GPS軌跡記錄儀畢業(yè)論文

1、GPS軌跡記錄儀摘要：本設計使用性價比極高的stm32f103c8t6作為主控芯片，通過GPS模塊實現(xiàn)與衛(wèi)星的數(shù)據(jù)通信，獲得在地球上的經(jīng)緯度坐標等其他數(shù)據(jù)。并使用掉電不丟失的存儲器AT24C64來存儲經(jīng)緯度，采用1.8寸TFT彩屏和按鍵作為人機交互界面。戶外使用3.7V鋰電池供電,作品小巧方便攜帶，很適合外出散步、旅游使用。GPS定位精度高，軌跡效果好，很實用。關鍵詞：軌跡記錄儀；EEPROM存儲器；1.8寸TFT 目 錄引言1第一章 系統(tǒng)設計21.1 數(shù)字控制器選擇41.2 顯示方式選擇51.3 存儲器選擇51.4 人機交互61.5 GPS選擇6第二章 硬件電路7 2.1 主控芯片STM32

2、F103C8T672.2 TFT液晶顯示82.3 存儲器電路 92.4 電源電路112.5 GPS電路12第三章 系統(tǒng)軟件設計介紹133.1 GPS指令介紹及解析133.2 GPS數(shù)據(jù)存儲15 3.3 上位機u-center15第四章 電路調(diào)試17總結18參考文獻19致謝20引言隨著科學技術水平的發(fā)展，我們實現(xiàn)很多跨時代的技術革命。衛(wèi)星能快速傳遞信息，實時性強、穩(wěn)定性高并成為通信系統(tǒng)中的重要組成部分；GPS-全球定位系統(tǒng)起始于1958年美國軍方的一個項目, 主要目的是為陸?？杖箢I域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的。其中導航與我們生活息息相關

3、；GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到。當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。導航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與

4、用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。通過解析接收機收到的指令內(nèi)容，便可從中得到各種信息，如經(jīng)緯度、海拔高度、時間日期、定位精度等其他定位信息。隨著汽車、旅游等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，利用衛(wèi)星能夠實現(xiàn)在地球上的精度定位，出現(xiàn)很多各種各樣的使用GPS技術結合市場需要的產(chǎn)品，軌跡記錄儀，GPS車載導航儀等。軌跡記錄產(chǎn)品功能復雜，該設計更多的是驗證學校所學知識，本設計與產(chǎn)品相比，有一定的差距。第一章 系統(tǒng)設計 如1-1圖所示是GPS軌跡記錄儀的系統(tǒng)框圖，以數(shù)字控制器為核心，從GPS獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制器處理，在存在存儲器

5、中，最終傳輸?shù)絇C上位機 數(shù)字控制器PC上位機顯示、存儲、GPS模塊供電電源人機交互 圖 1-1 系統(tǒng)框架圖 1.1 數(shù)字控制器選擇 方案一：采用89S51芯片作為硬件核，AT89S51 是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解

6、決方案，再者因為AT89S51為當今市場上主流產(chǎn)品，其價格也比較低廉；方案二：采用ST（意法半導體）公司cortex-M3系類的stm32f103c8t6。供電電壓2 V -3.6 V，超低功耗；它是32位處理器，處理速度可達72MHZ，具備處理批量數(shù)據(jù)的能力；擁有37個IO口；有4個定時器、ADC、DMA、PWM、RTC、計時器、溫度傳感器，常用接口USB、CAN、2個I2C、2個SPI、3個UART，豐富的外設資源便于實現(xiàn)各種邏輯控制。Flash程序存儲器容量64KB ，RAM容量20K，可以實現(xiàn)較為復雜的功能。綜合各種考慮，選擇方案二； 1.2 顯示方式選擇方案一：使用1286

7、4藍白色液晶，控制器ST7920。水平方向128個像素點，垂直方向64個像素點；由于自帶常用中文字庫，無需自己做字庫，作為人機交互界面時，指令控制簡單、操作方便，顯示字體粗大較清晰；該點陣的屏顯成本相對較低，適用于各類儀器，小型設備的顯示領域。但是由于12864外形尺寸較大，不能做成小巧的外形；使用5V供電的液晶時，由于主控是3.3V控制，不能驅動5V的液晶。使用3.3V-12864液晶可以驅動，但液晶尺寸較大，不能做成小巧型，由于所以放棄使用方案一，采用方案二；方案二：使用TFT液晶彩屏，每個像素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅動。從而可以做到高速度高亮度高對比度顯示屏幕信息，TFT-LC

8、D（薄膜晶體管液晶顯示器）是多數(shù)液晶顯示器的一種。這里用TFT-1.8寸液晶彩屏，控制器9163。水平方向128個像素點，垂直方向144個像素點；各個顯示點可以實現(xiàn)不同顏色控制，有較好的顯示界面與顯示效果。尺寸較小，方便外觀設計；但是由于不帶字庫，得自己做字庫； 1.3 存儲器選擇這里使用到兩種存儲器：AT24C64、W25X16AT24C64-制造商：ATMEL公司AT24C64，采用SOP封裝方式存儲器容量：64Kbit存儲器配置：8K x 8bit針腳數(shù)：8工作溫度范圍：-40°C to +85°C存儲電壓 Vcc：1.8V存儲器類型：EEPROM接口類型：Seria

9、l, I2C電源電壓 最大：5.5V電源電壓 最小：1.8V頻率：1MHz用來存儲經(jīng)緯度、海拔高度數(shù)據(jù)，保證掉電后也不丟失數(shù)據(jù)；根據(jù)記錄模式的不同，可以選擇存儲到AT24C64內(nèi)數(shù)據(jù)的時間間隔；W25X16- 制造商：華邦公司W(wǎng)25X16，采用SOP封裝方式存儲器容量：16Mbit存儲器配置：2M x 8bit針腳數(shù)：8工作溫度范圍：-40°C to +85°C存儲器類型：FLASH接口類型：Serial, SPI電源電壓 最大：3.6V電源電壓 最?。?.7V時鐘頻率：75MHz數(shù)據(jù)傳輸率：150M-bits用來存儲TFT-1.8寸彩屏字庫，由于使用SPI接口，可以快速取

10、出FLASH里面的字模，對顯示效果沒有影響；可以存儲多種字體，根據(jù)個人要求；使用串口焼寫更新； 1.4 人機交互使用按鍵來實現(xiàn)功能的操作，簡單方便；按鍵共有4個：第一個是復位，第二個是啟動軌跡記錄，第三個是停止軌跡記錄，第四個是上傳存儲數(shù)據(jù)到電腦端；同時，第二個與第三個按鍵有復用功能；當多次記錄的次數(shù)超過3個時，系統(tǒng)會提示是否刪除之前的軌跡記錄，相應的選擇是或者否按鍵； 1.5 GPS選擇ATK-NEO-6M是一款高性能 GPS 定位模塊。該模塊采用 U-BLOX NEO-6M 模組，模塊自帶高性能無源陶瓷天線（無需再購買昂貴的有源天線了），并自帶可充電后備電池（以支持溫啟動或熱啟動，后備電池

11、在主電源斷電后，可以維持半小時左右的 GPS 接收數(shù)據(jù)保存）第二章 硬件電路 2.1 主控芯片STM32F103C8T6 圖2-1 主控外圍電路Stm32f103c8t6供電電壓3.3V，內(nèi)部集成AD跟DA，為了使各自的功能能正常使用，在電源供電上，使用模擬與數(shù)字分離，濾除數(shù)字信號干擾通過電源端耦合到模擬電源端，造成AD轉換時精度不高，或者出現(xiàn)嚴重偏離實際值的現(xiàn)象。如圖所示，實際使用時，為了布局方便，常使用0R電阻或者磁珠與數(shù)字電源隔離，能起到一定的抗干擾作用；芯片工作時鐘為72MHZ，本次方案時鐘72MHZ時鐘來源是使用外部8M晶振，通過內(nèi)部鎖相環(huán)構成的倍頻器，使時鐘經(jīng)過倍頻器后到達內(nèi)部總線

12、的頻率達到72MHZ。芯片內(nèi)部也有集成晶振，但精度不如外部石英晶振高，只有在外部時鐘出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)會自動轉化到使用內(nèi)部晶振模式。晶振起振電容一般選擇10pf到30pf，接法如圖所示；每個電源端需要加0.1uf的電容，能有效的降低各個系統(tǒng)內(nèi)部功能的不正常耦合。 2.2 TFT液晶顯示 圖2-2 1.8寸液晶引腳定義 圖2-3 最大承受電壓 本次方案我們使用TFT1.8寸液晶屏；TFT-薄膜場效應晶體管，指每個液晶顯示的像素點都由場效應管電路驅動。由于mos管的集成度高，低功耗，在集成電路設計得到大量的應用，TFT液晶屏成為了主流的顯示設備；每個像素點可以顯示不同顏色，實際像素點內(nèi)是有紅綠藍三種

13、光源。根據(jù)實際要顯示的RGB比例值，驅動對應的RGB驅動電路，從而實現(xiàn)像素點顏色的顯示如圖2-2所示，定義1.8寸液晶接口及電氣類型、尺寸規(guī)格。該屏使用II2C與控制器進行數(shù)據(jù)傳輸通信； /RET ： 復位引腳控制，當高電平輸入時，液晶復位 A0 ： 數(shù)據(jù)/命令選擇端口，A0=0時，接收是命令；A0=1時，接收數(shù)據(jù)； SDA ： 串行數(shù)據(jù)傳輸端口；可視為II2C數(shù)據(jù)腳，也可視為SPI-MOSI腳； SCK ： 串行數(shù)據(jù)傳輸時鐘腳； /CS ： 傳輸接口的使能端； VDDA ： 液晶電源端口； VDDIO： 液晶IO口電源； VSS ： 液晶地端； LED-、LED+： 背光燈端口；如圖2-3所

14、示，該液晶的電源供電可以從-034.6V ，VDDIO從-0.3-4.6V。結合實際使用的電源，本次都使用用3.3V輸入，液晶能正常工作; 2.3 存儲器電路 圖2-4 W25X16-flash 芯片電路 使用主控芯片硬件SPI外設接口來驅動該芯片. PA4-SPI_NSS SPI使能端，片選端 PA5-SPI_SCK SPI時鐘脈沖端 PA6-SPI_MISO SPI主輸入從輸出端 PA7-SPI_MOSI SPI主輸出從輸入端 由于本次選用的液晶不帶字庫，只能自己制作字庫。通常把字庫存放在flash，如W25X16即有16M位共2M字節(jié)。把制作好的字庫文件通過上位機串口軟件，發(fā)送到主控芯片

15、，STM32F103C8T6串口接收上位機發(fā)送的字庫數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)通過SPI方式寫進W25X16-flash里面，這樣就完成字庫的更新；液晶顯示漢字時，通過計算在字庫的偏移量，去讀取相應的字模，然后在液晶上顯示； 圖2-5 AT24C64-EEPROM 芯片電路 圖2-6 AT24C64 地址設置使用主控IO口模擬II2C時序實現(xiàn)與芯片的通訊； SCL-PB8 II2C時鐘端 SDA-PB9 II2C數(shù)據(jù)端本芯片主要用來存儲經(jīng)緯度海拔信息。通過上拉電阻使II2C通信更穩(wěn)定、可靠。AT24C64有64K位，容量為8K，掉電不丟失；如圖所示，該芯片的A0A1A2均為0，所以，地址為101

16、0000R/W。當控制器同時與多個II2C芯片連接時，通過設置不同地址來卻別，保證通信的正常。W25X16-flash 與AT24C64-EEPROM 區(qū)別相同點： 兩者都是掉電不丟失，能存儲信息；不同點： flash 不能像EEPROM那樣對每個存儲單位進行讀寫，每次寫新的數(shù)據(jù)時，必須要擦出對應所在的扇區(qū)；flash的容量能做得較大，但是EEPROM容量相對較小，如本次使用容量對比（FLASH_2MEEPROM_8K），EEPROM的價格也較flash貴。速度方面兩者差距不大。雖然都是掉電不丟失，flash在很多方面優(yōu)勢明顯，但是EEPROM能對每個存儲單位進行讀寫，跟RAM相似的功能，在某

17、些應用中具有不可替代的作用； 2.4 電源電路 圖2-7 供電電路圖 圖 2-8 AMS1117-3.3V本方案使用兩種電源，分為戶內(nèi)上傳數(shù)據(jù)使用及戶外使用。戶外使用3.7V鋁電池供電，系統(tǒng)電源為3.3V，我們使用壓差大約0.3V的穩(wěn)壓管RT9193-3.3，使較小電壓輸入也能得到3.3V電壓；普通常用的AMS1117-3.3V其參數(shù)如上圖所示。由圖可知，其輸入輸出壓差1.15V，3.7輸入，不能得到3.3V輸出。低壓差穩(wěn)壓芯片在小型系統(tǒng)上得到大量的應用。鋁電池充電也有專用芯片充電，電路簡單易用。戶內(nèi)使用USB插口直接給系統(tǒng)供電。 2.5 GPS電路 圖 2-9 GPS電路原理圖 主控芯片NE

18、O-6M-0-001，通過R4和R5電阻接法選擇與芯片通信的不同串口波特率，本次使用38400。由原理圖可知，該芯片還可以通過USB、SPI、II2C接口與其他控制器通信，外設接口豐富。通信指示端口PIN3，當該芯片通過天線與衛(wèi)星正常通信獲得有效數(shù)據(jù)時，該端口會輸出隔秒脈沖，作為通信指示。天線端口PIN11，這里使用無源天線，室內(nèi)使用時信號弱，但是室外效果好，也可以使用有源天線，能在戶內(nèi)通過放置在外的天線來與衛(wèi)星通信，方便室內(nèi)調(diào)試，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)天線會受地線影響，使天線不能正常工作，無法與衛(wèi)星正常通信。備用電池端PIN22，該端口使用可充電的電池(實際上是一個大容量的電容)。當通電時，系統(tǒng)3.

19、3V電源會通過壓降二極管1N4148給電池充電。系統(tǒng)斷電時，芯片內(nèi)部保存星歷數(shù)據(jù)電路由外部電池來供電，但是當斷電時間超過半個小時后，電池電量耗盡，芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)也將丟失。下次啟動GPS時，需熱啟動大約30秒時間才能得到有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)。備用電池的作用就是要讓GPS斷電后能使用溫啟動來縮短芯片啟動到正常工作的時間。正常3秒即可獲取到有效數(shù)據(jù)。第三章 系統(tǒng)軟件設計介紹 程序流程圖 3.1 GPS指令介紹及解析序號命令說明1$GPGGA定位信息2$GPGSA當前衛(wèi)星信息3$GPGSV可見衛(wèi)星信息4$GPRMC推薦定位信息5$GPVTG地面速度信息6$GPGLL大地坐標信息7$GPZDA當前時間(UTC)信

20、息衛(wèi)星與GPS模塊是使用NMEA-0183協(xié)議進行通信。NMEA-0183 協(xié)議采用 ASCII 碼來傳遞 GPS 定位信息，我們稱之為幀。常用命令$GPGSV、$GPGGA、$GPGSA、$GPRMC、$GPVTG幀格式形如：$aaccc,ddd,ddd,ddd*hh(CR)(LF)。1、“$” ：幀命令起始位2、aaccc：地址域，前兩位為識別符（aa） ，后三位為語句名（ccc）3、dddddd：數(shù)據(jù)4、“*” ：校驗和前綴（也可以作為語句數(shù)據(jù)結束的標志）5、hh：校驗和（check sum），$與*之間所有字符 ASCII 碼的校驗和（各字節(jié)做異或運算，得到校驗和后，再轉換 16 進制

21、格式的 ASCII 字符）6、(CR)(LF)：幀結束，回車和換行符本次以$GPGGA簡單介紹：$GPGGA,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),M,(10),M,(11),(12)*hh(CR)(LF) (1) UTC 時間，格式為 hhmmss.ss；(2) 緯度，格式為 ddmm.mmmmm（度分格式） ；(3) 緯度半球，N 或 S（北緯或南緯）；(4) 經(jīng)度，格式為 dddmm.mmmmm（度分格式） ；(5) 經(jīng)度半球，E 或 W（東經(jīng)或西經(jīng)）；(6) GPS 狀態(tài)，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位；(7) 正在使用的用于定位的衛(wèi)星數(shù)量（

22、0012）(8) HDOP 水平精確度因子（0.599.9）(9) 海拔高度（-9999.9 到 9999.9 米）(10) 大地水準面高度（-9999.9 到 9999.9 米）(11) 差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數(shù)，非差分定位，此項為空）(12) 差分參考基站標號（0000 到 1023，首位 0 也將傳送，非差分定位，此項為空)軟件解析方法：$GPGGA,023543.00,2308.28715,N,11322.09875,E,1,06,1.49,41.6,M,-5.3,M,*7D衛(wèi)星一次性把GPS的數(shù)據(jù)通過不同的命令傳送給GPS，所以串口接收到的數(shù)據(jù)有好多條命令，通過字

23、符區(qū)分，把不同的命令區(qū)分開，在讀取每個字符代表的數(shù)，最終根據(jù)命令格式得到對應的數(shù)據(jù) 3.2 GPS數(shù)據(jù)存儲當啟動軌跡模式后，僅在GPS數(shù)據(jù)有效時，才能把GPS數(shù)據(jù)寫入EEPROM里面，同時模式指示燈隔秒閃爍，如果進去軌跡模式但GPS數(shù)據(jù)無效，指示燈將一直亮著，不閃爍。使用定時器4來控制指示燈，使用模擬II2C口PB8、PB9對EEPROM進行操作。EEPPROM的最后一個字節(jié)存儲記錄的軌跡數(shù)，每個軌跡存儲結束后在后面的三個地址存儲END(0X454E44)字符,以實現(xiàn)多次記錄軌跡的分次上傳。 3.3 上位機 u-centeru-center 是由 ublox 公司提供的 GPS 評估軟件，功能

24、十分強大，把要傳送的數(shù)據(jù)還原成命令格式通過串口發(fā)送到u-center，會自動的把數(shù)據(jù)轉換成對應圖像控件等其他直觀視圖。 圖 3-1 上位機軟件啟動界面如圖3-1所示，設置對應的波特率及串口，然后連接串口。 圖3-2 KML文件的生成當GPS命令傳輸?shù)缴衔粰C后，如圖3-2所示，通過file菜單下的database export 可以選擇生成KML文件或者HTML文件，本次生成KML文件。 圖3-3 google地球-北區(qū)KML軌跡效果使用谷歌地球打開u-center生成的KML文件，顯示效果如圖3-3。第四章 電路調(diào)試 在硬件電路制作過程中，由于實驗室戶內(nèi)信號不強，我是在窗戶旁邊調(diào)試。遇到的一個

25、大的問題：衛(wèi)星天線與控制板的地線靠近時，天線不能正常工作，導致GPS不能接收到數(shù)據(jù)。由于外觀設計時沒有考慮到這點，使得設計完成后外觀設計沒有達到預期的效果。軟件調(diào)試時，第一次使用1.8寸液晶，驅動時遇到時序延遲問題，通過查看參考資料及實際調(diào)試，來解決問題。第五章 總結本次設計功能達到預期要求。通過本設計，讓我實踐許多綜合的知識，提高動手能力。GPS軌跡記錄儀在生活中具有一定的實用性，雖然離市場上產(chǎn)品有較大差距，但對我個人來說是個重要的里程碑。體驗到獨自設計方案，在電路調(diào)試及遇到問題的解決過程中學會運用自身知識，通過假設驗證的方式嘗試解決問題。學會獨自思考去解決問題，這份能力的培養(yǎng)對于個人能力來說是尤其重要。該設計還有很多可以改進的地方，如可以往導航儀方面做，本次設計還有很多GPS功能沒有用到，可以利用其他數(shù)據(jù)在液晶屏上實時顯