基于stm32的测量定位系统设计

在地质勘探或是油田勘探的过程中，常会用到地震勘探。爆炸震源是地震勘探中广泛采用的非人工震源。虽然目前已发展了重锤、连续震动源、气动震炸药安放的过程中需要测量起爆电缆的长度，准确的测定线路的长度是勘探顺利进行的前提和保证。但是由于炸药安放在地面下的竖井中，难以直接测量线缆的长度。目前勘测中常使用的方法是利用电阻表测量电缆的电阻值，再通过换算得出导线的长度。测量过程中需要人工对测在地址勘测中，勘测地点往往都在野外，缺乏固定的标记物和指示。尤其在密林和荒漠等环境中，必须借助仪器来定位。目前最常用定位仪器通常都要GPS是GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的缩写，是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。该系统的建立从根本上解决了人类在陆地、海洋、航空、航天等各个方面当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境航技术及相关产品就成为全球军队武器装备追逐的对象。与此同时，具有定位、测量、授时等功能的GPS技术被更多的行业所接受和采用，随着信息产业和现代交通工具的发展，GPS技术更渗透于工作与生活的各个方面。近年来，水利应用于水利部门，导航仪可以为防汛抗洪的指挥工作提供极大的方便和帮助。大水之年，受灾地区已是水天一片，公路被淹没，通迅设施被冲毁，如何在没有任何参照物的情况下，将大量抢险物资运送到指定地点，将紧急救援人提供指导行进的电子地图，救援人员根据电子地图自行导航，借助卫星定位技所需时间。为保障迅速到达目的地，救援人员还可以在电子地图中预设行进路线，并在重要的位置进行标定，当沿自选的路线行动，发生偏航时系统全自报当前，对目的地及周边环境的查询需求带动了GPS导航市场的繁荣。据相关统计，欧美国家导航设备普及率达到90%,日本更是超过95%。一项对3G应用的展望和创意的专业调查显示，17.79%的被调查者选择了3G网络视频对话，15.34%的被调查者选择了GPS/地图搜索，在3G时代来临之际，人们对GPS/电子地图的关注，足以显现它对日常生活中的重要性。2005年，我国民用汽车保有量就达到了3160万辆，但是装载导航设备的车辆，还不足2%。尽管不少汽车厂家对其高端车型在出厂前就安装了导航系统，对其他低端车型也会有选装导航产品的服务，但价格不菲的车载导航仪让不少买车的人放弃了实用性很强的导航配置。按照私人汽车拥有量年均增速20%测目前使用的导航仪或全站仪等仪器中大都带有GPS功能，但在地震勘测过程中，寻找的目标是事先安装好导线的目标，坐标是已知的，并不需要十分精确的目标定位，只需引导使用者找到目标即可。因此使用全站仪之类的仪器虽另外，由于仪器功能单一，使用者不得不携带多种仪器，更加重了使用者为解决上述问题，本设计将线路测量系统和导航系统集成在一起，并且在测量电阻的基础上增加了自动线长换算、换算参数标定和存储功能。同时，系统在测量线长时会自动记录下测量点的坐标，系统可以通过手动输入坐标或调用系统内已存的坐标指引使用者到达目标点。在实现功能的同时尽量减小使用第二章系统总体设计本设计将导航仪和线路测量系统集成在一起，基根据使用场合分析，由于系统测量的电缆为连接有雷管的起爆电缆，电流过大会造成危险。根据工业电雷管的国家标准GB8031—2005中规定电雷管的安全电流为0.18A,设计测量电流应远小于0.18A。系统自动将测量得到的电阻换算成为线缆长度，由于线缆的长度不同将会进行导航需了解系统本身的坐标和目标点的坐标。系统本身的坐标需通过GPS定位实现，目标点的坐标可以通过手动输入，也可以通过选择系统曾经测2.测量电流不超过50mA;2.2方案选择导线长度测量，主要用于各种电力电缆或电信电缆，为了找出适用于本设计的长度测量方法，有必要对己知的线路故障定位方法进行分析。电力电缆故障探测的方法最早是在二战前提出的，发展至今己经出现了诸如：电桥法、驻波法等经典理论方法，以及五十年代的低压脉冲法、七十年代的脉冲电压法、八十年代的脉冲电流法等现代行波法。下面简要介绍各种测量方法的原理，以便分析各种方法的优劣，分析更适合测量导线的长度的方法。单相接地故障是最常见的电缆故障之一，通常占各类故障的总和的90%,传统的测试是用电桥法。由于同一性质的单相接地故障，它的接地电阻可以从几欧姆至兆欧级，因此可用的电桥也稍有差别，但其原理均相同。电桥法的基本原理和基本接线如图2-1所示。当电桥平衡后，故障点距离用式(2-1)进行计算。用电桥法测试故障点的精确性与接地电阻值有关。接地电阻值越小测试精度越高。为达到可能高的精确度，常用大电流烧断接地电阻。但接地电阻不宜过小，因为烧断接地电阻需要一定时间，也不利于其后的定点实验。接地电阻为千欧数量级是最为理想的，其精确度可小于0.1%。为了消除电桥法中临时引线带入的误差，除了将电桥接到电缆的二根引线轮换测试外，还应在电缆的另一侧进行重复测试。经验表明在近故障点一侧测试的故障点距离比远离一侧的精度要高。电桥法的优点是简单，方便，精确度高，但它的主要缺点是不适用于高阻故障、闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥里电流很小，一般灵敏度的仪器，很难探测。但是，实际上故障大部分是属于高阻与闪络性故障。这样在使用电桥法测距之前，需用高压设备将故障点烧穿，使故障点电阻降到可用电桥测量的范围内。而故障点烧穿是件十分困难的工作，往往要花费数小时，甚至几天的时间，十分不方便，有时会出现故障点烧断，故障电阻反而升高的现象，或是故障电阻烧得太低，呈永久短路，以至于不能用放电声测法进行最后定位。电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原始技术资料，当一条电缆线路内是由导体材料或截面不同的电缆组成时，还要进行换算，电桥法还不能测量三相短路或断路故障。随着新技术的不断进步，现在现场上电桥法用得越来越少。2.低压脉冲反射法低压脉冲反射法主要用于低阻和断线故障测距。是应用脉冲行波和时间成线性关系的原理，因此和电缆线路的结构无关，只要绝缘介质均匀，就可方便地检测故障范围。它的原理及发射和断路反射波形如图2-2所示：基本方法是首先向电缆导线首阶跃电压或脉冲电压),通过测量入进行测其中L为故障距离，为入射行波和反射行波之间的时间差，v为行波在电缆中的传播速度。该方法简单直观，不需要知道电缆的准确长度，根据脉冲反射波还可以识别电缆接头与分接点的位置，测试简单，操作容易，且精度高。该方法可用于电缆低阻和断路故障测距或用于电缆全长测量，这类故障占所有电缆故障的10%,在电缆故障测试中占有举足轻重的作用。脉冲反射法中识别故障点的反射波和区别由其它由于不均匀性造成的反射波，如电缆接头反射波，是测试技术的关键。反射波的幅值主要决定于故障点电阻对波阻抗之比。接地故障的电阻对波阻抗之比(Rf/ZO)大于10时，反射波幅值只是等于或小于脉冲起始波的5%,而多数接地故障的测试局限了脉冲反射法的应用。而断线故障由于断线电阻较大，可得几乎100%的反射波幅值，因此脉脉冲电压法，又称闪测法。此方法实际上是行波法离线故障测距的一种形式。此方法是70年代发展起来的用于测量高阻与闪络故障的方法。该方法首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距。脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快，测就大部分故障本质来说，基本都属于绝缘体的损坏。高阻故障是由于绝缘介质的抗电强度下降所致。因为故障点的阻值高，测量电流小，所以即使用足够灵敏的仪表也难以测量。对于脉冲法，由于故障点等效阻抗几乎等于电缆特性阻抗，所以反射系数几乎等于零，因得不到反射脉冲而无法测量。但从介质点就会发生击穿现象。在击穿的瞬间，故障点被放电电弧短路，所以在故障点而弧光放电一般要持续数百微秒到几个毫秒，因此跃变电压在放电期间就以波把瞬间跃变电压及来回反射的波形记录下来，便可测量再根据电波在电缆中的传播速度，就可以算出故障点到端头的距离。基于这个按图2-3,接上电源后，实验变压器PT对电容C充电。当电压高到一定数值时，球间隙J被击穿，电容器C上的电压通过球间隙的短路电弧和电感L直接加到电缆的测量端。这个冲击电波沿电缆向故障点传播。只要电压的峰值电缆送去的电压波反射回去。因此，电压波就在电缆端头和故障点之间来回反射。为了使反射波不至于被测试端并联的大电容C短路，在电缆和球间隙之间串接一个电感线圈L(几微享到几十微享)组成电感微分电路。因为电感对突跳电压有较大的阻抗，有了它，就可以借助于录波器观察到来回反射的电压波脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬时脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是电缆故障1)安全性差。仪器通过一个电容电阻分压器分压测量电压脉冲信号，仪2)在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串一个电阻或电感以产生电压信号，增加了接线的复杂性，且降低了电容放3)在故障放电时，特别是进行冲闪法测试时，分压器藕合的电压波形变脉冲电流法是在脉冲电压法的基础上发展起来的，它是通过线性电流耦合器测量电流脉冲信号，将电缆故障点用高电压击穿，使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一次所需时间来计算故障距离。脉冲电流法接线如图2-4所示。与脉冲电压法比较，脉冲电流法使用线性电流耦合器，与高压回路无直接电气连接，这样对试验仪器和试验人员比较安全。线性电流耦合器产生的电流脉冲信号也比较容易分辨。所以相比脉冲电压法而言，该方法得到了更为广泛但是这种方法存在盲区，有时波形不够明显，需要靠人为判断，仪器误差回波图形解释简单。原理是：由回波仪释放一个发射脉冲，在高阻或间歇性电缆故障点不能被反射，仪器将显示整个电缆长度的波形存储起来，此波形图叫这个加在高压信号上的脉冲将从故障点反射。这样，带自动数据处理的回波仪存储故障点反射波形，并将完好轨迹和故障轨迹进行叠加，两条轨迹将有一个二次脉冲法的优点是，可以避开故障点闪络时引起强烈的电磁干扰；低压脉冲宽度可以调节：较长线路也能记录到清晰的信号波形，提高测量精度。缺点是：所用仪器较多；由于故障点电阻要降到很小的数值，如果故障点受潮严重，故障点击穿过程较长，测试时间相应增加；故障点维持低阻状态的时间不欧姆法是利用欧姆定律测试电阻的方法，通过向待测导线中通入已知大小的电流，根据测得的电压可以得到导线的电阻，再根据线缆的电阻率可计算得到线缆的长度。该法不能检测电路的故障，只能用来检测线缆的长度，但该方法是以上几种方法中最简单的方法。该法的缺点是对于不同电阻率的导线计算以上，介绍了目前存在的各种电缆故障测距原理，包括电桥法、低压脉冲反射法、脉冲电压法、脉冲电流法、二次脉冲法等、欧姆法，并给出了各种方法的优缺点。根据使用场合，待测电缆是连接有电雷管脉冲电流法和二次脉冲法等采用高压脉冲或脉冲电流的方案显然不适合。而电桥法又因为需采用高灵敏度的测量仪器等问题，会给测低压脉冲法要求绝缘介质均匀，且适于测量的是类似于断线的大电阻故障，对综上所述，本设计采用欧姆法测量线缆长度，并由系统自动将电阻换算为由于待测线缆材质变化电阻和长度的换算系数必须随之更换，系统需具有标定功能，标定方法为使用系统测量长度已知的改材料线缆的电阻，之后输入线缆长度，系统可根据线缆的长度和测得阻值自动计算出换算系数，并存储至此外，由于使用环境的不同尤其是温度的变化，可能会引起设备测量值的由GPS定位可以方便的进行系统导航，将目标点的坐标和系统的坐标做不适合使用地图导航。为方便使用者寻找目标，系统可显示一个指向目标的箭在显示设备上绘制指向目标的箭头需要目标相对系统的方向。同时还需要在本设计中，需要进行存储的数据主要有系统其中系统测量数据和定位数据应能够方便的读出值PC机上，以便进行数据处理。同时，目标坐标点的信息需要能够方便的在不同的测量系统间共根据上述分析，对于测量信息，可存储于系统外部非易失存储其中。本设储稳定而受到广大用户的欢迎，这也是本系统采用TF卡的原因之一。另外TF必须首先使用专业工具将其从电路板上取下，使用者在没有专业技能的情况下TF卡可以方便的在不同的设备上使用，是数据分享的快捷方法，也能够非常容一个智能美观的人机交互接口可以极大方便用户的操作，在本系统中为了方便用户对系统进行实时监测与控制，点阵式LCD显示屏加4X4矩阵键盘实于使用，甚至显示内容完全无法看清楚。因此本设计选用半透半反式黑白点阵式液晶屏ERC-1。该液晶屏分辨率为128*128,能够方便的显示字符和简单的2.3控制器选型32位的RISC内核，工作频率为72MHz,CortexTM-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响。内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM),丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个USART接口、STM32F103xx系列内置SD卡接口和LCD接口，可以方便进行SD卡与LCD的开发，大大缩短开发周期。STM32F103xx系列工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V,一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。终处于工作状态，保证系统在供电超过2V时工作；当VDD低于设定的阀值器件中还有一个可编程电压监测器(PVD),它监视VDD/VDDA供电并与阀值VPVD比较，当VDD低于或高于阀值VPVD时产生中断，中断处理程序3.1系统框图图中文字不应该比中文中的字号还大，要么调整图的大小，要么修改文字大小，你这个图太大了大小，你这个图太大了人机交互电源管理根据设计需求分析可知，整个系统主要包括前端数据采集、GPS信号处理、数据存储、人机交互和电子罗盘5个模块，系统的原理框图如图3-1所示。系统的工作流程为数据采集端将获得的电阻数据传输至主控MCU,然后同当前由GPS终端获得的位置信息相互关联，将关联后的信息存放至存储介质中，并在液晶上实时显示。用户操作完成后可以通过USB接口将存储介质中的数据传输至PC机。电子罗盘用来获取系统相对于地理坐标系的偏转角度。3.2电路设计系统采用STM32f103VBT6作为主控MCU,只需要简单的电路即可使单片机正常工作。单片机拥有128kB的flash,外设资源丰富包含3个12位的口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。FRkⅢⅢRNB³g图3-3MCU及外围电路片机正常工作。单片机拥有128kB的flash,外设资源丰富包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个12C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个SDIO接口、5个时钟电路：由一个8MHz的晶振和一个32.768kHz的晶振及电容构成。为调试接口：由一组排阵和若干电阻构成。位单片机提供下载程序和在线调启动项选择电路：由两个电阻构成。选择单片机启动项，是单片机从片内Flash启动。FFcGDWenf2NF3PDH91061446步降压-升压型DC/DC转换器和两个600mA同步降压型DC/DC转换器以提供3个输出轨，效率可高达95%。LTC3521具1.8V至5.5V的输入范围，在所有工作模式之间提供连续转换，从而非常适用于甚至在电池电压下降至低于输出时也必须保持恒定输出电压的应用。在很多情况下，这能增加多达20%的电池运行时间。其降压-升压型通道可以提供1.8V至5.25V的恒定输出电压，而每一个同步降压型通道则能够提供0.6V至5.25V的输出，从而使该器件适用于多种手持式应用。LTC3521的恒定1.1MHz开关频率可实现低噪声工作，同时最大限度地减小了外部组件的尺寸。纤巧外部组件结合4mmx4mmQFN-24或TSSOP-20E封装，为空间受限应用提供了一种占板面积紧凑的解围内最大限度地提高效率，同时最大限度地降低开关噪声。降压型转换器采用电流模式控制和同步整流以确保最佳效率。该器件的可选突发模式(BurstMode)工作仅需要30uA静态电流，且停机电流低于2uA,从而进一步延长了电池运行时间。就需要低噪声的应用而言，LTC3521可以配置为以固定频率PWM模式运行，这可降低噪声和潜在的RF干扰。在本设计中，芯片的同步降压-升压型DC/DC转换器为主芯片、电子罗盘和液晶屏背光供电。两个同步降压型DC/DC转换器为GPS模块、LCD显示、SD卡及测量模块供电。待机状态时，可以将除主芯片外的其他电源关闭，以节省电能，延长电池使用寿命。输出电压为同步降压-升压型DC/DC转换器输出5V电压，两个同步降压系统的线路测量模块正常工作需要双电源，在设计中采用凌力尔特公司的LT3471作为双电源转换芯片。利用1t3471将3.3V单点源转换为+/-5V的双电源以提供给测量系统正常工作使用。在双电源的输出端增加指示灯以方便调试。通过低压差线性稳压芯片LM1117给单片机和电子罗盘提供3.3V的稳定本电路首先采用OP07构成微电流源输出1mA左右的小电流，小电流流过待测物时产生压降，压降经过高精度仪用放大器AD620放大后输出至单片机进行AD采集。Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合由于其输入级采用Superβeta处理，因此可以实现最大1.0nA的低输入偏置电流。AD620在1kHz时具有9nV/NHz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声为0.28μV峰峰值，输路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。在该电路中，首先采用两个电阻对5V的电压进行分压，得到4V左右的基准电压。之后，基准电压经过OP07和9012的跟随使9012的发射极电压恒定在4V左右。由于电源和发射极之间接有1K的定值电阻，射极的的电流将恒定在1mA。因此，在三极管的集电极也就是测量接口将得到约1mA的恒定电当待测电缆接在测量头上时，1mA的电流流过电缆，根据欧姆定律可知测STM32的AD为14位，分辨率约为0.8V,直接测量电极两端的电压得到的值精度低于1欧姆。为了提高系统的测量精度，利用仪用放大器将电压放大10倍以上再用AD采集，则可以将精度提高至0.1欧姆。继续提高放大倍数，在一定程度上可以进一步提高测量精度，但是系统量程则会同比下降。由于采0~3.3V可计算的出最佳放大倍数在30倍左右。为减小干扰和噪声，测量电路中添加滤波电路滤除干扰。同时采用电感将为保证系统测量安全，在输出端串联接入小电流自恢复保险管，将电流限制在50mA以下。由于测量系统工作在+/-5V双电源下，而单片机工作在3.3V电源下，输出部分需添加限流电阻进行保护。3.2.4GPS接口电路本设计中的GPS模块采用ZYM_G5020_1。是为OEM模块的广泛应用而设计的。该GPS模块一次性追踪16颗卫星，能够快速搜星，每秒更新一次定位数据。ZYM_G5020_1是·款带有TCXO设计的高性能产品，采用UBLOXAntaris5计数设计。提供高达-160dBm的跟踪灵敏度，可以捕捉极微弱的卫星信号，实现恶劣环境下的强捕捉能力。该模块使用USB或USRT通讯，在本设计中，采用USART作为GPS的通讯接口。由于模块上电使能后会自动发送串口数据，并不需要进行过多配置，因此在本设计中除电源外仅接出一条数据线和一条使能控制线。模块工作时耗电量很大，不使用时通过使能控制将模块失能，以节省电量，延长电池使用时间。3.2.5电子罗盘电路3.2.5电子罗盘电路可Net%东R26永家于Ntl±Nl-2Na2+5Na2-6bNt5NND47束KkNal-Nal-Nt!Nt2Nt2NaltNal-Nat5PA6本设计中采用霍尼韦尔的双周磁通传感器HMC1052作为电子罗盘模块。HMC1052是单芯片上的高性能磁阻传感器，包括两个正交的传感器，每只磁阻传感器都配置成一个四个元件的惠斯通电桥，将磁场转化为不同的输出电压。这些传感器能传感低至120微高斯的磁场，灵敏度可达到1mV/V/高斯。测量范围可达到±6高斯。由于低磁场十分微弱，传感器的输出电压很小，用单片机的AD采集很困难，需要放大。在本设计中，使用运放MCP602构成减法电路，将磁阻传感器构成的惠斯通电桥的两个桥臂的输出电压差值放大100倍输出。输出值由单片机的12位AD采集。以提高电子罗盘的测量精度。vv4sD1DD西液晶屏采用3.3V供电，由于液晶屏耗电量较大，单独利用电源管理芯片的一路降压型DC/DC转换器为液晶屏供电，以便关闭液晶屏以节省点量。液晶屏的背光在外界光线较强时起到的作用有限，可以在外界光线较强时关闭液晶背光。在液晶背光电源电路上添加三极管做开关控制背光。为增加三极管的驱动能力，将两个三极管构成符合结构增大电流驱动能力。由于三极管本身的分压，将导致液晶背光得不到足够的35V电源供电。为防止电压过高烧毁发光器件，在线路上串联限流电阻保护液晶图3-11TF卡存储电路为方便使用者取出TF卡内存储的数据，本设计将USB读卡器电路集成在GL827是USB2.0接口的Flash存储器读取控制器。支持USB2.0高速通讯。即MCU工作时关闭GL827的电源，而使用USB读取TF卡时将MCU关闭。本设计中需要进行数字输入和菜单选择等功能，根据需求键盘包括一组标准数字键盘(0~9十个数字键、*键和#键)、一组方向键(上下左右)、功能键(确定、返回)和电源控制键，共19个按键。因此，设计采用4*5的矩阵键盘，该键盘可以扫描20个按键，支持组合键。操作简单，功能稳定。单片机的PCO~PC8作为键盘的接口其中PCO~PC3作为键值检测脚，PC4~PC8作为扫描信号输出脚。为保证键值的准确，在PCO~PC4上接10K的O*0#3.2.9键盘背光控制电路3.2.9键盘背光控制电路131]TNN系统在夜晚或光线较差的条件下使用时，按键不容易看清楚。为方便使用者，在键盘上按键的周围增加键盘背光电路为键盘照明。背光电路使用贴片LED作为光源，采用复合结构的三极管作为背光的开关控制器件。电阻测量电阻测量系统的基本功能主要有线路测量和GPS定位两项，而电阻测量又需要现场标定功能来配合，GPS定位又会衍生出定点指向和电子罗盘两项功能。每项功能都需要在显示系统上进行显示，并且需要键盘进行人机交互。测量和定位过的数据存储至TF卡中。功能中需要的某些数据需从TF卡中读取。系统还需完成电源管理功能，以便降低系统功耗，延长使用时间。需要完成的功能有：6、数据及图案显示；7、数据存储及读取；4.2系统功能软件设计电阻测量需要将测量电路调理后的电压信号通过AD采集后转换为电阻，再通过换算得到所测电缆的长度。STM32f103拥有两个12位AD,每个ADC共用多达16个外部通道，可以实在本设计中需采集两路以上的AD信号，因此采用扫描模式多MemoryAccess(直接内存存取)的缩写，他允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依于CPU的大量中断负载，传输动作本身是由DMA控制传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。每个通道都有专门的硬件DMA请求逻辑，同时可以由软件触发每个通道；传输的长度、传输的源地址和目标地址都初始化系统时钟初始化端口采集1000个AD值均值滤波甲结束在程序中，需要在内存中开辟一段空间作为DMA传将ADC1的外设地址设置为DMA的源地址。将DMA的传输目标地址设置为循环自动增加，则在目标存储区根据地址的增量即可的到不同的复用通路的采集后的AD由于在采集的时刻可能会受到噪声和外界杂波的干扰，采集到的信号是一个离散的量。单独一次采集到的AD值由于其离散性是不能直接使用的，所以要对采集到的值进行数字滤波。在本设计中采用均值滤波，每次滤波后的值经过简单的转换即可得到阻值。阻值存储到全局变量中，以便测得电缆电阻后需要通过换算得出电缆长度，电缆的长度等于导线电阻与但是由于测量导线的材料和直径的不同，测量导线的电阻率并不是一个确为了方便使用，本系统设计线长标定功能。标定功能也是利用电阻测量功能，将已知长度的导线电阻测量后输入导线的长度。之后系统计算线长和电阻为保证换算系数掉电不丢失，系数需存储至非易失存储其中。系统上电时标定过于频繁将影响工作效率。因此，需存储多组测量数据并可以选择使用其由于STM32f103本身的Flash且每次擦除需要对1KByte的Flash进行操作，而在该功能中所需存储的多组内容需相互独立存储。如果存储地址间隔小于1K,则使用擦出命令的时候会将其他的标定系数误擦除。如果要避免误删除则消耗Flash空间过大。因此选择使用TF卡存储标定信息。在标定功能中还需能够对标定值进行选择，选择的标定信息会被单独存储至Tf卡中，系统上电时会自动读取该信息作为标定系数。开始开始工工线长输入系数存储结束图4-3线长标定流程开始开始1定位存储位置读取标定值标定值加载结束图4-4参数选择流程本设计中使用的GPS模块采用USART串行数据输出，波特率为9600,GPGGA语句包括17个字段：语句标识头，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记(用回车符<CR>和换行符<LF>),分别用14个逗号进行分隔。GPS模块每秒更新一次数据，每次输出数据包含了上述的六种协议。系统在进行定位的时候，使用USART查询接收GPS模块发出的1000个数据字节(保证每次接收到的数据中都包含完整一次完整的GPS通讯数据)之后进行筛选，如果查询到字符串$GPGGA,则提取之后的64个数据字节。数据提取之后取出第1、2、4、个逗号之后的数据，分别是UTC时间，经度，纬度。取出的数据位ASCⅡ码，换算成所需数据后进行存储和显示。可通过检测第6个逗号后的数据判断系统的定位情况。同时可以通过检测第7个逗号后的数据检测模块所使用的卫星数量(00~12)。区结束图4-5GPS数据接收流程开始开始读取数据否学符串匹配是提取数据分类存储中结束图4-6GPS数据处理流程转角度增加，即东方为90度，南方为180度，西方为270度。将目的坐标和本机坐标的经度和纬度分别做差后通过反三角函数，可以计算出目标点相对于本机坐标点偏离北方的角度。通过电子罗盘的功能，可以使屏幕上的箭头指向正北方，在此时箭头方向的基础上，在转动相应的坐标点偏移角，即可使箭头指向目标方向。已知两个点的GPS坐标，通过地球大圆距离公式，可以方便的计算出距离目标的距离。当与目标之间的距离小于10m时，即可认为到达目的地。式中，中为目标点纬度，λ,为目标点经度，φ,起始点的纬度，λ,为起始点的经度。使用该公式可以计算得出两坐标点和地球球心构成的角的弧度，结果与地球半径相乘即可得到两坐标点间的距离。立卫退出功能是HMC1052由两个正交的磁通传感器构成，当任意一个传感器在地磁场中旋转时，通过传感器的磁通量按正弦规律变化。两个传感器的磁通量变化有90度的相位差。而由磁通量所引起的输出电压变化同样按正弦规律变化，两路电压变化具有90度的相位差。两路输出电压偏移中心点的变化量，可以认为是平面直角坐标系上沿某个圆运动的点的坐标值。根据反三角函数公式，可以计算得出角度，将其与地磁坐标相互映射后可以得到传感器相对于地磁坐标的偏转角度。由于显示屏的位置相对于传感器的位置是固定的，得到传感器的偏转角度后即可得到显示屏相对与地磁坐标的偏转角度，即显示屏正方向偏离北方的角本设计中采用点阵式液晶屏需将所显示的图案转换为相应的字库后才能进行显示。为在屏幕上显示一个可以旋转的箭头，首先将一个箭头的团转换为字库，之后旋转箭头是，根据旋转角对箭头的字库中的点进行矩阵变换，之后将变换后的字库输出到显示屏显示。为保证电子罗盘的箭头始终指向北方，在系统沿某个方向旋转时，屏幕上的箭头则在屏幕上向相反的方向转动相同的角度。系统的转动角度可以由磁通传感器得到。T是由于系统电压的、外界温度等外界因素的的影响，磁通传感器输出的电压值必不是一成不变的，而在电子罗盘功能中，磁通传感器电压变化的中心点是关键参数，如果中心点因外界环境产生漂移，电子罗盘的输出便会产生极大的为消除漂移，可以采集传感器输出的最大值和最小值求二者的中值即可得为取得极值，使用这需将系统沿水平方向旋转360度，同时连续采集旋转过程中传感器输出的电压值，取出极值。标定完成后将计算的到的误差范围和由于两个传感器的制造工艺和电路工艺等问题，两路电压的变化幅度相差比较大，为保证方向的准确，利用标定时取得的两组误差求出两路误差范围的√标定完成否是7工结束由于系统所使用的器件的离散型，两个相同的系统测量同一个阻值时得到的结果会有一定的差异，通过人工标定修改矫正参数，工作量大，而且不适合通过AD采集，可以得到和对应电阻向对应的12位数值。由此，将一个规定阻值的电阻(本设计采用100Q)接入系统，然后使用AD采集电压值。由于矫正系数是系统特有的，并且不能随意更改的，因此将该系数存储至STM32的flash中。又因为flash的刷写次数有限，为防止使用者误操作导致系统不能正常使用，故该功能应设计为隐藏功能，只有专业人员通过一定手段4.3界面设计开始开始采集AD值善标定完成是均值滤波校正系数计算Flash剧写为方便使用者使用，将系统功能界面化、菜单化。根据系统功能设计，主菜单中包含5项功能(隐藏功能不出现在菜单中)。同时在某些功能下包含有子电阻罗盘电阻罗盘电阻存储坐标选择定位存储手动输入电阳测量罗盘标定线长标定参数选择定点指向参数标定系统定位主菜单中主要显示标题、系统各项功能选项、确定和返回信息提示。另外菜单1,系统标定←2,电阻测量3,定点指向4,系统定位5,电子罗盘确定返回打开任何一项功能只需通过方向键将箭头指向相应的功能菜单选项，按在主菜单中还可以打开隐藏的电阻标定功能，打卡方式为在主菜单模式下输入开启密码后按确认键。输入过程中屏幕上不会有任何提示，且输错任何一在主菜单中，可以通过按右下角的圆形按钮使系统进入待机状态。且超过系统标定页面下包括三项子功能：参数选择、线长标定和罗盘标定。任意一项功能可以通过方向键控制箭头指向所需功能，按“确定”键进入功能，按1,系统标定参数选择←线长标定罗盘标定确定返回在参数选择页面中，屏幕中心会显示一个数字(标定号)键控制数字可以从0~9变化。通过选择标定号可以选择最近10组线长标定数据，数字越小则数02线长标定界面1,系统标定图4-15参数标定界面1,系统标定请输入线长确定返回图4-16输入线长3罗盘标定界面罗盘标定界面和电阻标定界面基本相同，但标定完成后没有后续的界面，直接闪现“存储成功”,然后返回上一级菜单。1,系统标定标定中…进入电阻测量界面后，首先会显示提醒界面，提醒接入导线。在此界面可按“返回”键回到上一级菜单。按确定键后即开始测量过程。首先测量线缆电阻并换算成长度。然后接收GPS信号，并显示于屏幕上。测量完成后系统会停留在测量结果显示界面，按“返回”键后退出测量结果显示界而，同时保存数据。之后可以直接进行下一次测量。2,电阻测量接入导线开始测量确定返回2,电阻测量线长：200电阻：50确定返回3,定点指向手动输入←坐标选择图4-20定点指向界面纬度：图4-21手动输入界面界面是首先要进行数据来源选择。选择通过方向键控制箭头指向所需的选项，3,定点指向电阻测量←系统定位确定返回选择来源之后即可进入相应的数据选取界面。在该界面，可以选择最近十次的测量结果。数据选取界面的第一行是数据的标号，标号越小测量时间越近。标号下方显示的即是该数据的精度，纬度和测量时间。利用方向键中的左右键可以更换数据。选择需要的数据后按“确认”键启动定点指向功能。0确定返回3.定点指向功能界面定点指向功能启动后，显示屏上会显示一个黑色箭头，箭头会指向目标点的方向。箭头的右边会显示GPS模块当前使用的卫星数量。箭头的下方会显示距离目标点的距离。当卫星数量为零时，系统搜索不到有用的卫星信号，将不能正常完成定位。如果未能完成定位，距离后显示“ERROR!!”。系统每10秒左右更新一次定位信息，数据跟新时在卫星数量的下方显示Update,更新时间约为5秒。在数据更新的过程红返回键无效。3,定点指向卫星数量距离：103在系统定位功能中，系统将接收到的GPS数据显示在液晶屏上，并每隔15秒左右更新一次数据。更新数据时返回键无效同时屏幕第二行显示“Update”。4,系统定位纬度：3132.…返回电子罗盘功能是在屏幕上显示一个始终指向北方的箭头。在电子罗盘功能中按“返回”键能够回到上一级菜单。5,电子罗盘系统调试时应当遵循模块化原则，完成一个模块的焊接后现将其调通再焊以便分析故障所在和排除。每次上电前应仔细检查电路上是否有原件引脚、焊锡碎屑等导电材料的存在，以防电路被短路。调试中如果遇到原件发热等异常现象应立即断开电源，防止对系统早成进一步损害。故障排除后才能够进行进软件调试时需做好标注和记录，方便后续工作的进行。由于STM32的当程序比较小或者调试软件模块时，因为STM32支持RAM调试，可以尽量在RAM中进行软件模块的调试。延长Flash的使用时间的同时还可以提高程序的由于电源模块是其他模块工作的基础，所以先对电源模块进行调试。调试过程中先将LM1117构成的3.3V降压稳压模块焊接调试，由于LM1117的电路结构简单，出现故障的可能性比较低，且模块电路中带有指示灯，可以方便后面对LTC3521的调试。然后焊接双电源转换电路。LT3471的3*3mmQFN封装的焊接难度很高，正负电源的两个指示灯亮、芯片未发热。测试输出电源4.9V,-5.1V,输出正常。焊接完成后加电测试，指示灯不亮，芯片也没有发热。测试电压，发现没有输出。当手接触电路的时候灯亮了，再摸闪两下有灭了。有时还会闪检查电路后发现由于没有接单片机，芯片的三路输出的使能脚被悬空导致芯片使能信号不稳定，已至出现上述状况。将三个引脚接高电平之后，电源输将HMC1052、MCP602和其他外围电路焊接完成后，在输出端焊接两根测试结果：输出电压会随电路般的转动变化，两个通路的输出电压变化可以看出有90度左右的相位差。将GL827和外围电路焊接至电路板上，焊接上TF卡卡槽和USB接口。将TF卡插入卡槽中，使用USB连接线将系统连接至PC机，GL827工作指示先将恒流源模块焊接至电路板上，给系统上电，同相输入端和反相输入端然后断电，将放大电路和测量头焊接至电路板上。将一个小电阻接至测量头,上电，用示波器检测电阻两端电压和放大器输出电压。输出电压为输入电压的10倍左右。将单片机小系统和下载器焊接到电路板上后将下载器连接至下载口，打开MDK集成开发环境。将测试程序下载至单片机中，下载成功。分析原因，单片机和GL827的引脚冲突。设计中将两从电源芯片倒回主电路。倒回的电流可以启动单片机，从而导致USB读卡器无5.2软件调试软件开发环境使用德国Keil公司的RealViewMDK开发套件。是ARM公司推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。支ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器，自动配置启动代码，Simulation设备模拟、性能分析等功能，与ARM之前的工具包ADS等相比，RealView编译器的最新版本可将性能改善超过20%。调试定点指向时，每当从TF卡中读取坐标数据时，系统所有操作即会失为了找到干扰源，串口调试助手监视键值变量的值。发现进入坐标选择功再次利用串口工具观察，发现进入坐标选择功能后之后，屏蔽按键采集函数，人工向键值存储变量赋值。发现键值依旧没有变化。得出结果，进入坐标数据读取功能后，变量的赋值受到影响。分析认为将功能函数依次屏蔽，观察效果。发现TF卡数据读取函数被屏蔽后，按仔细阅读TF卡数据读取函数，发现存储一个字符串的数组没有预留出存5.3功能测试在主界面输入密码，打开隐藏功能，将一颗100Ω的精密电阻接入测量头，关闭系统电源，用USB线将系统连接值PC即。在TF卡中创建四个空白接入一只10Ω的电阻，启动线长标定功能。标定完成后输入线长，测试中输入但是要确保系统能够旋转720度以上。标定完成后打开参数选择“参数选择”图5-1测量结果从google地图上选取一个身边标志物，读出GPS坐标，换算成系统的数3.定点指回3.定点指回卫星数量未接收到卫星信号图5-2系统定位通过目测观察，方向正确，距离也基本正确。转动系统，箭头坐标始终指测试坐标选择选择需先测试系统标定功能。回到主菜单，选择系统标定功东东工3.定点指问东东工3.定点指问经度；纬度：确定3.定点指问3.定点指问经度：纬度：确定图5-3系统定位选择“坐标选择”功能，选择最近一次定位的信息。启动定位。关闭系统电源，通过USB接口将系统连接到PC机上，使用记事本打开的的指电电电电电8东经，东经：东经.00000.0000东经：1044东经：104419:31:12东经：00000.0000时时时时时时时时时时时时时时时时时时时时时时时北北北北电电电电电电电电电电电电电电电电电电电电电eeegeggegag接…:…88……8……电,.:示日图5-5temp.a数据5.4测试结果设计的预期功能已经基本达到，测量和定位功能可以很好的实现，预期目google地图等常用软件