饒 磊，邱 宇，劉玉宏，王曉婷

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)與工程學(xué)院，常州213022）

基于MSP430單片機(jī)的信鴿導(dǎo)航機(jī)理研究裝置

饒 磊，邱 宇，劉玉宏，王曉婷

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)與工程學(xué)院，常州213022）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信鴿導(dǎo)航機(jī)理的研究，提出了一種基于MSP430單片機(jī)的信鴿導(dǎo)航機(jī)理研究裝置設(shè)計(jì)方案，并完成對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)硬件部分主要包括：MSP430單片機(jī)模塊、液晶模塊、GPS模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊和電源模塊。軟件部分采用IAR進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)FAT32文件系統(tǒng)在MSP430單片機(jī)上的移植，使采集到的數(shù)據(jù)能直接被Windows操作系統(tǒng)以文本文檔的形式讀出。系統(tǒng)的工作過(guò)程是：當(dāng)處理器檢測(cè)到信鴿飛行到設(shè)定的位置時(shí)（GPS檢測(cè)當(dāng)前位置并與處理器設(shè)定的位置信息對(duì)比，判斷是否到達(dá)指定位置）控制液晶將信鴿的眼睛遮住。同時(shí)，430單片機(jī)通過(guò)串口采集GPS模塊的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)，并以FAT32文件系統(tǒng)格式的TXT文檔存儲(chǔ)到SD卡，通過(guò)上位機(jī)完成對(duì)信鴿飛行軌跡的分析。實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)體積小，重量輕，測(cè)量準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

GPS模塊；IAR編譯器；液晶；SD卡；MSP430單片機(jī)

1 引 言

信鴿靠什么來(lái)準(zhǔn)確的辨別方向、識(shí)別路線，從千里之外歸巢是困擾人類已久的難題，答案眾說(shuō)紛紜，因此各種信鴿導(dǎo)航學(xué)說(shuō)也應(yīng)運(yùn)而生，如生物鐘導(dǎo)航、地磁感導(dǎo)航、利用太陽(yáng)偏振光導(dǎo)航、次聲導(dǎo)航說(shuō)、日位導(dǎo)航說(shuō)、皮膚導(dǎo)航說(shuō)、嗅覺(jué)導(dǎo)航說(shuō)、記憶導(dǎo)航法、復(fù)印跡線定位、遺傳基因?qū)Ш秸f(shuō)等等。然而直至今日信鴿導(dǎo)航的真實(shí)依據(jù)仍未破解，科學(xué)家們也都一直堅(jiān)持不懈的在探索。因?yàn)檫@個(gè)不解之謎一旦被破解，將會(huì)對(duì)人類的各種導(dǎo)航系統(tǒng)帶來(lái)翻天覆地的變化，給人類生活帶來(lái)更多方便，所以非常值得研究和探討。信鴿導(dǎo)航現(xiàn)在除了“地磁場(chǎng)說(shuō)”這一理論較為大家所認(rèn)可之外，還有一種“著名”的推測(cè)即：光化學(xué)羅盤導(dǎo)航。該推測(cè)指明，鳥(niǎo)的眼睛里包含一種能接收光線的特別粒子，它能與大腦的視覺(jué)中心相聯(lián)系。就像指南針依靠其中一根細(xì)小的磁鐵來(lái)“指南”，鳥(niǎo)兒的眼睛也有像指南針般的作用。這種特別粒子就是現(xiàn)在研究提到的Cryptochrome蛋白，是較新的一個(gè)研究成果。為了驗(yàn)證這種推測(cè)，提出了一種基于430單片機(jī)的信鴿導(dǎo)航機(jī)理研究裝置設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

如圖1所示，本系統(tǒng)由GPS模塊［4］、液晶［3］、SD卡［2］、電源［5］四個(gè)模塊組成，以低功耗MSP430F149單片機(jī)為主控。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，使整個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作；SD卡模塊通過(guò)SPI總線模式與主控模塊連接，將GPS模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；GPS模塊通過(guò)串口與主控模塊連接，數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給主控芯片進(jìn)行相應(yīng)的處理；液晶模塊通過(guò)主控芯片的兩個(gè)引腳進(jìn)行控制，以達(dá)到不同的工作狀態(tài)。系統(tǒng)的工作過(guò)程是：當(dāng)處理器檢測(cè)到信鴿飛行到設(shè)定的位置時(shí)（GPS檢測(cè)當(dāng)前位置并與處理器設(shè)定的位置信息對(duì)比，判斷是否到達(dá)指定位置），控制液晶將信鴿的眼睛遮住，同時(shí)MSP430單片機(jī)通過(guò)串口采集GPS模塊的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)，并以FAT32文件系統(tǒng)格式的TXT文檔存儲(chǔ)到SD卡，通過(guò)上位機(jī)完成對(duì)信鴿飛行軌跡的分析，以驗(yàn)證光化學(xué)羅盤導(dǎo)航學(xué)說(shuō)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于要將本裝置固定在鴿子身上，而鴿子本身負(fù)重能力差，所以要求裝置重量輕，體積小，盡量不影響鴿子的正常飛行。下面也是根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行硬件的選取。

3.1 MSP430單片機(jī)

主控芯片選用TI公司的MSP430F149單片機(jī)［1］。其基本架構(gòu)是16位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換還存在8位總線，在加上本身就是混合型結(jié)構(gòu)，因而對(duì)這樣的開(kāi)放型架構(gòu)來(lái)說(shuō)，無(wú)論擴(kuò)展8位的功能模塊，還是16位的功能模塊，即使擴(kuò)展模/數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù)/模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的，具有較強(qiáng)大的功能，能夠滿足本裝置對(duì)其功能的要求。其工作電壓在1.8-3.6V之間，正常工作時(shí)功耗可控制在200μA左右，而低功耗時(shí)可實(shí)現(xiàn)2μA甚至0.1μA。同時(shí)，該芯片在8MHz晶體下運(yùn)算能力達(dá)到8MIPS，喚醒時(shí)間也很短，只需6μs，相比于51單片機(jī)，相同的晶振，速度較51快大約12倍，極大地提高了運(yùn)行速度。同時(shí)MSP430F149在電池供電的低功耗應(yīng)用中也具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。選取這款芯片作為主控芯片主要考慮電源問(wèn)題，由于要將本裝置固定在信鴿身上，所以重量受到了極大限制。因此本裝置要做到體積小，電池的重量要盡量輕，所儲(chǔ)存的電能也會(huì)相對(duì)較少。所以這一優(yōu)勢(shì)能夠節(jié)省能量，增加裝置的使用時(shí)間，減小鴿子在飛行過(guò)程中裝置電量用光的幾率。因此選擇了TI公司的低功耗芯片MSP430F149作為主控芯片。

3.2 GPS模塊

GPS模塊的功能是定位鴿子的地理位置，并且與處理器設(shè)定的位置信息對(duì)比，判斷是否到達(dá)指定位置。GPS采用NEO-6M GPS＋有源天線一體化模塊，該模塊核心采用UBLOX NEO-6M芯片設(shè)計(jì)和超小型一體化集成天線，性能優(yōu)越，是一款高性能的GPS定位模塊。此模塊具有高性能、高增益、高信號(hào)、高精度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，其NEO-6M模組，具有50個(gè)通道，追蹤靈敏度高達(dá)161dBm，測(cè)量輸出頻率高達(dá)5Hz，模塊自帶高性能無(wú)源陶瓷天線，兼容3.3V和5V單片機(jī)系統(tǒng)，支持溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。該模塊輸入電壓范圍VCC：3.0V—5.2V；采用二級(jí)放大28db高增益25*25有源陶瓷天線，增加模塊定位的靈敏度和準(zhǔn)確度；該模塊具有極小尺寸：28*28 *10mm，極大地減小了鴿子的負(fù)擔(dān)，為裝置能夠安裝在鴿子身上，并且不影響鴿子的正常飛行提供了可能。模塊采用TTL電平輸出，可直接連接至單片機(jī)或者ARM主控上面，使其能夠與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的相互通信。該模塊輸出信息GGA：時(shí)間、位置、定位類型；GLL：UTC時(shí)間、經(jīng)度、緯度；GSA：GPS接收機(jī)操作模式、定位使用的衛(wèi)星、DOP值；GSV：可見(jiàn)GPS衛(wèi)星信息、仰角、方位角、信噪比（SNR）；RMC：時(shí)間、日期、位置、速度。這些輸出的信息、頻率與設(shè)置有關(guān)。模塊數(shù)據(jù)經(jīng)由串口RS232輸出，430F149單片機(jī)串口接收采集即可。本系統(tǒng)中只需采集GPS輸出的位置、經(jīng)度、緯度信息，用來(lái)定位鴿子的位置，從而采集其飛行軌跡，以用于分析研究。

3.3 SD卡模塊

SD卡通過(guò)如圖2所示的硬件電路與430F149單片機(jī)相連接。SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的記憶設(shè)備，是具有大容量、高性能、高安全性等多種特點(diǎn)的多功能存儲(chǔ)卡，其讀寫速度比MMC卡快4倍多。SD卡可以工作于兩種模式：一、SD模式；二、SPI模式。其中SD模式工作于對(duì)SD卡讀寫速度要求較高的場(chǎng)合，SPI模式則是以犧牲讀寫速度換取更好的硬件接口兼容性。由于SPI協(xié)議是目前廣泛流行的通信協(xié)議，大多數(shù)單片機(jī)都配備了SPI硬件接口，硬件連接相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，在對(duì)于SD卡讀寫速度要求不高的情況下，采用SPI模式是比較好的選擇。SPI模式是一種簡(jiǎn)單的命令響應(yīng)協(xié)議，主控制器發(fā)出命令后，SD卡模塊針對(duì)不同的命令返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。SD卡的命令列表都是以CMD和ACMD開(kāi)頭，分別指通用命令和專用命令，后面接命令編號(hào)。例如，CMD17就是一個(gè)通用命令，用來(lái)讀單獨(dú)塊的數(shù)據(jù)。SD卡通過(guò)與單片機(jī)相連來(lái)實(shí)時(shí)記錄單片機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，記錄鴿子飛行軌跡等信息。并且SD卡體積較小，使裝置更顯輕捷，不至于給鴿子帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)，影響其正常飛行。

圖2 SD卡模塊電路Fig.2 Structure diagram of the SD

3.4 液晶模塊

液晶采用TN正顯全透常溫液晶（見(jiàn)圖3），液晶的工作電壓在3.3V，規(guī)格為17*15*13*1.1mm（液晶分上下兩片，大片在下，小片在上）。其扭曲角為90°，通過(guò)單片機(jī)控制液晶的兩個(gè)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)它的兩種工作狀態(tài)（當(dāng)液晶兩個(gè)引腳之間的電位差為零時(shí)，液晶為透明狀態(tài)；當(dāng)液晶兩個(gè)引腳之間輸入交流電時(shí)，液晶為全黑狀態(tài)）。單片機(jī)引腳上電默認(rèn)為高電平，此時(shí)液晶兩個(gè)引腳之間的電位差即為零，液晶為透明狀態(tài)；當(dāng)單片機(jī)連接液晶的兩個(gè)引腳輸出一定頻率的極性反轉(zhuǎn)的PWM波時(shí)，液晶為全黑狀態(tài)。在一定的范圍內(nèi)，液晶隨著PWM波頻率的增高越來(lái)越黑，到達(dá)一定的頻率后就不再變化。這樣通過(guò)單片機(jī)信號(hào)的控制，液晶實(shí)現(xiàn)在全透明和全黑狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到能夠控制對(duì)鴿子眼睛的遮光和透明的要求。同時(shí)該液晶模塊的工作溫度為0～50℃，所以外界環(huán)境溫度和鴿子體溫都不會(huì)對(duì)液晶產(chǎn)生影響。并且液晶的反應(yīng)速度較快、消耗能量少、體積較小，這些都是其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在其滿足正常工作要求的同時(shí)，能夠使裝置節(jié)能、小巧，這對(duì)鴿子導(dǎo)航的探究帶來(lái)了很大方便。

圖3 液晶模塊Fig.3 Structure diagram of the LCD

3.5 電源模塊

電源模塊如圖4所示為整個(gè)系統(tǒng)供電。本系統(tǒng)采用鋰電池供電，鋰電池的供電電壓為3.6-4.2V，最壞的情況下只有3.5V左右，而系統(tǒng)所需的電壓是3.3V，電壓差只有0.3V，這樣能夠保證電源正常的為其他模塊提供合適的電源，保證其他模塊的正常工作。如果使用普通的LDO芯片，壓差至少在0.8V以上，這時(shí)還得需先通過(guò)DC-DC進(jìn)行升壓，再由LDO降壓，增加了電路的復(fù)雜性，同時(shí)占用大量的PCB空間。經(jīng)過(guò)多方尋找，選用TPS7333這款帶集成延時(shí)復(fù)位功能的低壓差穩(wěn)壓器LDO。TPS7333是TI公司的一款超低壓差的LDO，該芯片屬于TPS73XX系列，后兩位表示該芯片的輸出電壓值。如TPS7333表示3.3V，TPS7348表示4.85V，TPS7350表示5.0V。該芯片集成的精密電源監(jiān)控可對(duì)穩(wěn)壓器的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，脈沖寬度為200ms，具有與負(fù)載無(wú)關(guān)的低靜態(tài)電流，典型值為340μA，輸出電流范圍是0mA至500mA，并且在要求嚴(yán)格的應(yīng)用中TSSOP封裝可降低器件的高度。總的來(lái)說(shuō)其主要特點(diǎn)就是超低壓差，帶復(fù)位輸出，靜態(tài)電流低，體積較小，滿足裝置要求。

圖4 電源模塊電路Fig.3 Structure diagram of the power

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程

主流程如圖5所示，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始上電時(shí)，GPS模塊數(shù)據(jù)并未穩(wěn)定，此期間不采集數(shù)據(jù)，此時(shí)主控芯片完成相關(guān)硬件設(shè)備初始化工作后即進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)。當(dāng)信鴿飛行至預(yù)先設(shè)定的位置時(shí)，主控芯片控制黑白雙色液晶變黑，遮擋信鴿眼睛，同時(shí)GPS數(shù)據(jù)穩(wěn)定，定時(shí)器中斷喚醒主控芯片，GPS通過(guò)串口中斷將數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片，主控芯片經(jīng)過(guò)過(guò)濾篩選，選出有用的數(shù)據(jù)，判斷SD卡是否還有剩余存儲(chǔ)空間，如果沒(méi)有則停止數(shù)據(jù)采集，如果有剩余空間則將數(shù)據(jù)以FAT32文件系統(tǒng)的TXT格式存儲(chǔ)在SD卡上。當(dāng)信鴿飛回，取下SD，讀出SD卡中的數(shù)據(jù)，送電腦上位機(jī)分析信鴿眼睛被遮擋前后的飛行軌跡，以驗(yàn)證“光化學(xué)羅盤導(dǎo)航”學(xué)說(shuō)。

圖5 軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Structure diagram of the software

4.2 智能化低功耗設(shè)計(jì)

由于考慮信鴿所載電池電量有限，為了節(jié)約電能，使系統(tǒng)能夠工作更長(zhǎng)的時(shí)間，除硬件設(shè)備必要的初始化以外，其余程序均用中斷喚醒。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，觸發(fā)主控芯片的串口中斷，并判斷是否是需要的數(shù)據(jù)即經(jīng)度、緯度、高度，如果是需要的數(shù)據(jù)則主控芯片完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)。如果不是則不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，主控芯片繼續(xù)處于低功耗睡眠狀態(tài)。

5 實(shí)際應(yīng)用

該系統(tǒng)用于測(cè)試信鴿眼睛被遮擋后的飛行軌跡的經(jīng)度、緯度和高度。查詢GPS輸出的數(shù)據(jù)格式即可得到信鴿的飛行軌跡。

數(shù)據(jù)格式如下：

$GPGGA，161229.487，3723.2475，N，12158.3416，W，1，07，1.0，9.0，M，，，，0000*18

對(duì)數(shù)據(jù)按照指定格式進(jìn)行查詢，$GPGGA是通訊代號(hào)，GGA是規(guī)范帶頭。依次的數(shù)據(jù)分別為：標(biāo)定時(shí)間、緯度、北半球或南半球指示器、經(jīng)度、東半球或西半球的指示器、定位代號(hào)指示器、使用中的衛(wèi)星數(shù)目、水平稀釋精度、海拔高度、單位、差分修改DGPS、偏差修正DGPS、差分參考基站代碼ID、綜合檢查碼。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)量后，取下SD卡后，將數(shù)據(jù)送到PC上進(jìn)行分析，即可得出信鴿在被遮擋眼睛后的飛行軌跡，為研究信鴿的導(dǎo)航機(jī)理提供很大的方便。

6 結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量信鴿遮擋眼睛后的飛行經(jīng)度、緯度和高度，得出信鴿的飛行軌跡，為人類進(jìn)一步研究信鴿的導(dǎo)航機(jī)理提供方便。

［1］ 洪利，章?lián)P，李世寶.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［2］ 魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［3］ 曹磊.MSP430單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］ 秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［5］ 邱關(guān)源.電路（4版）［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［6］ 熊青，戴啟軍，宋亞楠.基于MSP430F149單片機(jī)的低功耗電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（14）：184-186.

Carrier Pigeon Navigation Mechanism Device Based on MSP430 Microcontroller

Rao Lei，Qiu Yu，Liu Yuhong，Wang Xiaoting
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

In order to achieve the study of carrier pigeon navigation mechanism，this paper proposes a designing scheme of studying carrier pigeon navigation mechanism based on MSP430 microcontroller，and completes the design of hardware and software.The hardware system mainly includes MSP430 MCU module，LCD module，GPSmodule，SD card storage module and power module.The software system adopts the IAR to program for transplantation of FAT32 file system in MSP430 microcontroller，which makes the windows operating system directly read out the collected data in the form of text documents.The process of this system is described aswell.When detecting pigeons fly to set position（GPS detects and compares the current position with set location information to judge whether it arrives the appointed place），the processor will control LCD to cover the pigeon＇s eyes.At the same time，the MSP430 microcontroller，via a serial port，collects the latitude and longitude data of GPSmodule，stores the TXT documents in the form of the FAT32 file system into the SD card，and completes the analysis of pigeons flying trajectory through the upper computer.The practical application shows that the system meets the requirements of design with the features of small volume，lightweight and measurement accuracy.

GPSmodule；IAR compiler；Liquid crystal；SD card；MSP430 microcontroller

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.021

TN491

A

1002-2279（2015）03-0078-04

饒磊（1992-），男，河南省信陽(yáng)市人，本科生，主研方向：嵌入式系統(tǒng)。

2014-07-09