RXCHAR）
　//如果發(fā)現(xiàn)有串口數(shù)據(jù)接收事件，接收數(shù)據(jù)
　{do//循環(huán)接收串口數(shù)據(jù)
　{if（nLength=ReceiveData（（LPSTR）rBuf，
　MAX_COM_IN_LENGTH））//
　{if（dwEVENT&~EV_RXCHAR）
　//如果串口數(shù)據(jù)中有字符接收事件，
　//則將事件傳送CDataFlow進行處理
　{if（m_pWndData）
　{m_pWndData->SendMessage（m_dwMsgToData，dwEvent，0）；}}}
　If（nLength）//接收到數(shù)據(jù)傳給CDataFlow處理
　{if（m_pWndData）
　{m_pWndData->SengMessage（m_dwMsgToData，（DWORD）rBuf，nLength）；}}
　}while（nLength>0）；}sleep（1）；}sleep（1）；}
　（3）GPS數(shù)據(jù)處理
　作為串口通信的主線程，數(shù)據(jù)處理主要功能是在緩存區(qū)中將GPGGA與GPRMC數(shù)據(jù)取出，通過數(shù)據(jù)提取函數(shù)DealFlow提取數(shù)據(jù)包，進行校驗處理后，發(fā)送消息給解碼函數(shù)OnDecodeMsg進行協(xié)議解析：先將有用NMEA數(shù)據(jù)提取，分割成數(shù)組，隨后對數(shù)組進行操作，得到需要的數(shù)據(jù)信息。這種先檢驗后分割再提取的處理方法有助于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。流程圖如圖2所示，下面以GPGGA解碼為例，給出關(guān)鍵代碼與說明：
for（itemCount=1；itemCount<total；itemCount++）
{iLen=0//設(shè)置每項從數(shù)據(jù)的第一個字符開始處理
CString*item=m_dataArray.GetAt（itemCount）；//
Switch（itemCount）//
{case1：itemLen=2；
CGPSPublic：：ConverToInt（（int&）pack-
>GPS_NMEA_GPGGA.body.time.hour，
item->Mid（iLen，itemLen））；//
CGPSPublic：：ConverToInt（（int&）pack->
GPS_NMEA_GPGGA.body.time.minute，
item->Mid（iLen，itemLen））；//
CGPSPublic：：ConverToInt（（int&）pack->
GPS_NMEA_GPGGA.body.time.second，
item->Mid（iLen，itemLen））；//break；
case2：CGPSPublic：：ConverToLatitudeHavePoint（
（double&）pack->GPS_NMEA_GPGGA.body.latitude.lati
tude，*item）；//break；
case3：itemLen=1；
CGPSPublic：：ConverToChar（（char&）pack->
GPS_NMEA_GPGGA.bady.latitudetype，
*item->Mid（iLen，itemLen），itemLen）；break；
……
　值得一提的是，在數(shù)據(jù)提取與校驗實現(xiàn)算法中，對字符串操作的函數(shù)必不可少，本文主要通過使用以下幾個主要函數(shù)對字符串操作：
　（1）Find（）函數(shù)
　該函數(shù)用于查找指定目標第一次出現(xiàn)在字符串中位置，如果不存在即返回值-1。Find函數(shù)在數(shù)據(jù)截取算法中主要用于查找回車符，以及NMEA-0183協(xié)議中的逗號，返回的位置參數(shù)對后面Delete函數(shù)的應(yīng)用起到重要的作用。
　（2）Delete（）函數(shù)
　該函數(shù)用于刪除字符串中無用的內(nèi)容，Delete（）函數(shù)包括2個基本參數(shù)，即起始位置和終點位置，函數(shù)將刪除之間的內(nèi)容。
　（3）Compare（）函數(shù)
　該函數(shù)用于比較字符串與目標字符串之間區(qū)別，可以有效地在包含大量信息的字符串中篩選出有用信息。如果字符串與目標字符串相同，則返回值為0，不相同則返回值不為0。
3 數(shù)據(jù)庫存儲

　船舶試航定位信息數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫，不僅要提供一種可靠的數(shù)據(jù)存儲，作為定位數(shù)據(jù)信息的容器，同時還需有效地管理其中數(shù)據(jù)信息，并提供高效的數(shù)據(jù)訪問和恢復(fù)機制。下面將通過數(shù)據(jù)表的設(shè)計與ODBC數(shù)據(jù)庫互聯(lián)兩個部分來說明如何實現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)存儲。
　（1）SQL Server數(shù)據(jù)庫配置與數(shù)據(jù)表設(shè)計
　在安裝和完成SQL Server本地配置之后，需要新建一個數(shù)據(jù)庫，并添加一張表用于儲存數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)需要儲存的參數(shù)是經(jīng)度、緯度、速率、航向這4個數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)庫的列設(shè)置中，需要添加這4個名稱，并且設(shè)置字符類型。由于速率和航向在位移很小時，不會顯示數(shù)據(jù)，為了避免之后編譯中出錯，應(yīng)允許數(shù)據(jù)為NULL值。由于GPS接收機接收到的經(jīng)緯度坐標最大長度不超過10位，因而字符類型設(shè)置為nchar（10）。
　（2）ODBC數(shù)據(jù)庫互聯(lián)
　開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)是微軟公司開放服務(wù)結(jié)構(gòu)中有關(guān)數(shù)據(jù)庫的一個組成部分，它建立了一組規(guī)范，并提供了一組對數(shù)據(jù)庫訪問的標準API。這些API利用SQL來完成其大部分任務(wù)。ODBC本身也提供了對SQL語言的支持，用戶可以直接將SQL語句送給ODBC。
　定位信息數(shù)據(jù)庫需要完成的主要任務(wù)是：數(shù)據(jù)動態(tài)存儲、數(shù)據(jù)表操作和數(shù)據(jù)調(diào)用，其中用到的VC++中MFC基類庫定義了3個數(shù)據(jù)庫類，CDatabase（數(shù)據(jù)庫類）：對象提供數(shù)據(jù)源連接、CRecordSet（記錄集類）：對象提供數(shù)據(jù)源動態(tài)行集方式的記錄集以及CRecordView（可視記錄集類）：對象以控制的形式顯示數(shù)據(jù)庫記錄。
　在VS2010中關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫需要添加MFCODBC使用者這個類，在設(shè)置完成類MFCODBC使用者之后，程序會自動添加兩個文件，分別是Table_1.h和Table_1.cpp（Table_1是數(shù)據(jù)庫中設(shè)置的表的名稱），并生成一個CTable_1的類，通過這個類，可以定義數(shù)據(jù)庫指針，即：Ctable_1 m_pSet。在VC++中，通過這個指針可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)添加、刪除、查找等功能，也可以通過“.”運算代碼進行定位和賦值。在添加新記錄后，需要使用Updata（）函數(shù)將緩存中保存的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，從而完成數(shù)據(jù)庫的儲存。同樣，數(shù)據(jù)讀取功能也可以通過對指針的操作完成。圖3為數(shù)據(jù)存入情況。

　本文在VC++6.0環(huán)境下，結(jié)合SQL Server技術(shù)，對GPS定位數(shù)據(jù)進行接收與提取，并存入數(shù)據(jù)庫中，以供GPS船舶試航作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，串口通信部分不僅利用了多線程技術(shù)，將數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)處理分開，有效地提高了數(shù)據(jù)的處理能力；同時在數(shù)據(jù)處理時，還通過對數(shù)據(jù)包進行預(yù)處理，剔除接收中可能產(chǎn)生的掉幀數(shù)據(jù)，繼而將NMEA語句分割，存入數(shù)組，并對數(shù)組進行相應(yīng)解碼，實現(xiàn)了在提高效率的同時減少出錯的幾率。最后將解析后的數(shù)據(jù)自動存入數(shù)據(jù)庫，供GPS船舶試航系統(tǒng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
作為GPS新船舶試航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，本系統(tǒng)已通過測試，其精度符合船廠要求，操作界面友好，現(xiàn)場運行效果良好。
參考文獻
[1] 徐志京，許開宇，胡文燁.基于GPS的船舶航行試驗系統(tǒng)研究[C].大連：中國航海學(xué)會通信導(dǎo)航專業(yè)委員會2006年學(xué)術(shù)年會論文集，大連海事大學(xué)出版社，2006.
[2] 李莉.GPS接收機串口通信的MSComm和API實現(xiàn)[J].中國新通信，2010（6）：81-84.
[3] 陳凱，鄧明，張啟升，等.Windows CE下多線程串口通信[J].微計算機信息，2007，23（10-2）.
[4] 劉書智.Visual C++串口通信與工程應(yīng)用實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2011.
[5] 劉夏.基于VB的GPS定位算法與軟件實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程，2013（2）：208-211.
[6] 劉巖，汪劍云，吳北平，等.基于VB.NET的GPs接收機串口通信的實現(xiàn)[J].地理空間信息，2012，10（2）：47-49.
[7] 李冰，曾連蓀.GPS定位信息提取及應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2012，20（12）：72-74.
[8] 沈振漢，黃華燦.PC機與GPS接收機的通訊程序設(shè)計與實現(xiàn)[J].華僑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011.32（1）：118-120.
[9] 王靖，紀元法，孫希延，等.高動態(tài)GPS信號模擬器中串口通信的實現(xiàn)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2010，30（1）：30-32.
[10] 陽世榮.基于Keil與VSPD軟件仿真的串口通信調(diào)試技術(shù)[J].艦船電子工程，2010，30（1）：30-32.