基于MSP430的自行车户外运动系统

20112012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题目基于MSP430的自行车户外运动系统学校西安电子科技大学组别专业组应用类别仪器仪表类平台MSP430题目基于MSP430的自行车户外运动系统摘要本系统基于MSP430F169，主要由GPS模块，传感器模块、显示模块和充电模块组成。基本功能为测量温度湿度光照度等环境参数，GPS定位测速等。除此之外，系统自带实时钟，还具有路径记录功能，并且可以通过上位机，在GOOGLEEARTH上绘制出记录的路径。下位机通过点阵LCD显示，背光由PWM控制，配合光照度传感器可以做到自适应背光。系统用锂电池供电，带充电模块，整体小巧灵活，人机界面友好，可以用于单车、登山等户外运动上。ABSTRACTINTHISPAPER,WEPROPOSEELECTRONICEQUIPMENTFOROUTDOORSPORTS,WHICHISBASEDONMSP430F169THESYSTEMMAINLYCONSISTSOFTHEGPSMODULE,THESENSORMODULE,THEDISPLAYMODULEANDTHECHARGINGMODULETHEBASICFUNCTIONOFTHISSYSTEMISMEASURINGENVIRONMENTALPARAMETERSSUCHASTEMPERATURE,HUMIDITYANDILLUMINATIONWITHTHISEQUIPMENT,POSITIONINGANDSPEEDDETECTIONCANBEREALIZEDYOUCANRECORDYOURCOORDINATESANDUPLOADTHEMTOTHECOMPUTER,THENDRAWTHEPATHINGOOGLEEARTHTHEDEVICEISPOWEREDBYBATTERYITSFEATURESINCLUDEAUTOMATICBACKLIGHT,FRIENDLYHUMANMACHINEINTERFACEANDCOMPACTSIZEITISAGOODHELPERFOROUTDOORSPORTS1引言随着身边越来越多的人选择登山自行车等户外运动作为工作之余的休闲调整和健身，人们对户外运动衍生出来的相关设备需求越来越大，这将是一个广阔的市场。对于学生或者工薪阶层等初级爱好者来说，购买发烧友级的专业仪器和设备过于昂贵。在如此背景之下，本文设计了一个具有同等功能的低成本简易电子设备，系统设计灵活，可以根据需要删减相应模块。基本功能可以作为户外运动环境参数检测仪，带有GPS定位、高度速度测量和路径记录功能，非常适合初级户外运动爱好者。2系统方案整个系统由若干模块构成，系统方案框图如图21所示MCUGPSLCDPCEEPROMBATTERYOTHERSENSORS图21系统框图系统由GPS、SHT10、ON9658等传感器模块、LCD显示模块、EEPROM存储模块、RTC模块、通讯模块和锂电池充电模块构成。主要思路硬件方面MSP430F169主控，处理各个传感器测量的信息；LCD实时显示；EEPROM存储路径信息；通讯模块配合上位机使用，通过USB转串口，把记录的数据上传到PC机；USB口同时起到锂电池充电的作用。对外围模块的电源管理，采用跟MCU最小系统分开供电的方法，这样就可以随时关闭暂时不用的传感器，以节省电能。定位手持式设备，电池供电，选用的器件都是低功耗器件。软件方面考虑到作为人机交互的LCD要显示的内容比较多，所以加入了按键模块，采用了层级菜单设计，一级菜单为模块菜单，二级菜单则是各个模块的内部菜单。由于选用的MSP430F169资源丰富，系统留有硬件升级接口，可以外扩GSM/GPRS等其他模块。3系统硬件设计31供电模块系统有两种供电方式USB供电和锂电池供电。平时使用锂电池供电，跟上位机通信的时候使用USB供电，同时USB给锂电池充电。因为是低功耗的设计，电源芯片的选择很重要，应选择静态电流尽量小功耗尽量低的芯片。本设计选用的是TI的TPS79733和TPS78233。TPS79733具有超低的静态电流（在10MA时静态电流典型值为12A），可以提供50MA的电流，用来给MCU最小系统供电。TPS79733带有POWERGOOD指示功能，把PG引脚连接到单片机中断引脚上，以此实现指示电源状态，系统电量不足提醒功能。TPS78233则是单路固定输出提供150MA电流，静态电流仅有05A的LDO。TPS78233带有使能引脚，用来给传感器模块供电，这样在待机的状态下，可以关闭TPS78233以节省电能。选择两个稳压芯片是因为系统设计分开供电。最小系统和外围设备两部分分开供电，系统在待机的时候可以关闭某些不用的模块，使系统处于待机状态的时候耗电最小。32充电模块系统设计力求外围电路简单，方便紧凑。设计充电器具有自动充电，温度检测，三段式充电模式等功能，结合这些要求，选用TI公司的BQ2057锂电池充电管理芯片。BQ2057系列是美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片，BQ2057系列芯片适合单节41V或42V或双节82V或84V锂离子LIION和锂聚合物LIPOL电池的充电需要，利用该芯片设计的充电器外围电路及其简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性。设计参考芯片DATASHEET中TI的官方方案。电路如图31图31锂电池充电模块电路33GPS系统模块GPS选用的是韩国JCOM公司的C3370C模块，SIRFIII芯片，内置天线模块。灵敏度高，搜星速度快，模块有使能引脚，可以单独开关。MSP430和GPS通过串口通信，MSP430对接收到的报文进行解码，并且通过LCD实时显示。界面设计如图32所示，实际效果见附录。GPS信号卫星数目通讯信号记录数据电池状态高度速度水平精度定位状态北京时间日期GPS运行状态纬度经度记录模式上传状态图32GPS界面设计界面可实时显示GPS运行状态、信号强度、经纬度、速度高度、日期时间等大量信息。通过按键操作，实现GPS的运行/暂停，坐标数据的记录/删除，自动/手动记录的切换，上位机通信等功能。用EEPROMAT24C64记录坐标信息。一条信息包括日期时间和经纬度共64个字节，一共可以存储512条记录，按1MIN/条计算，可以不间断存储8小时。信息的记录既可以手动按键记录，也可以通过菜单切换成间隔时间为10S/30S/60S/90S的自动记录。记录在EEPROM中的数据通过串口传给上位机，上位机软件转换数据，也可直接输出KML文件，在GOOGLEEARTH中打开绘制路径。34通信模块通信模块主要实现GPS、MCU、PC之间的两两通信，三者通过串口通信，通过拨码开关来切换，具体硬件如图33所示图33通信切换原理图拨码开关12是MCU跟PC通信；34是GPS跟PC通信；56是GPS跟MCU通信，需要注意的是，同一时刻只能实现一组通信，即只能开启一组开关。实际效果如下1MCU跟PC通信，上传记录的坐标数据。上位机主要实现对记录数据的转换，生成可以在GOOGLEEARTH中直接打开的KML文件。图34MCU和PC通信2GPS跟PC通信，PC机软件显示解码信息。图35GPS和PC通信3MCU跟GPS通信，LCD显示解码信息。图36MCU和GPS通信35传感器及相关模块温湿度传感器选用的是SHT10，SHT10是低功耗的数字温湿度传感器，数字信号输出，具有长期稳定性。SHT10的接口定义如下图所示图37SHT10的管脚定义传感器性能相对湿度分辨率12位，精度45RH；温度分辨率14位，精度05C。正常工作时功耗仅为2W。硬件设计典型连接图图38SHT10的硬件连接图光照度传感器选用的是ON9658，典型入射波长为P520NM，内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。适合电视机、LCD背光、数码产品、仪器仪表、工业设备等诸多领域的节能控制、自动感光、自适应控制。所以在本设计中用它来控制LCD的自动背光。硬件设计图如下所示ADCON9658MSP430PWMLCD_BACKLIGHTVCCRC图39ON9658电路设计在VCC和R一定时,ON9658输出电压随光照强度增大，最大为2/3VCC。下拉电阻R和电源VCC同时决定光照度范围，R与光照范围成反比，VCC与光照范围成正比。实际上R过小会引起器件功耗增大，VCC过高影响器件寿命。适当选择C会提高输出稳定性。RTC时钟芯片选用的是PCF8563，与EEPROM共享IIC总线。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含IIC总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，功耗典型值为025A。设计中，如果GPS有信号，那么可以通过按键操作“校表”，即按照当前GPS标准时钟设置PCF8563。平时使用显示的时间是PCF8563的本地时间。36显示模块显示用的是NOKIA5110点阵液晶屏，8448像素，背光可以手动开启和关闭，也可以选择自适应背光（通过PWM控制，配合光照度传感器ON9658实现），即外界光强，LED背光弱，外部光弱，LED背光强。设置界面如下图图310系统背光设置界面4系统关键部分软件设计41GPS解码C3370C模块接收卫星信号，遵守NMEA0183协议标准，以ASCII格式输出，波特率9600BIT/S，数据位8位，停止位1位，无奇偶校验。单片机通过串口接收，对接收到的数据以帧为单位，按照NMEA0183协议解码。MEA0183协议语句的数据格式如下“”为语句起始标志；“，”为域分隔符；“”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代表了“”和“”之间所有字符的按位异或值（不包括这两个字符）；“/”为终止符，所有的语句必须以回车换行来结束，也就是ASCII字符的“回车”（十六进制的0D）和“换行”（十六进制的0A）。C3370C模块主要输出RMC和GGA语句，具体含义如下所示GPRMC例GPRMC,024813640,A,31584608,N,118483737,E,1005,32427,150706,A50字段0GPRMC，语句ID，表明该语句为RMC，推荐最小定位信息字段1UTC时间，HHMMSSSSS格式字段2状态，A定位，V未定位字段3纬度DDMMMMMM，度分格式（前导位数不足则补0）字段4纬度N（北纬）或S（南纬）字段5经度DDDMMMMMM，度分格式（前导位数不足则补0）字段6经度E（东经）或W（西经）字段7速度，节，KNOTS字段8方位角，度字段9UTC日期，DDMMYY格式字段10磁偏角，（000180）度（前导位数不足则补0）字段11磁偏角方向，E东W西字段16校验值GPGGA例GPGGA,092204999,42505589,S,147185084,E,1,04,244,197,M,00001F字段0GPGGA，语句ID，表明该语句为GGA，GPS定位信息字段1UTC时间，HHMMSSSSS，时分秒格式字段2纬度DDMMMMMM，度分格式（前导位数不足则补0）字段3纬度N（北纬）或S（南纬）字段4经度DDDMMMMMM，度分格式（前导位数不足则补0）字段5经度E（东经）或W（西经）字段6GPS状态，0未定位，1非差分定位，2差分定位，3无效PPS，6正在估算字段7正在使用的卫星数量（0012）（前导位数不足则补0）字段8HDOP水平精度因子（05999）字段9海拔高度（99999999999）字段10地球椭球面相对大地水准面的高度字段11差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）字段12差分站ID号00001023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空）字段13校验值根据语句最大长度，程序中定义了一个96字节的缓冲区，一次接收一条GPS语句之后再进行解码，即根据需要读取相关数据。需要注意的是中国所在的时区是东八区，所以解码得到的小时数据需要加8才是相应的北京时间。42LCD显示LCD显示采用了部分刷屏的设计，即只刷新需要更新的区域，这样节省了大量资源。在显示模拟时钟的时候，需要刷新较大面积的区域。为了避免直接操作LCD时LCD闪烁和显示错位的问题。程序中开辟了显示缓冲区，对模拟时钟指针的操作在缓冲区里进行，操作完成LCD直接显示缓存区的数据。基于NOKIA5110液晶屏，做了对应的UI。GPS界面，具体介绍参见33节。图41GPS显示界面时钟界面，显示屏左半部分是模拟时钟和星期，右半部分是日历和数字时钟。图42时钟显示界面温湿度界面，界面采用温湿度计的风格，使显示更加直观和美观。图43温湿度显示界面光照度界面，第一行是光照度，第二行是对应的MSP430的ADC采样电压。图44光照度显示界面43交互菜单菜单设计使用层级菜单，第一级菜单运用PAGE的概念，用一个按键控制，对应如下PAGE0显示GPS界面PAGE1显示RTC界面PAGE2显示温湿度界面PAGE3显示光照度界面PAGE4显示背光控制界面KEY1控制第一级PAGE菜单，剩余的KEY2KEY4则用作各个PAGE里的二级菜单控制。按键通过中断处理，这样主函数就变得很简洁INTMAINVOIDWDTCTLWDTPWWDTHOLDINITIAL/系统初始化WHILE1SWITCHPAGECASE0LCD_REFRESH_GPSBREAKCASE1LCD_REFRESH_CLOCKBREAKCASE2LCD_REFRESH_TRHBREAKCASE3LCD_LED_AUTO1BREAKCASE4BREAKIFBACK_LIGHT3LCD_LED_AUTO044程序流程图开始系统初始化刷新LCD主程序按键中断程序