（计算机科学与技术专业论文）手持定位装置的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 随着科技的进步，g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 的应用领域也在不断的扩展， 尤其是在欧美等的发达国家，g p s 技术应用十分广泛，已经应用于勘探，定位导航， 野外探险，科学研究等领域。当前国内g s m 技术发展的已经十分成熟，使用非常 方便，许多公司也正在积极的将两项技术进行结合，希望逐步将它们的应用深入 到人们的日常生活当中去。在这种条件下，本文提出了开发便携式手持定位装置， 主要应用于人员和车辆安全保卫，特殊目标跟踪，紧急情况呼救，特殊群体管理 等场合。 本文在定位装置需求分析的基础上，查找和阅读大量相关文献与资料，提出 软硬件设计方案，并在仿真环境下验证了该方案的有效性。首先，对定位装置技 术背景和需求进行分析，确定装置所需的功能和实现这些功能所需要的技术手段。 该装置以a t 8 9 c 5 2 单片机作为主控芯片协调和控制各个模块的工作；采用瑞士 u b l o x 公司的l e a 5 sg p s 模块来接收卫星数据，w a v e c o m 公司的w i s m oo u i k q 2 4 0 6 b 通讯模块用来接收控制命令，向用户发送定位信息和反馈信息，并用来进 行电话呼叫等；主控芯片与g p s 和g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 模块通过串口进行通讯；人机交互界面设计了液晶显示屏，按键，指示灯；并通 过s i m 卡存储信息。软件设计是本文的重点，软件设计采用模块化的开发方法，设 置g p s 信息处理模块，g s m 信息处理模块和人机交互模块；g p s 接收信息参考 n e m a 0 1 8 3 协议，g p s 配置信息参考u - b l o x 公司专用的u b x 协议；g s m 模块通过a t ( a t t e n t i o n ) 命令来控制接收和处理短信息命令以及控制其他功能，同时本文设计 了用户发送的短信息命令格式，设定了s i m 卡存储空间等。 本课题在设计的基础上，搭建硬件电路平台，并在此平台上用m e d w i n 仿真器 进行软件编程和调试，实现装置的主要功能。 关键词：g p s ：g s m ：n n e a - 0 18 3 ；u b x 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) a p p l i c a t i o n sa l s oc o n t i n u e st oe x p a n d ，e s p e c i a l l yi ne u r o p ea n dt h eu n i t e ds t a t e sa n d o t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，g p st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d ，g p sn a v i g a t i o n ，f i e l d e x p l o r a t i o n ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n do t h e rf i e l d s t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fd o m e s t i c g s mt e c h n o l o g yi sv e r ym a t u r e ，c o n v e n i e n ti nu s e ，m a n yc o m p a n i e sa r ea l s oa c t i v e c o m b i n a t i o no ft w ot e c h n o l o g i e s ，h o p i n gt ob et h e i ra p p l i c a t i o ng r a d u a l l yi n t op e o p l e s d a i l yl i v e s u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to fp o r t a b l e h a n d h e l dp o s i t i o n i n gd e v i c e ，m a i n l yu s ei ns e c u r i t yp e r s o n n e la n dv e h i c l e s ，s p e c i a l t a r g e tt r a c k i n g ，e m e r g e n c yh e l p ，s p e c i a lo c c a - s i o n s ，g r o u pm a n a g e m e n t ，a n ds oo n i nt h i sp a p e r , b a s eo nt h en e e d sa n a l y s i so ft h ep o s i t i o n i n gd e c i c e s ，r e a d i n ga n d f m d i n gag r e a td e a lo fr e l e v a n tl i t e r a t u r ea n dp r o p o s e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g np l a n , a n dv e r i f yt h i sp l a n sv a l i d i t yi nt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t f i r s t ，a n a l y a e t h eb a c k g r o u n do ft e c h n o l o g ya n dn e e d sf o rt h ep o s i t i o n i n gd e v i c e s ，d e t e r - m i n et h e f u n c t i o n so fd e v i c e sa n dt h et e c h n i c a lm e a n st oa c h i e v et h e s ef u n c t i o n s a t 8 9 c 5 2 s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ri st h em a s t e rc h i pi nd e v i c e st oc o - o r d i n a t ea n dc o n t r o lt h e w o r ko fe a c hm o d u l e ；t h ec o m p a n yo fs w i s su b l o x sl e a 一5 sm o d u l ei su s e dt or e c e i v e g p ss a t e l l i t ed a t a , t h ec o m p a n yo fw a v ec o m sw i s m oq u i kq 2 4 0 6 bm o d u l ei s u s e dt or e c e i v ec o m m a n d sa n ds e n dl o c a t i o ni n f o r - m a r i o na n df e e d b a c ki n f o r m a t i o nt o t h eu s e r ，a n du s ef o rc a l l i n ga n ds oo n m a s t e rc h i pw i t hg p sa n dg s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) m o d u l a rc o m m u n i c a t et h r o u g h t h es e r i a l p o r t ； h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nd e s i g nl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，b u t t o n , i n d i c a t o rl i g h t ； i n f o r m a t i o n ss t o r et h r o u g ht h es i mc a r d ；s o f t w a r ed e s i g ni st h ef o c u si nt h ep a p e r ，t h e d e s i g na p p r o a c ho fs o f t w a r eu s ef o rm o d u l a r ，s e tu pg p si n f o r m a t i o np r o c e s s i n g m o d u l e ，g s mi n f o r - m a t i o np r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o d u l e ；g p sc o n s u l tn e m a 0 18 3p r o t o c o lt or e c e i v e i n f o r m a t i o n ，g p sc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o nr e f e rt ot h ec o m p a n yu - b l o xs p e c i f i cu b x p r o t o c o l ，u s et h ea t ( a t t e n t i o n ) c o m m a n dt oc o n t r o lt h er e c e i p ta n dp r o c e s s i n go fs h o r t m e s s a g ec o m m a n da n dc o n t r o lo t h e rf u n c t i o n sf o rg s mm o d u l e ；a tt h es a m et i m ei nt h i s 英文摘要 p a p e rd e s i g nt h ef o r m a tf o ru s e rt ou s et os e n ds h o r tm e s s a g ec o m m a n d s ，s e ts i mc a r d s t o r a g es p a c ea n ds oo n t h i st o p i c si nt h ed e s i g nb a s i s ，b u i l dh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n do nt h i sp l a t f o r m p r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n gs o f t w a r e 埘mt h em e d w i ne m u l a t o r s ，r e a l i z e st h em a i n f u n c t i o no f t h ed e c i c e s k e yw o r d s ：g p s ；g s m ；n m e a - 0 1 8 3 ：u b x 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：王挂定僮苤量盥遮让生塞现：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 槲缁气节蝥 手持定位装置的设计与实现 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 随着科技的进步，硬件配置和软件技术飞速发展，g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 的应用领域也在不断的扩展，尤其是日本，美国和欧盟的很多发达国家，g p s 技术 的应用已十分普及，技术也非常先进，已经应用于勘探，定位导航，野外探险， 科学研究等领域，但在国内g p s 的使用还处于起始阶段。当前国t 为g s m 技术已经十 分成熟，方便快捷，和其他的无线传输方式相比g s m 技术也拥有自己的优势【l 】。 许多公司也在积极的将两项技术进行结合，希望逐步将其应用深入到人们的日常 生活当中。 基于此背景条件，本文应海航科技公司的要求，与服务运营商联合，设计开 发一款集g p s & g s m 技术于一身的便携式手持定位装置，要求使用现有的s i m 卡， 体积小，定位速度快，人机交互界面简单，操作方便，可靠性高等。设计该装置 主要应用于人员和车辆安全保卫，特殊目标跟踪，紧急情况呼救，特殊群体管理 等场合。必要时用户可以通过触发s o s 紧急按钮，向运营服务中心发送紧急求救信 息，并且可以单项接通电话，监听现场情况；还可以拨打依次拨打s i m 卡中存储的 电话；装置由后台服务运营中心提供定制的服务。 本课题的研究意义在于，将g p s 技术和g s m 技术进行有效的融合，设计一种功 能相对简单的手持定位装置，并由服务运营商给予服务支持，将人们熟悉的技术 应用到关爱老人、儿童、残疾人等群体以及保护财产、工作调度及特殊场合管理、 跟踪动物等领域中，让其满足人们应用的需求。并且使其比市场上现有的产品功 能更全面，服务更加可靠。 1 2 论文所做的工作 本课题设计所做的工作是在需求分析的基础上，查阅大量文献，了解无线传 输相关的技术，熟悉相关的开发技术，并在此基础上进行软硬件设计，搭建工作 平台，在仿真和实际环境中进行装置的编码与调试。 第一章绪论 1 、需求分析 在深入调研和了解用户需求的基础上，查找和阅读大量文献，分析本文的开 发背景，技术要求，及本设计的使用环境，以此确定定位装置的功能。为后续开 发做好基础。 2 、硬件平台的搭建 根据用户需求和功能设置，选择合适于本文定位装置的各个功能模块，并进 行外围和接口电路的设计，搭建硬件平台。硬件平台包括主控制器、g p s 模块， g s m 模块、液晶显示模块、按键，指示灯以及外围电路等。 3 、g p s & g s m 通讯协议的分析与选择 仔细研究n e m a 0 1 8 3 协议，u b x 协议及a t 命令协议，选择适合于本文的g p s 相关协议和相关的a t 命令，设计用户发送的短信息命令，s i m 卡的存储空间和内容 的设置等。 4 、软件设计 软件的设计方面，本文也通过模块化的方式进行设计。信息的接收和发送通 过中断的方式进行，包括g p s 数据接收，向g p s 模块发送信息，g s m 模块功能通过 主控制器a t 命令来协助控制接收和处理短信息命令【2 】以及监听按键等。首先保证 系统能够快速，大量的接收到信息，然后系统会快速、准确的对接收的数据进行 判断，提取有效信息，进行处理，保证系统的有效性和可靠性。人机交互模块的 软件设计，同样会尽量使期可靠，方便。信息的处理时，如果有错误信息，及时 进行反馈。 论文的准备和设计工作以及论文的进度严格按照开题报告的进度进行。 ( 1 ) 熟悉单片机的工作原理及应用，熟悉软件开发平台( 2 0 0 8 6 - 2 0 0 8 8 ) ( 2 ) 收集资料，了解开发背景及相关技术( 2 0 0 8 8 - - 2 0 0 8 9 ) ( 3 ) 实现g p s 数据的采集与处理，设计并搭建电路软件调试( 2 0 0 8 9 2 0 0 8 1 0 ) ( 4 ) g s m g p r s 模块的短信息的接受和发送，设计硬件电路，软件代码调 试( 2 0 0 8 1 0 2 0 0 8 1 2 ) 手持定位装置的设计与实现 ( 5 ) 模块的整合调试，将前期设计的各个模块进行整合，搭建硬件平台，调 试所有的代码( 2 0 0 9 卜2 0 0 9 4 ) ( 6 ) 撰写论文( 贯穿于整个课题研究中) ( 2 0 0 9 2 - - 2 0 0 9 5 ) 1 3 论文结构 论文主要论述了定位机硬件平台和软件设计，以及无线模块协议的选择，分 六章介绍如下： 第1 章绪论，简略介绍了课题的来源及研究意义、论文所做的工作和论文结 构。 第2 章手持定位装置的需求分析，主要介绍对定位的功能需求分析。 第3 章手持定位装置的硬件结构设计，介绍了硬件的设计思路，包括系统各 个功能模块所用芯片的选择及接口和外围电路的设计，对硬件系统中用到的各个 主要芯片的电器特性进行了详细比较和介绍。电磁干扰介绍了高频信号干扰以及 解决办法。 第4 章手持定位装置通信协议分析与应用设计，主要介绍了g p s 数据格式 n e m a 0 1 8 3 协议和u b x 协议以及g s m 模块信息控制的a t 命令，另外介绍的用户命 令格式及s i m 卡的存储格式等。 第5 章手持定位装置的软件设计，主要介绍软件开发的流程及各个模块的设 计。 结论，对全文进行简明的总结。结论部分总结了系统方案和完成的情况，设 计的不足之处等。 第2 章手持定位装置的需求分析 第2 章手持定位装置的需求分析 2 1 手持定位装置的需求分析 当今社会，人们的活动范围越来越大，越来越不确定。从而围绕移动通信的 特点衍生出了一些和位置移动相关的服务需求。人们忙于工作，无暇抽身照顾老 人，如果有突发情况，想要第时间知道他的位置，进行救助；外出时，儿童贪 玩，容易走失，如果随时知道他的位置，方便找到；弱势群体如残疾人，智障人 士，盲人外出时，家人常常担心它们迷路，或遇到紧急情况，这时候怎样知道他 们的位置；很多人饲养宠物，对它们爱护有加，时常担心它们会走失，不知道它 们的位置而无法找回；牧场中，放牧时，牲畜是否在规定的区域中而没有越界； 社会治安不好时，特别是有钱人家的家人可能会遭遇绑架，怎么样快捷的报警， 并提供准确位置信息，尽快得到营救；贵重物品遗失，怎样准确的知道它的位置； 停车时，车辆被拖走或非法移动，怎么尽快的获得消息，以采取方法处理；主管 部门如何知道自己的员工( 尤其是出差的) 在自己的岗位上，等等许多这要紧急 情况，需要人们去关注和解决。提供处理办法。 当前人们遇到紧急情况，往往需要使用电话进行呼救，但是，在危机时刻， 人们往往不能准确的说出自己的位置和面临的险情，而此时如果用手机拨打求助 电话，救援人员往往也很难及时发现呼救地点所在。 基于以上的分析可知，通过g p s 技术最基本的用途卫星定位，即提供给用户位 置信息，可以满足用户许多的应用需求，本文也是基于以上的需求，受公司委托， 开发一款应用于人员和车辆安全保卫，特殊目标跟踪，紧急情况呼救，特殊群体 管理等场合的手持定位装置。与服务运营商联合为用户提供定位服务。 当今社会经济飞速发展，科学技术更是日新月异，尤其是许多的技术对民用 开放，大大的促进了民用科技的发展。g p s 技术就是其中一个例子。g p s 技术主要 应用是导航，测地和授时【3 】。自从g p s 技术对民用开放以来，一些发达国家对g p s 技术的应用飞速发展，并且凭借其先进的技术占领了我国很大的市场。定位业务 被业界认为是一强大的数据业务，国内使用g p s 的市场刚刚打开，增长快速。主要 手持定位装置的设计与实现 应用于交通运输等方面，目前g p s 关键性零组件如g p s 芯片组的供应仍掌握在几家 国外厂商手中，国内厂家的机会不大，但由g p s 衍生出来的相关产品与服务提供仍 然能够带来十分可观的收益，是一个非常值得投入资金和人力的新领域。许多公 司都在做g p s & g s m 的设计和开发，提供技术方案，使其更加多元化。另外市场上也 有许多的相关产品如p d a 、智能手机、手持机等品种繁多，功能全面，定位精度高， 响应速度快【4 1 。单一的导航机，现在的价格也比较便宜，但服务并不规范，难以互 通；带有g p s 模块的手机价格偏高，功能强大而复杂，但价位较高，难以普及。 目前中国已经加入欧盟的伽利略定位系统，此系统是世界上第一个基于民用 的全球定位系统，欧盟生产的许多g p s 模块可以接收g p s 和伽利略两种卫星定位数 据，通过g p s 模块即可以获得定位坐标，定位精度较高，并且服务更加周到。国内 的g s m g p r s 网络技术更是日趋成熟，能够提供高质量的服务和低廉的收费标准， 将g p s 技术与g s m g p r s 技术结合已经成为现代通讯的一项主流技术，前景非常广 阔【l 】o 本文设计的手持定位装置是在查阅大量相关文献的基础上，基于g p s 和g s m 两 项技术而设计的。后台有服务运营商，供用户定制服务，用户可以通过服务运营 中心获取定位信息，也可以直接接收定位原始信息。装置接收的g p s 定位信息可以 通过短信息发送给服务运营中心或者用户，通过服务运营中心接收的信息，服务 运营中心会通过网络查询到装置在地图上的具体位置发送给用户；而用户直接接 收原始信息为经纬度信息，用户可以通过g o o g l e 或其它的地图软件上自己查找装 置的位置。 本文设计的定位装置为整个系统的前端，主要用来接收g p s 信息，通过短信息 发送给运营中心和用户。用户选择通过运营商进行服务，运营服务中心不但会负 责解析g p s 数据，而且可以解析用户的中文命令，屏蔽垃圾短信，提高系统的可靠 性和人性化。另外，在g p s 不能单独完成定位的情况下，服务运营中心会配合通讯 基站完成定位，解决了传统g p s 无法解决的问题。 第2 章手持定位装置的需求分析 2 2 手持定位装置的功能定位 基于需求分析，本设计便携式手持定位装置的功能设置为： 1 定位：用户和服务运营中心可以通过手机发送定位命令信息，请求定位装 置发送 定位信息； 2 追踪：手持定位装置可以按照用户设定的时间间隔给服务运营中心或用户 发送定位消息； 3 紧急报警：紧急情况下，触发紧急按键，装置可以自动的循环发送消息给 服务运营中心或者电话本中的联系人，直到收到为止； 4 越界报警：贵重物品非法移动报警，如果物品移出用户设定的距离，会短 信通知用户( 此功能也适合汽车，停车时，按下p a r k ( 紧急求救与呼, q 应答组合 键) 键，当车辆被非法移动后，用户会收到短信) ； 5 单向语音通话：用户和服务运营中心可以拨打定位装置的s i m 卡卡号，监听 现场声音( 此功能只有在用户按下紧急报警按键后，才有效) 。 6 拨打电话，当需要拨打电话时，装置可以按序拨打s i m 卡中预存的电话，非 紧急呼叫时，呼入的电话，会有振铃提示，用户可以按c a l l 键进行接听； 另外，装置其它功能有，g s m 网络信号指示灯，灯灭时，模块未启动，灯亮时 模块启动，1 秒亮1 秒灭时，完成网络位置登记；g p s 指示灯，工作中，灯亮；充电 指示灯，充电中常亮，充电完成，慢闪，电压低，快闪；液晶显示屏显示来电和 定位信息。 本文后面的设计内容会围绕以上设置的功能进行软硬件设计。 手持定位装置的设计与实现 第3 章手持定位装置硬件设计 本文设计的手持定位装置的硬件设计主要介绍主控模块、g p s 、g s m 、液晶 等模块的选择与接口设计，以及电源和抗干扰等方面的设计等。 3 1 手持定位装置的总体硬件结构 本设计首先需要选择适合于该定位装置的开发模块并设计搭建可靠的硬件平 台，本文定位装置硬件平台的设计主要包括，主控制器模块( a t 8 9 c 5 2 ) ，g p s 模块( l e a 5 s ) ，g s m 模块( q 2 4 0 6 b ) ，l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 液晶显 示( r t l 6 0 2 c ) ，s i m ( s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) 卡，看门狗( m a x 8 1 3 ) ，指 示灯，音频电路以及外围的电源控制等电路原件。此系统的硬件原理结构如图3 1 所示，主要模块的详细设计和应用会后面的章节讲述。 图3 1 系统原理结构框图 f i g 3 1s y s t e mt h e o r yc o n f i g u r a t i o nd i a g r a m 从上图可以看出，a t 8 9 c 5 2 作为主控制芯片，其它模块在主控制芯片的控制 下进行工作，主控制芯片负责处理g p s 模块接收的g p s 信息和控制i 句g p s 模块发送配 第3 章手持定位装置的硬件结构设计 置信息；处理通过g s m 模块接收的消息，并控$ i j c s m 模块发送指定的信息；控制液 晶显示模块显示相关g p s 数据和短信息，同时控制按键，指示灯和电源。考虑到装 置设有s i m 卡，存储模块并没有选用e e p r o m 存储，而是直接使用主控制器和s i m 来 存储，从而有效的降低了成本，同时也减少的软件的编程工作，s i m 卡信息的存储 可以通过发送a t 命令直接控制存储和读取，不必考虑读写控制和信息的存储地址， 而只要记住信息的存储序号就可以，方便易行。 3 2 主控模块的接口设计 本文选用的主控模块首先应该满足功能要求，其性能稳定，引脚资源丰富， 可以很好的满足此系统的设计要求，方便开发设计，同时价格低廉，可有效的降 低开发的费用。 3 2 1 主控模块的选择 主控模块在本设计中用来控制和协调各个模块的工作，主要是处理g p s 模块 接收到6 p s 数据和控制向g p s 模块发送配置信息，处理g s m 接收的短信息命令， 并控制g s m 模块发送指定的信息，同时还控制液晶显示模块显示，以及控制按键， 指示灯和电源等。 根据以上主控模块的功能，可以选择单片机作为系统的主控芯片。本文设计 时，考察了a t m e l 公司的8 9 c 5 2 、8 9 c 5 5 w d ，i n t e l 公司的8 x c 5 2 ，d a l l a s 公司的 d s 8 0 c 3 2 0 等芯片，都满足本系统的开发设计，并且各有优势；例如d a l l a s 公司的 d s 8 0 c 3 2 0 芯片，具有双串口，采用两组串口中断来收发数据，十分方便。但本文 设计时，通过软件编程控制i o 口模拟串口传输的方法也切实可行，完全可以实 现串行传输，编程也比较简单，比较而言，8 9 c 5 2 价格比较便宜。关键是本文在选 择主控制时考虑到开发周期较短，需要选择一款熟悉的单片机进行开发，笔者曾 使用8 9 c 5 2 开发过很多项目，具有一定经验，现有大量的针对c 5 2 的技术可以借 鉴，可有效的降低开发周期，节省开发费用，应此本文选用的主控制器( c p u ) 采 用美国a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 。 - 8 - 手持定位装置的设计与实现 8 9 c 5 2 是一种低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反复擦 写的f l a s h 只读程序存贮器和随机存取数据存储器( r a m ) ；3 2 个i o 口线；3 个 1 6 位定时计数器；一个6 向量两级中断结构；一个全双工串行通讯口；片内振荡 器及时钟电路；a t 8 9 c 5 2 支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式时停止c p u 的工作，但允许r a m ，定时计数器，串行通信口和中断系统继续工作，本设计使 用这种休眠的模式可有效的降低模块的功耗。掉电方式保存r a m 中的内容，振荡 器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。 器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准m c s - 5 1 指令 系统及8 0 5 2 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，功能 强大，可用于较为复杂控制应用场合【5 1 。引脚丰富可以满足系统的设计要求。成本 低廉，适合于本系统。 3 2 2 主控模块的接口设计 在本文的设计中，a t 8 9 c 5 2 做为主控模块，会控制和协调各个模块的工作。模 块的接口设计如图3 2 所示： 0 1 ii ，卜；石f 一 c a l l kg p s l e d 葺意壶 f 一二一 r s 一 ( g p s r s t ? w d i ；痘石f 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 v c c p 00 p 0 1 p 0 2 p 0 3 p 04 p 05 p 06 p 0 7 e a a l e ，p r o g p s e n p 27 p 26 p 25 p 24 p 2 3 p 2 2 p 2 1 p 2 d 一。了g i ：d 。一 图3 2a t 8 9 c 5 2 电路图 f i g 3 2a t 8 9 c 5 2c i r c u i td i a g r a m - 蒸 帅一曲一站一卯一雏一一弘一弱一弛一孔一明一曲一觞一打一拍一巧一孔一幻一鸵一烈一l寸 心”埔田匾砒盯盯1限d黝m协 暑tm邮州邮邮邮研一一一n n矾尬 nknnnnn吣r迪迪迪吣坦 鋈善赫 第3 章手持定位装置的硬件结构设计 主控模块与g p s 模块和g s m 模块进行通讯，都是标准串行传输，因此需要两 个串口进行数据传输，但a t 8 9 c 5 2 只有一个串口，( p 3 0 、p 3 1 ) 连接g s m 模块 t x d l 和r x d l ，所以需要占用两个i o 口模拟串口进行传输。因此，本文在设计时 选择i n t 0 用于g p s 数据的接收，i n t l 用于g p s 数据的发送。软件编程时，通过中 断控制，外部中断0 ( p 3 2 ) 用于连接g p s 发送中断，下跳边沿有效，外部中断1 ( p 3 3 ) 用于连接g p s 接收，主控制器( 8 9 c 5 2 ) 只作为i o 输出引脚使用，不使 用中断功能。定时器0 ，用于系统定时时钟，与i n t 0 中断引脚配合，实现接收和 发送g p s 串行信息。在系统工作过程中，c p u 在多数情况下处于睡眠状态【6 1 ，其所 有工作均在中断驱动下完成； 模块通过5 v 的外接锂电池直接供电，v c c 连接电池正极，g n d 最后单点汇集 到电池的负极。p 2 0 连接一个三极管控制给g p s 模块加电，p 2 1 ，p 2 2 分别连接 g s m 模块的开机和复位，必须对该输入电平进行逻辑转换； p 2 3 用来连接液晶屏的背光b l 2 ，用来控制液晶屏的亮灭：p 1 3 ，p 1 4 ，p 1 5 连接液晶屏的r s ，r w ，e 用来控制其读写和检测忙状态；p 0 口外接上拉电阻连 接液晶屏的数据口，具体硬件设计会在3 3 、3 4 和3 5 节中给出，软件设计在第 五章给出； p 1 0 连接按键s o s ( 紧急呼叫用短信的方式) ，按下后发送求救短信给监护 人，此时用户可以拨打电话给装置，建立单项语音通话； p 1 1 连接按键p a r k ( 驻车是使用) ，当车辆或贵重物品移动时，发送短信 给监护人； p 1 2 连接按键c a l l ( 紧急呼叫用语音的方式) ，从电话本的第一个电话开始， 每按一下依次拨打电话本中的电话； p 2 4 通过一个三极管连接蜂鸣器，通过软件控制报警和警告，并且配合被呼 叫时的声音提示操作； p 2 6 连接充电指示灯，通过软件编程的方式控制，常亮为充电中，慢闪充电 完成，快闪电压低； 手持定位装置的设计与实现 复位( i 姬s e t ) 连接到看门狗r e s e t ，同步复位，p 1 7 连接看门狗的w p i ， 控制“喂狗 。 晶体振荡器这里采用常用的l1 0 5 9 2 m h z 频率的晶体振荡器。 没有用到的接口，外接1 k 的电阻连接到v c c 。 3 3g p s 模块的接口设计 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 即全球卫星定位系统的简称。其建立的目的 是在全球范围内对地面和空中进行准确定位和监控。g p s 定位系统之所以在许多 领域得到广泛用用，得益于其本身所具有的诸多优点，1 定位精度高，2 观测时间 短，3 坝9 站间无需通视，4 可提供三维坐标，5 操作方便，6 全天候作业，7 功能多、 用途广。其中特点l ，2 ，5 是本文选择模块的主要依据，随着g p s 技术不断改进， g p s 模块自动化程度越来越高，定位精度也在提高，搜索时间在降低，体积减小， 可达到“傻瓜化”的程度1 7 。g p s 系统的工作原理这里不再赘述。在下面本文会针 对选择的模块和本文设计的需求进行介绍模块的选择和应用。 3 3 1g p s 模块选择 g p s 模块在该装置中主要用来接收用户需要的卫星定位数据。 目前，中国已经加入欧盟的伽利略定位系统，此系统是世界上第一个基于民 用的全球定位系统，相较于美国的g p s ，它的服务更加可靠，定位精度也更好【8 】o 在民用领域，瑞士的u b l o x 公司生产的芯片和模块是最专业，功耗最低的芯片， 可以接收g p s 和g a i l l e 0 两种卫星数据，提高了定位精确度。因此本文选用的是 u b l o x 公司的灵敏度最高的l e a 5 s 模块。下面简单介绍l e a 5 s 模块。如图3 3 为此模块外型图： 第3 章手持定位转置的衄什结构设计 圈33 i 卧一5 s 外型幽f ( i f i g33l e a 5 sp i c t u r e 系统采用的l e a 一5 s 的( ；p s c , a l i l e o 模块，是u b l o x 公司为g p s 和伽利略模 块设立的一种新标准，该模块柯许多娃著的特性。下面是对模块的特点和接口介 绍： 模块的基本参数和特点： 电气特性： 电流：峰值电流15 0 m a e 乜压：27 v - - 36 v ，外接电源 功耗：3 v 1 2 0 m w 功能优点： 定位灵敏度高，定位时间小于1 秒：模块选用j 0 通道的u b l o x 5 的技术为模 块提供了趣好的性能和灵活性，以及实惠的价格。3 2 频道购置引擎和超过1 0 0 万有效关联，能大舰模的实行并行搜索，使得首次在热启动搜索时白j 小于1 秒( 冷启动2 9 s ) ，而长期的关联，更能够提高采集和跟踪的灵敏度，模块提 供的g i c k s t a r t 功能，呵加速收臻微弱信号，传递到功率优化的专门跟踪引 擎。山此可以使模块可以h 叫避踪1 6 颗卫星，使得地表水平定位的精度缩小 到： 米。 。r 接收( ，h 和g a i 】1 。卫星定位数扼，使定位精度更高。 服务周到：提供u b l o x 公司的在线和不在线的实时技术支持 l e a5 s 具有先进的抗干扰及时和新型的r r 架构，可以自效的屏蔽干扰。 ，一 手持定位装置的设计与实现 l e a 一5 s 外型紧凑：封装为1 7 0 2 24 衄，重量为2 1 9 ，便于布局设计。 接口齐全：具有标准串r n ，i j s b 接口和i i c 接口，方便使用 数据特征 支持美国海洋标准协会的n e m a - 0 1 8 3 数据协议( v 2 3 版本) 和u - b l o x 公司 专用的u b x 协议州。 g p s 接口介绍：如图3 4 所示： 口伽l ：= l e a s s ，= 器 口v “* vk k i b ：= 。t o p v i 一。蒜： 田* 口 口 口m 口 w r l 曩 h 口 v “矗 “n p d 1 i n t - d t i n n m lz 矗 图34l e a - s s 引脚目【1 q r i g , 3 4 p i n s c h a r t o f l e a - s s 由图3 4 所示，模块引脚p i n l ，2 是d d c ：p i n ? , ，4 是串口；p i n 5 ，2 1 ，2 2 ， 2 3 保留；p i n 6 电源供电；p i n 7 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 7 共地；p i n 8 为输出电源：p i n 9 配 置引脚；p i n1 0 硬件复位；p i n l l 后备电池；p i n l 2 保留；p i n l 6 天线；p i n l 8 天线 电源；p i n l 9 天线偏置电压；p i n 2 0 有缘天线检测；p i n 2 4u s b 电源；p i n 2 5 ，2 6u s b 输入输出；p i n 2 7 外部中断：p i n 2 $ 时钟脉冲信号。 第3 章手持定位装置的硬件结构设计 3 3 2g p s 模块的接口设计 g p s 模块的硬件部分，有接收单元，天线和电源组成，下面将介绍本文的具 体设计，如图3 5 所示： 模块的接收单元有2 8 个接口引脚，按照本文的使用需求，并没有使用所有的 接口，p i n 3 为串口输出，p i n 4 为串口输入，为t t l 电平，并且与a t 8 9 c 5 2 的i o 电平匹配，不需要电平转换可以和a t 8 9 c 5 2 的i o 接口相连接，由于a t 8 9 c 5 2 只有一个标准串口，用于和g s m 模块进行通讯，所以用其p 3 2 连接p i n 3 ，p 3 3 连接p i n 4 ，用软件控制通过中断的方式接收g p s 数据。p i n 9 连接到电源正极，在 串行比率为9 6 0 0 d b 时，可以接收n e m a 协议的g s v ，g g a ，g l l v t g ，t x t 格式的 数据【9 1 。p i n l l 连接后备电池，保持设置，支持热启动。u s b 接口没有使用，将p i n 2 4 接到地。 衙t r e 滴r - p 争一 a u 1 一 1 5 g n dg n d 1 4 1 61 3 1 7 嚣必s 趾。裟 1 2 1 8 v c cr fv l l q 国 1 9 va h 玎坩c”g e tn 1 0 2 0 从d 日mn ，s c s lnr t l l s o 9 2 18 2 2 n c m o s l c f gc o m 6 co u t 7 2 3 n c g a d 6 2 4 n c v c c 5 2 5 v d d u s bn c 溜 r 西 ， 2 6 u s bd mr x d l z 7 u s bd pd 0 1晗! 2 8 聊ms c l 2 1一，： 1 1 n i e p u l s es d a 2 口 l e a 5 一+ “t 。 7 中+ 4 r 一+ 。一“ 图3 5 l e a - 5 s 电路图【1 0 】 f i g 3 5l e a 一5 sc i r c u i td i a g r a m 手持定位装置的设计与实现 模块的供电电压为2 7 v 一3 6 v ，峰值电流为1 5 0 m a ，装置采用5 v 锂电池供 电，所以电源经过可调整线性稳压模块s c 5 2 0 3 a 一1 降压后，再给该模块供电 c s 5 2 0 3 a 一1 的输入电压在4 7 5 v 一1 5 v 之间，最大输出电流为3 a 1 1 l 。 u b l o x5 系列的模块提供两种不同的电源模式：最高性能模式和经济模式，在 这两种模式下，模块都会提供最优的省电功能节省功耗【1 2 】。最高性能总是追踪卫 星，而经济性能会按照之前定位的卫星追踪。可以通过软件发送协议来控制模式 的选取。由于该g p s 模块没有休眠功能，所以两种模式下，模块都会耗电，为进 一步降低功耗，本文中设计通过主控制器一个i o 口p 2 0 控制一个三极管9 0 1 2 连 接到g p s 的v c c ，通过软件控制低有效给g p s 模块供电。这样保证了g p s 模块 不用总是在搜索信号，只在系统需要的时候才启动搜索传输信号，从而有效降低 功耗。 天线单元如图3 5 所示，使用的是无缘天线，故p i n l 9 天线偏置电压接地。天 线的选择和连接对信号的接收是有很大的影响的，针对移动设备，选择螺线状的 天线是比较好的，本文经过实验比较，螺线状天线可以更好的捕捉到信号；连接 时，天线的导线直接设计在电路板上，然后直接连接天线，减少了