GPS轨迹记录仪毕业论文

1GPS 轨迹记录仪摘要：本设计使用性价比极高的 stm32f103c8t6 作为主控芯片，通过 GPS 模块实现与卫星的数据通信，获得在地球上的经纬度坐标等其他数据。并使用掉电不丢失的存储器 AT24C64 来存储经纬度，采用 1.8 寸 TFT 彩屏和按键作为人机交互界面。户外使用 3.7V 锂电池供电,作品小巧方便携带，很适合外出散步、旅游使用。GPS 定位精度高，轨迹效果好，很实用。关键词：轨迹记录仪；EEPROM 存储器；1.8 寸 TFT2目 录引言1第一章 系统设计21.1 数字控制器选择41.2 显示方式选择51.3 存储器选择51.4 人机交互61.5 GPS 选择6第二章 硬件电路72.1 主控芯片 STM32F103C8T672.2 TFT 液晶显示82.3 存储器电路 92.4 电源电路112.5 GPS 电路12第三章 系统软件设计介绍133.1 GPS 指令介绍及解析133.2 GPS 数据存储153.3 上位机 u-center15第四章 电路调试17总结18参考文献19致谢203引言随着科学技术水平的发展，我们实现很多跨时代的技术革命。卫星能快速传递信息，实时性强、稳定性高并成为通信系统中的重要组成部分；GPS-全球定位系统起始于 1958 年美国军方的一个项目, 主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。其中导航与我们生活息息相关；GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。当 GPS 卫星正常工作时，会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。通过解析接收机收到的指令内容，便可从中得到各种信息，如经纬度、海拔高度、时间日期、定位精度等其他定位信息。随着汽车、旅游等产业的迅速发展，利用卫星能够实现在地球上的精度定位，出现很多各种各样的使用 GPS技术结合市场需要的产品，轨迹记录仪，GPS 车载导航仪等。轨迹记录产品功能复杂，该设计更多的是验证学校所学知识，本设计与产品相比，有一定的差距。4第一章 系统设计如 1-1 图所示是 GPS 轨迹记录仪的系统框图，以数字控制器为核心，从 GPS获得数据，经过控制器处理，在存在存储器中，最终传输到 PC 上位机数字控制器 PC 上位机显示、存储、GPS 模块供电电源人机交互图 1-1 系统框架图 1.1 数字控制器选择方案一：采用 89S51 芯片作为硬件核，AT89S51 是一个低功耗，高性能CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案，再者因为 AT89S51 为当今市场上主流产品，其价格也比较低廉；方案二：采用 ST（意法半导体）公司 cortex-M3 系类的 stm32f103c8t6。供电电压 2 V -3.6 V，超低功耗；它是 32 位处理器，处理速度可达 72MHZ，具备处理批量数据的能力；拥有 37 个 IO 口；有 4 个定时器、ADC、DMA、PWM、RTC、计时器、温度传感器，常用接口 USB、CAN、2 个 I2C、2个 SPI、3 个 UART，丰富的外设资源便于实现各种逻辑控制。Flash 程序存储器5容量 64KB ，RAM 容量 20K，可以实现较为复杂的功能。综合各种考虑，选择方案二； 1.2 显示方式选择方案一：使用 12864 蓝白色液晶，控制器 ST7920。水平方向 128 个像素点，垂直方向 64 个像素点；由于自带常用中文字库，无需自己做字库，作为人机交互界面时，指令控制简单、操作方便，显示字体粗大较清晰；该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。但是由于12864 外形尺寸较大，不能做成小巧的外形；使用 5V 供电的液晶时，由于主控是 3.3V 控制，不能驱动 5V 的液晶。使用 3.3V-12864 液晶可以驱动，但液晶尺寸较大，不能做成小巧型，由于所以放弃使用方案一，采用方案二；方案二：使用 TFT 液晶彩屏，每个像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息，TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）是多数液晶显示器的一种。这里用 TFT-1.8 寸液晶彩屏，控制器 9163。水平方向 128 个像素点，垂直方向 144 个像素点；各个显示点可以实现不同颜色控制，有较好的显示界面与显示效果。尺寸较小，方便外观设计；但是由于不带字库，得自己做字库； 1.3 存储器选择这里使用到两种存储器：AT24C64、W25X16AT24C64-制造商：ATMEL 公司AT24C64，采用 SOP 封装方式存储器容量：64Kbit存储器配置：8K x 8bit针脚数：8工作温度范围：-40C to +85C存储电压 Vcc：1.8V存储器类型：EEPROM接口类型：Serial, I2C电源电压 最大：5.5V6电源电压 最小：1.8V频率：1MHz用来存储经纬度、海拔高度数据，保证掉电后也不丢失数据；根据记录模式的不同，可以选择存储到 AT24C64 内数据的时间间隔；W25X16-制造商：华邦公司W25X16，采用 SOP 封装方式存储器容量：16Mbit存储器配置：2M x 8bit针脚数：8工作温度范围：-40C to +85C存储器类型：FLASH接口类型：Serial, SPI电源电压 最大：3.6V电源电压 最小：2.7V时钟频率：75MHz数据传输率：150M-bits用来存储 TFT-1.8 寸彩屏字库，由于使用 SPI 接口，可以快速取出 FLASH 里面的字模，对显示效果没有影响；可以存储多种字体，根据个人要求；使用串口焼写更新； 1.4 人机交互使用按键来实现功能的操作，简单方便；按键共有 4 个：第一个是复位，第二个是启动轨迹记录，第三个是停止轨迹记录，第四个是上传存储数据到电脑端；同时，第二个与第三个按键有复用功能；当多次记录的次数超过 3 个时，系统会提示是否删除之前的轨迹记录，相应的选择是或者否按键； 1.5 GPS 选择ATK-NEO-6M 是一款高性能 GPS 定位模块。该模块采用 U-BLOX NEO-6M 模组，模块自带高性能无源陶瓷天线（无需再购买昂贵的有源天线了），并自带可充电后备电池（以支持温启动或热启动，后备电池在主电源断电后，可以维持半小时左右的 GPS 接收数据保存）7第二章 硬件电路 2.1 主控芯片 STM32F103C8T6图 2-1 主控外围电路Stm32f103c8t6 供电电压 3.3V，内部集成 AD 跟 DA，为了使各自的功能能正常使用，在电源供电上，使用模拟与数字分离，滤除数字信号干扰通过电源端耦合到模拟电源端，造成 AD 转换时精度不高，或者出现严重偏离实际值的现象。如图所示，实际使用时，为了布局方便，常使用 0R 电阻或者磁珠与数字电源隔离，能起到一定的抗干扰作用；芯片工作时钟为 72MHZ，本次方案时钟 72MHZ 时钟来源是使用外部 8M 晶振，通过内部锁相环构成的倍频器，使时钟经过倍频器后到达内部总线的频率达到 72MHZ。芯片内部也有集成晶振，但精度不如外部石英晶振高，只有在外部时钟出现异常时，系统会自动转化到使用内部晶振模式。晶振起振电容一般选择 10pf 到 30pf，接法如图所示；每个电源端需要加 0.1uf 的电容，能有效的降低各个系统内部功能的不正常耦合。8 2.2 TFT 液晶显示图 2-2 1.8 寸液晶引脚定义 图 2-3 最大承受电压本次方案我们使用 TFT1.8 寸液晶屏；TFT-薄膜场效应晶体管，指每个液晶显示的像素点都由场效应管电路驱动。由于 mos 管的集成度高，低功耗，在集成电路设计得到大量的应用，TFT 液晶屏成为了主流的显示设备；每个像素点可以显示不同颜色，实际像素点9内是有红绿蓝三种光源。根据实际要显示的 RGB 比例值，驱动对应的 RGB 驱动电路，从而实现像素点颜色的显示如图 2-2 所示，定义 1.8 寸液晶接口及电气类型、尺寸规格。该屏使用 II2C 与控制器进行数据传输通信；/RET ： 复位引脚控制，当高电平输入时，液晶复位A0 ： 数据/命令选择端口， A0=0 时，接收是命令；A0=1 时，接收数据；SDA ： 串行数据传输端口；可视为 II2C 数据脚，也可视为 SPI-MOSI 脚；SCK ： 串行数据传输时钟脚；/CS ： 传输接口的使能端；VDDA ： 液晶电源端口；VDDIO： 液晶 IO 口电源；VSS ： 液晶地端；LED-、LED+： 背光灯端口；如图 2-3 所示，该液晶的电源供电可以从-03 4.6V ，VDDIO 从-0.3-4.6V。结合实际使用的电源，本次都使用用 3.3V 输入，液晶能正常工作; 2.3 存储器电路图 2-4 W25X16-flash 芯片电路 使用主控芯片硬件 SPI 外设接口来驱动该芯片.PA4-SPI_NSS SPI 使能端，片选端PA5-SPI_SCK SPI 时钟脉冲端PA6-SPI_MISO SPI 主输入从输出端PA7-SPI_MOSI SPI 主输出从输入端由于本次选用的液晶不带字库，只能自己制作字库。通常把字库存放在flash，如 W25X16 即有 16M 位共 2M 字节。把制作好的字库文件通过上位机串口软件，发送到主控芯片，STM32F103C8T6 串口接收上位机发送的字库数据，接收到数据后把数据通过 SPI 方式写进 W25X16-flash 里面，这样就完成字库的更10新；液晶显示汉字时，通过计算在字库的偏移量，去读取相应的字模，然后在液晶上显示；图 2-5 AT24C64-EEPROM 芯片电路图 2-6 AT24C64 地址设置使用主控 IO 口模拟 II2C 时序实现与芯片的通讯；SCL-PB8 II2C 时钟端SDA-PB9 II2C 数据端本芯片主要用来存储经纬度海拔信息。通过上拉电阻使 II2C 通信更稳定、可靠。AT24C64 有 64K 位，容量为 8K，掉电不丢失；如图所示，该芯片的A0A1A2 均为 0，所以，地址为 1010000R/W。当控制器同时与多个 II2C 芯片连接时，通过设置不同地址来却别，保证通信的正常。W25X16-flash 与 AT24C64-EEPROM