王世峰

(北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院,北京100192)

雙模塊定位信息采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計

王世峰

(北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院,北京100192)

針對衛(wèi)星定位系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出一種基于北斗/GPS雙模塊的定位信息的采集與處理系統(tǒng)。以C8051F007單片機作為定位信息采集與處理的核心，完成了北斗/GPS雙定位模塊BD-126與單片機的接口電路、 OLED顯示模塊電路、DC-DC升壓電路的設(shè)計,以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計，將采集到的數(shù)據(jù)在OLED顯示和上位機PC端進行顯示。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)定位信息的采集，并成功在OLED顯示屏和PC端進行顯示。

GPS；定位信息；UART；C8051F007

引 言

目前全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)有四個，分別為美國的GPS全球定位系統(tǒng)[1]、歐盟的Galileo(伽利略)全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的 GLONASS(格洛納斯)全球定位系統(tǒng)和我國自行研制的北斗全球定位系統(tǒng)(BDS)[2]。中國的定位導(dǎo)航市場異軍突起，發(fā)展?jié)摿^大。隨著目前運輸產(chǎn)業(yè)在國民生活中的作用日益凸顯，為提高運輸服務(wù)的水平，對其導(dǎo)航定位顯得尤其重要。在我們平時的生活中，如行車方向、位置定位導(dǎo)航、失物尋找，更離不開衛(wèi)星定位導(dǎo)航。

美國的GPS全球定位系統(tǒng)能夠覆蓋全球范圍，是技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的全球定位系統(tǒng)。但此系統(tǒng)為美國所壟斷，一旦美國停止授權(quán)服務(wù)，將嚴(yán)重影響我們的生產(chǎn)生活，于是，我國投入大量精力自主研發(fā)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)。其在設(shè)計上，和GPS的性能不相上下，只是起步落后于GPS[3]，因此還需要拓寬市場，但其對我國的國防建設(shè)、經(jīng)濟發(fā)展起到了促進作用。因此為了獲得更好的服務(wù)，北斗/GPS組合式導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運而生[4-5]，其性能比在單模式下要好很多，可以滿足人們的社會需求，對提高人們生產(chǎn)生活的水平具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本設(shè)計的主控制器為C8051F007單片機。定位信息的采集使用的是BD-126北斗/GPS雙定位模塊，BD-126北斗/GPS雙定位模塊與單片機之間通過軟件實現(xiàn)的UART通信協(xié)議進行連接。定位信息的顯示采用OLED模塊VGM128064A50A01和上位機PC進行雙顯示[6]，OLED模塊與C8051F007單片機之間通過4線串行通信協(xié)議(SPI)進行連接，上位機PC與C8051F007單片機之間通過UART-USB轉(zhuǎn)接電路連接。電源電路采用LM1117芯片，輸入為PC端USB口的5 V電壓，輸出為3.3 V電壓，給整個系統(tǒng)供電。再將3.3 V電壓通過DC-DC升壓電路，將電壓升至8～15 V之間，供OLED顯示器使用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)以C8051F芯片為主，包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路外部時鐘電路、JTAG下載電路、USB-UART轉(zhuǎn)換電路。

BD-126屬于雙模雙頻的組合定位接收機，是北斗定位系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)的組合，具體是由擁有24顆衛(wèi)星組成的GPS系統(tǒng)和擁有16顆工作衛(wèi)星的BD-2系統(tǒng)組成，相比單一定位系統(tǒng)，雙模雙頻定位系統(tǒng)大大提高了定位精度。此模塊采用MTK 3333芯片設(shè)計，具有高性能、低功耗的優(yōu)點,是一個完整的衛(wèi)星定位接收設(shè)備，具備全方位功能，能滿足專業(yè)定位的嚴(yán)格要求。

圖3 CP2102的引腳定義

該模塊寬輸入電壓范圍為3.6～6 V，采用二級放大28 dB高增益25×25有源陶瓷天線，TTL電平輸出，可直接連接單片機。

2.2 OLED顯示模塊

用到的OLED顯示屏為VGM128064A50A01，屬于128 × 64點陣的OLED顯示屏，其與單片機間通過4線SPI通信連接，本設(shè)計將通過串行時鐘 SCLK，串行數(shù)據(jù) SDIN、D/C、/CS將單片機與OLED模塊進行連接[7]。

OLED模塊的D1、D0兩個引腳分別與單片機的25、26號引腳P0.4、P0.5相連接，用來構(gòu)建OLED模塊和單片機之間的數(shù)據(jù)通信。OLED的D/C管與單片機的27號引腳P0.6相連接用來控制OLED進行顯示。OLED的17號引腳CS芯片選擇引腳與單片機的28號引腳P0.7進行連接，其采用單片機C8051F007對芯片進行片選控制。

由于OLED顯示模塊需要8～15 V直流電壓供電，因此還需要設(shè)計一個3.3 V到8～15 V的一個直流-直流(DC-DC)升壓電路，這里將系統(tǒng)電壓3.3 V升高至顯示屏所需電壓8～15 V。所用到的芯片為MT18604，硬件連接為單片機的第32號引腳DAC0與MT18604的SHDN引腳相連。DC-DC升壓電路如圖2所示。

圖2 DC-DC升壓電路原理圖

單片機與上位機PC進行通信時需要用到USB-UART轉(zhuǎn)接電路，此電路涉及到的芯片為CP2102，CP2102是一種USB轉(zhuǎn)UART的橋接器[8]，集成度很高。CP2102芯片內(nèi)部包含有振蕩器、USB收發(fā)器及其控制器和異步串行數(shù)據(jù)總線，其串行數(shù)據(jù)總線帶有全部的調(diào)制解調(diào)器控制信號。CP2101的UART接口包括數(shù)據(jù)信號和控制信號，數(shù)據(jù)信號由TX(發(fā)送)和RX(接收)引腳決定，控制信號由DSR、DTR、RTS、RI、CTS、DCD引腳決定。其UART支持的數(shù)據(jù)格式和波特率是可變的，可以通過對其編程進行控制, CP2102的引腳定義如圖3所示。

UART的數(shù)據(jù)格式和波特率的設(shè)置是通過在PC端編程后再COM口配置期間完成。該電路通過其驅(qū)動程序?qū)C端的USB口模擬成COM口，以達(dá)到擴展的效果。在PC端用軟件模擬一個COM口，它通過訪問硬件COM口的方式去訪問帶有CP2102芯片的器件。PC端與CP2102芯片間的數(shù)據(jù)傳輸是通過USB完成的，通過串口通信(UART)來完成單片機與CP2102芯片間的數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)成USB-UATR轉(zhuǎn)接電路[9]。單片機實現(xiàn)USB-UART轉(zhuǎn)換電路原理圖，如圖4所示。

圖4 單片機實現(xiàn)USB-UART轉(zhuǎn)換電路原理圖

根據(jù)BD-126各引腳的定義，本設(shè)計將此模塊與單片機的連接為：BOOT引腳懸空；VCC接單片機20引腳VDD；GND接單片機21引腳DGND；TX接單片機23引腳P0.2，將BD-126的定位信息傳輸給單片機；RX接單片機22引腳P0.1，將單片機的控制信號送至BD-126；1PPS接單片機24引腳P0.3，來同步單片機與BD-126的時鐘。其接口原理圖如圖5所示。

圖5 BD-126模塊接口電路原理圖

3 軟件設(shè)計

在本設(shè)計的主程序設(shè)計的主要思路是：單片機通過軟件實現(xiàn)的UART發(fā)送指令協(xié)議來控制BD-126模塊的工作模式。

① 當(dāng)BD-126模塊定位完成后，其1PPS引腳會產(chǎn)生定位脈沖,定位前端低電平，定位后有周期為1 s，高電平為100 ms的秒脈沖輸出，將此引腳接單片機外部中斷引腳，從而觸發(fā)單片機中斷，完成時鐘的同步。

② 在外部中斷的程序中通過串口通信程序讀取定位信息，并寫入單片機[10]。

③ 寫入單片機的定位信息，將分兩路進行顯示，第一路通過SPI通信協(xié)議將定位信息送入OLED顯示屏進行顯示。

④ 第二路通過串口UART通信協(xié)議定位，信息送入上位機PC端進行顯示。

根據(jù)程序的主要思路設(shè)計相應(yīng)的程序流程圖，如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.1 北斗/GPS定位信息采集程序設(shè)計

圖7 采集程序設(shè)計流程圖

定位信息的采集程序能夠完成的是對定位信息的采集，由于單片機RX、TX端口被占用，且單片機只有一個硬件實現(xiàn)的UART數(shù)據(jù)通信，因此需要采用軟件模擬UART的方式進行數(shù)據(jù)傳遞。在設(shè)計中所采用的是中斷方式模擬軟UART，并且每隔一定的時間更新一次采集。程序流程圖如圖7所示。

3.2 OLED顯示程序設(shè)計

單片機將定位信息通過SPI通信協(xié)議傳輸給OLED顯示屏，單片機接收到數(shù)據(jù)后，首先調(diào)用碼轉(zhuǎn)換函數(shù)，得到數(shù)據(jù)在系統(tǒng)的內(nèi)部編碼; 然后根據(jù)編碼獲得該數(shù)據(jù)點陣數(shù)據(jù)的參數(shù)，再設(shè)置該字符要在 OLED 屏上顯示的位置；最后讀出字符點陣數(shù)據(jù)，然后一行一行地輸出，即可將定位信息顯示在屏幕上。其字符編碼得到系統(tǒng)內(nèi)部編碼流程圖如圖8所示。其顯示程序流程圖如圖9所示。

圖8 字符編碼得到系統(tǒng)內(nèi)部編碼流程圖

圖9 OLED顯示程序流程圖

3.3 UART通信接口程序設(shè)計

單片機要實現(xiàn)UART通信，首先要進行串口初始化；此程序應(yīng)用在單片機與上位機PC之間。UART通信流程圖如圖10所示。UART中斷程序流程圖如圖11所示。

3.4 上位機串口通信程序設(shè)計

先移植PC端串口程序，增加接收和提取GPS數(shù)據(jù)的處理程序，修改文件和源程序中的類名,然后添加GPS數(shù)據(jù)處理代碼[11]：

需要在CGpsProcView類中增加無模態(tài)對話框CGpsDataWin的指針變量GpsDataWin，并設(shè)置一個布爾變量GpsDataWinOn，此布爾變量默認(rèn)為TRUE，由此布爾變量控制是否打開GPS數(shù)據(jù)的顯示窗口，增加相應(yīng)的菜單和工具欄，能夠打開或關(guān)閉GPS數(shù)據(jù)顯示窗口。

在CGpsProcView類中增加和GPS數(shù)據(jù)解釋和處理有關(guān)的數(shù)據(jù)類型和常數(shù)定義。

圖10 UART通信流程圖

圖11 UART中斷程序流程圖

圖12 UART通信流程圖

添加新函數(shù)GpsDataProc(),并在DispData()中增加對該函數(shù)的調(diào)用以顯示定位數(shù)據(jù)。

GpsDataProc()通過UART接收單片機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并存儲到GPS緩沖區(qū)，然后對數(shù)據(jù)進行解釋處理。主要處理方法是：先找到語句結(jié)束標(biāo)志' '，然后向前找到“$GP”，再將兩者間的字符串放到到一個線性存儲區(qū)，再從該線性存儲區(qū)對前部固定長度的數(shù)據(jù)按固定位置轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，對后面長度變化的數(shù)據(jù)，按搜索語句分隔符‘,’的方法轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。單片機與上位機PC進行通信的UART通信流程圖如圖12所示。

4 設(shè)計成果

經(jīng)調(diào)試后，程序運行正常，系統(tǒng)啟動和運行后在OLED端的顯示圖片。

系統(tǒng)運行后在上位機PC端的顯示如圖13所示，上位機定位數(shù)據(jù)顯示窗口14所示。

圖13 上位機PC端的顯示

圖14 上位機定位數(shù)據(jù)顯示窗口

結(jié) 語

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Design of Double Module Positioning Information Acquisition and Display System

Wang Shifeng

(School of Automation,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China)

In view of the widespread application of satellite positioning system in production and life,a positioning information acquisition and processing system based on Beidou/GPS dual module is proposed.The C8051F007 MCU is used as the core of acquisition and processing.The Beidou/GPS dual positioning module BD-126 and MCU interface circuit,the OLED display module circuit,the DC-DC boost circuit are designed,and the corresponding software system is designed also.The system collects the data in the OLED display and the host computer PC-side to display.The experiment results show that the system can complete the acquisition of positioning information,and successfully displayes on the OLED display and PC-side.

GPS;location information;UART;C8051F007

TP211

A

迪娜

2016-12-28)