[计算机硬件及网络]基于DSP的GPRMC定位数据提取.doc

华东交通大学课程设计 课程设计(论文)任务书 信息工程 学院 通信工程 专业 09 1 班一、课程设计(论文)题目 基于DSP的GPRMC定位数据提取 二、课程设计(论文)工作自2012 年6月 11 日起至2012 年6月15 日止。三、课程设计(论文) 地点: 图书馆 、4教4-410 。四、课程设计(论文)内容要求：1本课程设计的目的（1）使学生掌握NMEA-0183数据格式及理解GPS的基本工作原理； （2）培养学生基本掌握DSP程序设计的基本思路和方法； （3）使学生掌握DSP系统硬件调试；（4）能提高和挖掘学生对所学习知识的实际应用能力及创新能力；（5）提高学生的科技论文写作能力。 2课程设计的任务及要求1）基本要求：（1）学习NMEA-0183数据格式及理解GPS的基本工作原理；（2）熟悉DSP编程软件，熟练掌握异步串口传输方式；（3）对GPGGA定位数据进行分析；（4）提出系统软件的设计方案； （5）对所设计软件进行硬件调试即在DSP系统实验箱实现GPGGA定位数据的提取；2）创新要求： 在基本要求达到后，可进行创新设计，如改善异步串口传输程序或LCD显示程序使数据实现动态显示。3）课程设计论文编写要求（1）要按照书稿的规格打印誊写毕业论文（2）论文包括目录、绪论、正文、小结、参考文献、谢辞、附录等（3）毕业论文装订按学校的统一要求完成4）答辩与评分标准： （1）完成原理分析：10分；（2）完成设计过程：40分；（3）完成调试：40分；（4）回答问题：10分；5）参考文献：（1） 胡辉 编著. DSP应用技术 教育科学出版社（2） 邹彦 编著 .DSP原理及应用 电子工艺出版社（3） 张雄伟等编著 . DSP集成开发与应用 电子工业出版社（4） /（5） /6）课程设计进度安排：内容 天数 地点构思及收集资料 1图书馆编写程序与硬件调试 2实验室撰写论文 2图书馆、实验室学生签名： 2012 年 月 日课程设计(论文)评审意见（1）完成原理分析 （10分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （2）程序设计分析（40分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）； （3）完成调试分析（40分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（4）回答问题 （10分）：优（）、良（）、中（）、一般（）、差（）；（5）格式规范性及考勤是否降等级：是（）、否（）评阅人： 职称： 教授 2012年 月 日 33 目录绪 论41 GPS系统基本原理51.1 GPS系统介绍51.2 NMEA-0183数据格式61.2.1 GPRMC61.2.2GPGGA71.3 GPS入门术语大全72系统总体设计112.1 DSP介绍112.2 异步传输方式122.3异步通信接口芯片122.3 LCD显示152.3.2 液晶显示器的工作原理：162.4 系统设计分析172.4.1系统设计过程172.4.2 系统设计原理图183 系统程序设计203.1 CCS简介203.2 系统程序设计流程图213.3系统程序设计233.3.1 初始化程序模块233.3.2 中断程序模块233.3.3数据提取与LCD显示模块244 系统调试294.1串口调试器介绍294.2 系统调试过程294.3 调试结果与分析30结束语31参考文献32致 谢33 绪 论 GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。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，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。另外一种解释为G/s（GB per s） GPS用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。GPS卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天线单元的主要作用是：当GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号。接收单元的主要作用是：记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。微处理器是GPS接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理。目前，国际上已推出几十种测量用GPS接收机，各厂商的产品朝着实用、轻便、易于操作、美观价廉的方向发展。GPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。GPS定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中，各系列GPS接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。GPS 接收机是被动式全天候系统，只收不发信号，故不受卫星系统和地面控制系统的控制。用户数量也不受限制。GPS接收机的性能因机种不同而有差异。 接收机根据用户不同的使用需要又可分为大地型GPS接收机和导航型GPS接收机两类。 1 GPS系统基本原理1.1 GPS系统介绍GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成： 1.GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道平面的倾角为55,卫星的平均高度为20200 km,运行周期为11 h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗。GPS 卫星产生两组电码，一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz)，一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) 。2. 地面控制部分由一个主控站，5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。 3.GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出GPS接收机中心(测站点)的三维坐标。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。 1.2 NMEA-0183数据格式1.2.1 GPRMCGPS定位的数据格式为NMEA0183数据格式。NMEA0183是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式。它是在过去海用电子设备的标准格式0180和0182的基础上，增加了GPS接收机输出的内容而完成的。目前广泛采用的是Ver 2.00版本。现在除少数GPS接收机外，几乎所有的接收机均采用了这一格式。为了有效地开发GPSOEM芯片，必须熟练掌握这一格式。因此，下面介绍两种最常用的GN77N输出语句格式。a.GPS固定数据输出语句(GPGGA)这是一帧GPS定位的主要数据，也是使用最广的数据。b. GPS推荐定位信息输出语句（$GPRMC）。本实验是对此信号进行提取定位信息的，故对其格式列出如下：Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐定位信息。$GPRMC,*hh UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式 定位状态，A=有效定位，V=无效定位 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） 纬度半球N（北半球）或S（南半球） 经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） 经度半球E（东经）或W（西经） 地面速率（000.0-999.9 节，前面的0 也将被传输） 地面航向（000.0-359.9 度，以真北为参考基准，前面的0 也将被传输） UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式 磁偏角（000.0-180.0 度，前面的0 也将被传输） 磁偏角方向，E（东）或W（西） 模式指示（仅NMEA0183 3.00 版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）1.2.2GPGGA$GPGGA,M,M,*hh UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） 纬度半球N（北半球）或S（南半球） 经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） 经度半球E（东经）或W（西经） GPS 状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算 正在使用解算位置的卫星数量（00-12）（前面的0 也将被传输） HDOP水平精度因子（0.5-99.9） 海拔高度（-9999.9-99999.9） 地球椭球面相对大地水准面的高度 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） 差分站ID 号0000-1023（前面的0 也将被传输，如果不是差分定位将为空）1.3 GPS入门术语大全GPS常碰到的一些术语：1.坐标(coordinate)有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3微坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式，显示坐标，而且还可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。坐标的精度在Selective Availability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。在SA关闭时，精度能达到15米左右。高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择，一般有hddd.ddddd,hddd*mm.mmm，hddd*mmss.s(其中的“*”代表“度”，以下同)地球子午线长是39940.67公里，纬度改变一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地区纬在北纬40度左右，纬度圈长为40075*sin(90-40),此地经度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。大部分GPS都有计算两点距离的功能，可给出两个坐标间的精确距离。高度的显示会有英制和公制两种方式，进GPS的SETUP页面，设置成公制，这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。2.路标(Landmark or Waypoint) GPS内存中保存的一个点的坐标值。在有GPS信号时，按一下MARK键，就会把当前点记成一个路标，它有个默认的一般是象LMK04之类的名字，你可以修改成一个易认的名字(字母用上下箭头输入)，还可以给它选定一个图标。路标是GPS数据核心，它是构成“路线”(见3)的基础。标记路标是GPS主要功能之一，但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标，手工或通过计算机接口输入GPS，成为一个路标。一个路标可以将来用于GOTO功能(见5)的目标，也可以选进一条路线Route，见3.)作为一个支点。一般GPS能记录500个或以上的路标。3.路线(ROUTE) 路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条腿(leg)。常见GPS能存储20条线路，每条线路30条腿。各坐标点可以从现有路标中选择，或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为一个路标(Waypoint/Landmark)保存。实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用，比如你在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标，如果某条路线使用了它，你会发现这条线路也发生了同样的变化。可以有一条路线是活跃(Activity)的。“活跃”路线的路点是导向(见5)功能的目标。4.前进方向(Heading) GPS没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来，它就能知道自己的运动方向。GPS每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就可以知道前进的方向，请注意这并不是GPS头指的方向，它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。不同GPS关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方向，所以除非你已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的，尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。方向的是以多少度显示的，这个度数是手表表盘朝上，12点指向北方，顺时针转的角度。有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。一般同时还显示前进平均速度，也是根据最近一段的位移和时间计算的。5.导向(Bearing) 导向功能在以下条件下起作用：1.)以设定走向(GOTO)目标。走向目标的设定可以按GOTO键，然后从列表中选择一个路标。以后导向功能将导向此路标。2.)目前有活跃路线(Activity route)。活跃路线一般在设置-路线菜单下设定。如果目前有活动路线，那么导向的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。在导向页面上部都会标有当前导向路点名称(ROUTE里的点也是有名称的)。它是根据当前位置，计算出导向目标对你的方向角，以与前进方向相同的角度值显示。同时显示离目标的距离等信息。读出导向方向，按此方向前进即可走到目的地。有些GPS把前进方向和导向功能结合起来，只要用GPS的头指向前进方向，就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏角，跟着这个箭头就能找到目标。6.日出日落时间(Sun set/raise time) 大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间，这在计划出发/宿营时间时是有用的。这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间，在山区因为有山脊遮挡，日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。GPS的时间是从卫星信号得到的格林尼制时间，在设置(setup)菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，应设+8小时，此值只与时间的显示有关。7.足迹线(Plot trail) GPS每秒更新一次坐标信息，所以可以记载自己的运动轨迹。一般GPS能记录1024个以上足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。足迹点的采样有自动和定时两种方式自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行走时不记点；定时采样可以规定采样时间间隔，比如30秒、一分钟、5分钟或其他时间，每隔这么长时间记一个足迹点。在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。你可以开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。“足迹”线上的点都没有名字，不能单独引用，查看其坐标，主要用来画路线图(计算机下载路线?)和“回溯”功能。很多GPS有一种叫做“回溯”(Trace back)的功能，使用此功能时，它会把足迹线转化为一条“路线”(ROUTE)，路点的选择是由GPS内部程序完成的一般是选用足迹线上大的转折点。同时，把此路线激活为活动路线，用户即可按导向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般会把回溯路线放进某一默认路线(比如route0)中，看你GPS的说明书，使用前要先检查此线路是否已有数据，若有，要先用拷贝功能复制到另一条空线路中去，以免覆盖。回溯路线上的各路点用系统默认的临时名字如T001之类，有的GPS定第二条回溯路线时会重用这些名字，这时即使你已经把旧的路线做了拷贝，由于路点引用的名字被重用了，所以路线也会改变，不是原来那条回溯路线了。请查看你GPS的使用说明书，并试用以明确你的情况。有必要的话，对于需要长期保存的TraceBack路线，要拷贝到空闲路线，并重命名所有路点名字。GPS 的热启动 冷启动和温启动启动GPSGPS开机定位分为冷启动、温启动和热启动三种： 冷启动：以下几种情况开机均属冷启动。初次使用时；电池耗尽导致星历信息丢失时；关机状态下将接收机移动1000公里以上距离。 温启动：距离上次定位的时间超过两个小时的启动。 热启动：距离上次定位的时间小于两个小时的启动。 有时候如果机器有软件问题，需要进行冷启动，冷启动可以使用gpsviewer进 2系统总体设计2.1 DSP介绍 数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）, 就是对信号的数字处理。它是利用数字计算机或专用数字硬件，对数字信号进行的一切变换或按预定规则进行的一切加工处理的运算就称为数字信号处理。DSP狭义理解为Digital Signal Processor数字信号处理器，广义理解可为数字信号处理技术。 DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：（1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3） 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5） 快速的中断处理和硬件I/O支持；（6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7） 可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 2.2 异步传输方式 异步传输（Asynchronous Transmission）： 异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。在异步传输方式中，每传送一个字符（7或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和效验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用。2.3异步通信接口芯片 UART只是一个串行的异步接口它负责对要发送的数据进行格式化和对收到的数据进行译码。它对数据是打包发送和接收的，每一包数据前有一个起始位，末有一个或多个停止位。数据包里的数据是从低位到高位逐位进行发送的。为了对数据进行校验，有时还可以在数据里加上校验位。在没有数据发送或接收时，该数据线总是处于高电平。它有如下的一些特点：(1)数据的长度可变，可以是 5位，6位，7位或 8位；(2)波特率可变，位传输的速率可以通过编程来实现，在UART中有一个寄存器可以对主频时钟进行分频来产生相应的波特率；(3)校验位的产生和检测，在发送一个字符的时候，UART在发送时在数据位的末尾上附加一个校验位，当接收这个字符的时候，就可以利用这个校验位来来检查在接收过程中有没有发生错误；(4)可以设置中断，通过软件可以模拟当异步串口发送0的个数超过数据包的长度的时候(表明发送异常)，可通过设置中断处理事件。串行通信的流程图如图2所示。 图 1下面对TMS32F240和PC机通信有关的寄存器做一些简单介绍。表1 TL16CTL16C550C的寄存器寄存器DLABA2A1A0地址操作接收缓冲器RBR000000H只读发送缓冲器THR000000H只写中断使能寄存器IER000101H读/写中断标志寄存器IIRX01002H只读FIFO控制寄存器FCRX01002H只读线路控制寄存器LCRX01103H读/写MODEM控制寄存器MCRX10004H读/写线路状态寄存器LSRX10105H读/写MODEM状态寄存器MSRX11006H读/写暂存寄存器SCR100007H读/写低位除数寄存器DLL100100H读/写高位除数寄存器DLM100101H读/写线路控制寄存器(LCR)用来存放串行通信的二进制数据格式，LCR是一个8位寄存器，各位的定义如下：D1D0：字长选择位，D1D0=00、01、10、11字长分别为5位、6位、7位、8位；D2：停止位，D2=0停止位为1位，D2=1时，停止位数由D1D0决定，数据位为5、6、7、8位时，停止位分别为：1.5、2、2、2位；D4D3：确定要不要奇偶校验以及奇偶校验的性质，D3=0不进行奇偶校验D3=l进行奇偶校验，D4=0进行奇校验，D4=1进行偶校验；D5：奇偶校验附加位；D5D4D3=111，传送奇偶位后该位清零，D5D4D3=101，传送奇偶位后该位置1，D5=0时附加位无效；D6：中断控制位，D6=1，强制SOUT引脚为空闲状态；D7：波特率因子寄存器访问位(DLAB)，D7=l访问波特率因子寄存器，D7=0访问其他寄存器。两个8位波特率因子寄存器可构成一个16位波特率因子寄存器。TL16C55OC的内部波特率发生器可产生发送数据的时钟信号。波特率因子可以通过下面的式子计算：波特率因子=基准时钟频率/(16x波特率)可以任意选择写入波特率因子的高字节和低字节的顺序，但写入前必须置线路控制寄存器(LCR)的D7(DLAB)位为1。写入波特率因子后应将线路控制寄存器的D7清零，以便访问其他寄存器。在外接晶振为3.6864MHZ时，几种常用的波特率所对应的波特率因子寄存器的值如表2：表2 波特率设置波特率（bps）高位除数寄存器DLM低位除数寄存器DLL120000HC0H240000H60H480000H30H960000H18H1920000H0CH3840000H06H2.3 LCD显示2.3.1 LCD的工作原理： 我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的(或扁形的)，它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，又简称“液晶”。液晶产品其实对我们来说并不陌生，我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。液晶是在1888年，由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶型态为向列型液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。1.被动矩阵式LCD工作原理：TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之间的显示原理基本相同，不同之处是液晶分子的扭曲角度有些差别。下面以典型的TN-LCD为例，向大家介绍其结构及工作原理。 在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻璃基板，内夹着彩色滤光片、配向膜等制成的夹板，外面再包裹着两片偏光板，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片，有规律地制作在一块大玻璃基板上。每一个像素是由三种颜色的单元(或称为子像素)所组成。假如有一块面板的分辨率为12801024，则它实际拥有38401024个晶体管及子像素。每个子像素的左上角(灰色矩形)为不透光的薄膜晶体管，彩色滤光片能产生RGB三原色。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下夹层中填充了多层液晶分子(液晶空间不到510-6m)。在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90度。其中，邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。在接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列，而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。最后再封装成一个液晶盒，并与驱动IC、控制IC与印刷电路板相连接在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。而液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。当液晶层施加某一电压时，由于受到外界电压的影响，液晶会改变它的初始状态，不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。因此经过液晶的光会被第二层偏光板吸收而整个结构呈现不透光的状态，结果在显示屏上出现黑色。当液晶层不施任何电压时，液晶是在它的初始状态，会把入射光的方向扭转90度，因此让背光源的入射光能够通过整个结构，结果在显示屏上出现白色。为了达到在面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。2.主动矩阵式LCD工作原理：TFT-LCD液晶显示器的结构与TN-LCD液晶显示器基本相同，只不过将TN-LCD上夹层的电极改为FET晶体管，而下夹层改为共通电极。 TFT-LCD液晶显示器的工作原理与TN-LCD却有许多不同之处。TFT-LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传导光线。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。2.3.2 液晶显示器的工作原理：LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。（如图2） 图2 光线穿透示意图LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。（如图3） 图3光线阻断示意图然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。2.4 系统设计分析2.4.1系统设计过程 数据采集系统主要由串口、液晶显示器、键盘组成，分别完成接收GPS数据、显示信息、以及按键控制。所以必须掌握DSP的串口通信、液晶显示原理、按键扫描原理。串口接收数据主要是在实验8的基础上进行改进将接收到的数据进行存储，然后就是将接收下来的数据进行处理识别，先判断帧头部分再是各部分的参数信息。分别将他们提取出来然后放到液晶上显示。再这整个过程中按键就是控制接收哪部分信息以及液晶翻页功能。本系统中还加入中断按键响应。即实现数据的动态显示实时接收GPS的数据。TMS320VC5416与PC机通过TL16C550扩展RS232串口实现串行通讯，其原理图如图7所示。 图42.4.2 系统设计原理图 接收模块主要由GPS接收机、数据处理软件以及相应的用户设备所组成。其主要完成接收卫星信号，从而获得导航或定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。整个系统框架图如下图5所示。 GPS接收机数据处理软件相应用户设备GPS卫星信号 图 5接收模块整体结构图 对本次课程设计来讲，DSP模块是最重要的部分，就是通过DSP模块来对从串口接收到的定位信息来进行处理，提取其中的参数，这些处理都是通过编写程序然后下载到DSP实验箱来实现的。DSP系统的架构图如下图6所示。DSP模块串口（定位信息）键盘操作模块LCD显示LCD显示模块图6 DSP接收显示系统框图 因为DSP实验箱上有键盘，可以通过对键盘的操作来实现数据的显示，所以必须要设计键盘操作程序来定义键盘上某些键的功能，从而更方便的来控制数据的显示。因为经过DSP模块处理后的参数需要在实验箱上的LCD上显示，显示时需要对显示的内容在LCD屏上进行行和列的排列，设置不好的话可能会出现有些参数无法显示的情况，所以LCD显示模块的设置是必须的。 3 系统程序设计3.1 CCS简介CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境,在Windows操作系统下，采用图形接口界面，提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。 CCS有两种工作模式：软件仿真器模式：可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。 硬件在线编程模式：可以实时运行在DSP芯片上,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。 CCS的开发系统主要由以下组件构成： 1. TMS320C54x集成代码产生工具； 2.CCS集成开发环境； 3. DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API； 4. 实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API； 5. 由TI公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。 CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C+和汇编的混合编程，其主要功能如下： 1. 具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写C、汇编、.cmd文件等； 2. 含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中； 3. 高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发现语法错误； 4. 工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理； 5. 基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持C源代码级调试； 6. 断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置； 7. 探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等； 8. 分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟； 9. 数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示,包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新；10. 提供GEL工具。利用GEL扩展语言，用户可以编写自己的控制面板/菜单，设置GEL菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等； 3.2 系统程序设计流程图1. 图7所示的为系统初始化的程序流程图，主要是DSP的状态等待寄存器以及状态控制寄存器的初始化，还有系统中用到的DSP的硬件外部中断1所以要对其初始化，用到了12864液晶所以要对GPIO初始化操作以及12864液晶的初始化操作，然后在12864液晶上显示按键的控制信息，最后关闭实验箱上所有的LED即完成了系统的初始化过程。 图 72. 图8主要是说明了按键控制GPS定位数据提取以及12864液晶显示数据信息的整个程序流程图。 图83.3系统程序设计3.3.1 初始化程序模块DSP初始化：1、首先要定义寄存器如，对软件等待状态寄存器（SWWSR）和软件等待状态控制寄存器（SWSR）进行宏定义如下：#define SWWSR *(volatile unsigned int *)(SWWSR_ADDR)#define SWCR *(volatile unsigned int *)(SWCR_ADDR)2、对寄存器进行读写操作，io、ram和rom的等待周期进行设置。（1）、对TL16C550C的寄存器进行宏定义，通过地址线定义TL16C550C的各个寄存器（2）、对TL16C550C的寄存器进行初始化，整个程序时通过总线的形式进行操作的。在对各个寄存器操作前，要先对线路状态寄存器进行操作。采用的是3.6864Mz的晶体振荡器，得到速度为9600Baud、字长为8bit、无奇偶校验位、1为停止位的数据流。3.3.2 中断程序模块 首先设置中断标志寄存器（Interrupt Flag Register）和中断屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register,IMR）,程序如下：IFR =0xffff; IMR =0x0002; /TINT=IMR.3EXINT1=IMR.1在这里只使能外部中断1有效，对应的在Lsvects.s54里设置中断入口地址以及跳转函数int1: B _EXINT1_isr NOP NOP NOP上述过程主要是设置中断入口地址，下面主要是main函数里面的中断服务子函数interrupt void EXINT1_isr()/中断服务子程序flag=0;/当中断产生时则立马将标志flag清零从而退出数据接收循环cur_row=5; cur_col=15; LCD_clear(0);/清液晶显示屏 display();/显示主菜单在程序中，主要是利用中断来改变标志位flag，从而有效的控制接收数据函数从大循环中退出来。使液晶显示数据可以动态显示。3.3.3数据提取与LCD显示模块(1) 数据提取关键代码分析：先讲下串口接收函数while(!(UART_LSR & 0x01)/这个就是判断LSR的第0位当接收到数据时该位则置高，否则一直是0那么一直执行return(0xffff),if(ii+2000000) return(0xffff);/当接收到数据时则不执行while循环立马返回接收到的数据return(UART_RBR);Uart_Init(); /串口初始化for(ii=0;iishuzunum;ii+)/先将上次存储的数据全部清空 dataii =0; while(1)dojj = Uart_rx();/变量jj存下串口接收过来的数据while(jj=0xFFFF);/在程