What is the NMEA 0183 Standard?

The National Marine Electronics Association (NMEA) is a non-profit association of manufacturers,

distributors, dealers, educational institutions, and others interested in peripheral marine electronics

occupations. The NMEA 0183 standard defines an electrical interface and data protocol for

communications between marine instrumentation.

NMEA 0183 is a voluntary industry standard, first released in March of 1983. It has been updated from

time to time; the latest release, currently (August 2001) Version 3.0, July 2001, is available from the

NMEA office (Warning: the price for non-members is 250 US$).

P O Box 3435

New Bern NC 28564-3435

USA

www.nmea.org

NMEA has also established a working group to develop a new standard for data communications among

shipboard electronic devices. The new standard, NMEA 2000, is a bi-directional, multi-transmitter,

multi-receiver serial data network. It is multi-master and self-configuring, and there is no central controller.

The NMEA began a beta testing period in January 2000 with eleven manufacturers. A release version of

NMEA 2000 is expected in 2001.

Electrical Interface

NMEA 0183 devices are designated as either talkers or listeners (with some devices being both),

employing an asynchronous serial interface with the following parameters:

Baud rate: 4800

Number of data bits: 8 (bit 7 is 0)

Stop bits: 1 (or more)

Parity: none

Handshake: none

NMEA 0183 allows a single talker and several listeners on one circuit. The recommended interconnect

wiring is a shielded twisted pair, with the shield grounded only at the talker. The standard dos not specify

the use of a particular connector. Note: The new 0183-HS standard (HS = high speed) introduced in

version 3.0 uses a 3-wire interface and a baud rate of 38400. This type of interface is not discussed here.

Its is recommended that the talker output comply with EIA RS-422, a differential system with two signal

lines, " A" and " B". Differential drive signals have no reference to ground and are more immune to noise.

However, a single-ended line at TTL level is accepted as well. The voltages on the A line correspond to

those on the TTL single wire, while the B voltages are inverted (when output A is at +5 V, output B is at

0 V, and vice versa. This is the unipolar RS-422 operation. In bipolar mode ±5 V are used).

In either case, the recommended receive circuit uses an opto-isolator with suitable protection circuitry.

The input should be isolated from the receiver's ground. In practice, the single wire, or the RS-422 " A"

wire may be directly connected to a computer's RS-232 input. In fact even many of the latest products,

like hand-held GPS receivers, do not have a RS-422 differential output, but just a single line with TTL or

5 V CMOS compatible signal level.

General Sentence Format

All data is transmitted in the form of sentences. Only printable ASCII characters are allowed, plus CR

(carriage return) and LF (line feed). Each sentence starts with a " $" sign and ends with < CR> < LF>. There

are three basic kinds of sentences: talker sentences, proprietary sentences and query sentences.

Talker Sentences. The general format for a talker sentence is:

$ttsss, d1, d2,....< CR> < LF>

The first two letters following the „$” are the talker identifier. The next three characters (sss) are the

sentence identifier, followed by a number of data fields separated by commas, followed by an optional

checksum, and terminated by carriage return/line feed. The data fields are uniquely defined for each

sentence type. An example talker sentence is:

$HCHDM, 238, M< CR> < LF>

where " HC" specifies the talker as being a magnetic compass, the " HDM" specifies the magnetic heading

message follows. The " 238" is the heading value, and " M" designates the heading value as magnetic.

A sentence may contain up to 80 characters plus " $" and CR/LF. If data for a field is not available, the

field is omitted, but the delimiting commas are still sent, with no space between them. The checksum

field consists of a " *" and two hex digits representing the exclusive OR of all characters between, but not

including, the " $" and " *".

Proprietary Sentences. The standard allows individual manufacturers to define proprietary sentence

formats. These sentences start with " $P", then a 3 letter manufacturer ID, followed by whatever data the

manufacturer wishes, following the general format of the standard sentences. Some proprietary

sentences, mainly from Garmin, Inc., are listed in chapter 6.

The NMEA 0183 Protocol 2

Query sentences. A query sentence is a means for a listener to request a particular sentence from a

talker. The general format is:

$ttllQ, sss, [CR][LF]

The first two characters of the address field are the talker identifier of the requester and the next two

characters are the talker identifier of the device being queried (listener). The fifth character is always a " Q"

defining the message as a query. The next field (sss) contains the three letter mnemonic of the sentence

being requested. An example query sentence is:

$CCGPQ, GGA< CR> < LF>

where the " CC" device (computer) is requesting from the " GP" device (a GPS unit) the " GGA" sentence.

The GPS will then transmit this sentence once per second until a different query is requested.

Talker Identifiers

AG Autopilot - General

AP Autopilot - Magnetic

CD Communications – Digital Selective Calling (DSC)

CR Communications – Receiver / Beacon Receiver

CS Communications – Satellite

CT Communications – Radio-Telephone (MF/HF)

CV Communications – Radio-Telephone (VHF)

CX Communications – Scanning Receiver

DF Direction Finder

EC Electronic Chart Display & Information System (ECDIS)

EP Emergency Position Indicating Beacon (EPIRB)

ER Engine Room Monitoring Systems

GP Global Positioning System (GPS)

HC Heading – Magnetic Compass

HE Heading – North Seeking Gyro

HN Heading – Non North Seeking Gyro

II Integrated Instrumentation

IN Integrated Navigation

LC Loran C

P Proprietary Code

RA RADAR and/or ARPA

SD Sounder, Depth

SN Electronic Positioning System, other/general

SS Sounder, Scanning

TI Turn Rate Indicator

VD Velocity Sensor, Doppler, other/general

DM Velocity Sensor, Speed Log, Water, Magnetic

VW Velocity Sensor, Speed Log, Water, Mechanical

WI Weather Instruments

YX Transducer

ZA Timekeeper – Atomic Clock

ZC Timekeeper – Chronometer

ZQ Timekeeper – Quartz

ZV Timekeeper – Radio Update, WWV or WWVH

 

Раздел 2.8. Гиротахометры (2 часа)

Принцип действия гиротахометра

Принципиальная схема простейшего гиротахометра (ГТ), построенного на гироскопе с двумя степенями свободы, представлена на рис. 3.4. Ротор гироскопа установлен в кольце К карданового подвеса. Поворот кольца вокруг оси оу₀ ограничивается пружиной Пр, необходимой для создания восстанавливающего момента. Погашение собственных колебаний гироскопа осуществляется демпфером Д. Показания прибора, пропорциональные углу поворота кольца вокруг своей оси подвеса, снимаются в виде напряжения с потенциометра П. Оси ох₀у₀z₀ связаны с судном, а оси охуz, совмещенные в начальном положении (при β =0) с осями ох₀у₀z₀, - с рамкой прибора и в данном случае являются осями Резаля. Ось оz₀ является осью чувствительности или входной осью, так как гиротахометр реагирует, в основном, на поворот судна вокруг этой оси; ось оу называется выходной, ввиду того, что снимаемый с потенциометра П сигнал пропорционален углу поворота (прецессии) кольца К вокруг этой оси. Эту ось также называют осью прецессии.

Составим уравнения, описывающие работу гиротахометра. Результирующую угловую скорость вращения основания прибора будем представлять ее составляющими ω _х0, ω _у0 и ω _z0 по осям, связанным с судном. В общем случае к ротору гироскопа будут приложены следующие моменты (рис. 3.4):

§ момент М_г гироскопической реакции на внешние воздействия;

§ момент М_и сил инерции рамки и связанных с ней элементов, в частности ротора гироскопа;

§ момент М_д демпфирующих сил, порождаемых, в основном, демпфером Д;

§ момент М_пр упругих сил, порождаемый пружиной:

§ возмущающий момент (момент внешних сил) М_в.

В соответствие с принципом Даламбера сумма указанных моментов относительно оси оу должна быть равна нулю. Найдем выражения для указанных моментов.

Как известно, момент гироскопической реакции равен по модулю произведению кинетического момента гироскопа на составляющую абсолютной угловой скорости вращения его ротора вокруг оси oz:

(3.1)
Приближение, принятое в полученном выражении, допустимо вследствие малости значений угла β .

Момент сил инерции ротора и рамки подвеса будет определяться угловыми ускорениями вращения основания прибора и прецессии гироскопа:

(3.2)

Момент демпфирующих сил можно представить в следующем виде:

(3.3)

где k_д – коэффициент демпфирования. Аналогично выглядит и выражение для момента упругих сил:

(3.4)
где с – коэффициент упругости, равный моменту, прикладываемому пружиной к рамке гироскопа, при единичном значении угла β .

Момент внешних сил определяется трением М_т в опорах подвеса рамки гироскопа, а также воздействиями f(t), возникающими из-за конструктивного и технологического несовершенства прибора:

(3.5)

Используя полученные выражения, уравнения, описывающие закон изменения угла поворота рамки подвеса, можно записать в виде:

(3.6)

Если основание прибора вращается в пространстве только с угловой скоростью ω _zo, а моменты сил трения в опорах подвеса и другие возмущающие моменты отсутствуют, то установившийся угол β _у отклонения главной оси от положения равновесия будет определяться следующим выражением:

. (3.7)

Полученное выражение показывает, что угол β , а, следовательно, и сигнал, снимаемый с потенциометра П (рис. 3.4), будут пропорциональны измеряемой угловой скорости ω _zo.

Однако факторы, опущенные в данном случае из рассмотрения, могут оказывать заметное влияние на точность показаний прибора. Так, влияние перекрестной составляющей ω _х0 угловой скорости вращения основания прибора увеличивается с увеличением угла β прецессии гироскопа. Поэтому на практике стремятся этот угол сделать по возможности минимальным или свести его вообще к нулю. Стремятся снизить также величину момента сил сухого трения или исключить его полностью. Для этого используют различного рода подвесы ротора гироскопа. В частности, широкое применение находят двухстепенные гироскопы, использующие гидростатический (поплавковый) или воздушный подвес чувствительного элемента. В этих моделях с целью повышения точности работы прибора механическая пружина заменяется “электрической” (рис. 3.5), представляющей собой сочетание датчика угла ДУ, формирующего напряжение, пропорциональное β , усилителя У и датчика момента ДМ. Последний прикладывает к рамке гироскопа момент, пропорциональный углу ее отклонения β . Сигнал об измеренной угловой скорости снимается с усилителя У.

Уравнения (3.6) можно представить и в ином виде [36]:

(3.8)
где

, , , . (3.9)
Достоинством последней формы записи уравнений является то, что на их базе легко получить передаточные функции гиротахометра по отношению к рассматриваемым внешним воздействиям. Так, представляя уравнения в преобразованиях по Лапласу-Карсону [16], передаточную функцию по отношению к полезному воздействию можно записать в виде:

. (3.10)

Как известно, выражение (3.10) позволяет не только оценить динамические характеристики исследуемого прибора, но широко используется при анализе работы различных систем автоматического управления, в которых применяются ГТ.

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: