GPS轨迹记录仪.docx
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GPS轨迹记录仪
GPS轨迹记录仪
摘要：
本设计使用性价比极高的stm32f103c8t6作为主控芯片，通过GPS模块实现与卫星的数据通信，获得在地球上的经纬度坐标等其他数据。
并使用掉电不丢失的存储器AT24C64来存储经纬度，采用1.8寸TFT彩屏和按键作为人机交互界面。
户外使用3.7V锂电池供电,作品小巧方便携带，很适合外出散步、旅游使用。
GPS定位精度高，轨迹效果好，很实用。
关键词：
轨迹记录仪；EEPROM存储器；1.8寸TFT
引言……………………………………………………………………………………1
第一章系统设计……………………………………………………………………2
1.1数字控制器选择……………………………………………………………4
1.2显示方式选择………………………………………………………………5
1.3存储器选择…………………………………………………………………5
1.4人机交互……………………………………………………………………6
1.5GPS选择……………………………………………………………………6
第二章硬件电路……………………………………………………………………7
2.1主控芯片STM32F103C8T6…………………………………………………7
2.2TFT液晶显示………………………………………………………………8
2.3存储器电路………………………………………………………………9
2.4电源电路……………………………………………………………………11
2.5GPS电路……………………………………………………………………12
第三章系统软件设计介绍…………………………………………………………13
3.1GPS指令介绍及解析………………………………………………………13
3.2GPS数据存储………………………………………………………………15
3.3上位机u-center…………………………………………………………15
第四章电路调试……………………………………………………………………17
总结…………………………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………19
致谢…………………………………………………………………………………20
引言
随着科学技术水平的发展，我们实现很多跨时代的技术革命。
卫星能快速传递信息，实时性强、稳定性高并成为通信系统中的重要组成部分；GPS--全球定位系统起始于1958年美国军方的一个项目,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。
其中导航与我们生活息息相关；
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。
当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
通过解析接收机收到的指令内容，便可从中得到各种信息，如经纬度、海拔高度、时间日期、定位精度等其他定位信息。
随着汽车、旅游等产业的迅速发展，利用卫星能够实现在地球上的精度定位，出现很多各种各样的使用GPS技术结合市场需要的产品，轨迹记录仪，GPS车载导航仪等。
轨迹记录产品功能复杂，该设计更多的是验证学校所学知识，本设计与产品相比，有一定的差距。
第一章系统设计
如1-1图所示是GPS轨迹记录仪的系统框图，以数字控制器为核心，从GPS获得数据，经过控制器处理，在存在存储器中，最终传输到PC上位机
图1-1系统框架图
◆1.1数字控制器选择
方案一：
采用89S51芯片作为硬件核，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案，再者因为AT89S51为当今市场上主流产品，其价格也比较低廉；
方案二：
采用ST（意法半导体）公司cortex-M3系类的stm32f103c8t6。
供电电压2V--3.6V，超低功耗；它是32位处理器，处理速度可达72MHZ，具备处理批量数据的能力；拥有37个IO口；有4个定时器、ADC、DMA、PWM、RTC、计时器、温度传感器，常用接口USB、CAN、2个I2C、2个SPI、3个UART，丰富的外设资源便于实现各种逻辑控制。
Flash程序存储器容量64KB ，RAM容量20K，可以实现较为复杂的功能。
综合各种考虑，选择方案二；
◆1.2显示方式选择
方案一：
使用12864蓝白色液晶，控制器ST7920。
水平方向128个像素点，垂直方向64个像素点；由于自带常用中文字库，无需自己做字库，作为人机交互界面时，指令控制简单、操作方便，显示字体粗大较清晰；该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。
但是由于12864外形尺寸较大，不能做成小巧的外形；使用5V供电的液晶时，由于主控是3.3V控制，不能驱动5V的液晶。
使用3.3V-12864液晶可以驱动，但液晶尺寸较大，不能做成小巧型，由于所以放弃使用方案一，采用方案二；
方案二：
使用TFT液晶彩屏，每个像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。
从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息，TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）是多数液晶显示器的一种。
这里用TFT-1.8寸液晶彩屏，控制器9163。
水平方向128个像素点，垂直方向144个像素点；各个显示点可以实现不同颜色控制，有较好的显示界面与显示效果。
尺寸较小，方便外观设计；但是由于不带字库，得自己做字库；
◆1.3存储器选择
这里使用到两种存储器：
AT24C64、W25X16
AT24C64--------
制造商：
ATMEL公司
AT24C64，采用SOP封装方式
存储器容量：
64Kbit
存储器配置：
8Kx8bit
针脚数：
8
工作温度范围：
-40°Cto+85°C
存储电压Vcc：
1.8V
存储器类型：
EEPROM
接口类型：
Serial,I2C
电源电压最大：
5.5V
电源电压最小：
1.8V
频率：
1MHz
用来存储经纬度、海拔高度数据，保证掉电后也不丢失数据；根据记录模式的不同，可以选择存储到AT24C64内数据的时间间隔；
W25X16------------
制造商：
华邦公司
W25X16，采用SOP封装方式
存储器容量：
16Mbit
存储器配置：
2Mx8bit
针脚数：
8
工作温度范围：
-40°Cto+85°C
存储器类型：
FLASH
接口类型：
Serial,SPI
电源电压最大：
3.6V
电源电压最小：
2.7V
时钟频率：
75MHz
数据传输率：
150M-bits
用来存储TFT-1.8寸彩屏字库，由于使用SPI接口，可以快速取出FLASH里面的字模，对显示效果没有影响；可以存储多种字体，根据个人要求；使用串口焼写更新；
◆1.4人机交互
使用按键来实现功能的操作，简单方便；按键共有4个：
第一个是复位，第二个是启动轨迹记录，第三个是停止轨迹记录，第四个是上传存储数据到电脑端；同时，第二个与第三个按键有复用功能；当多次记录的次数超过3个时，系统会提示是否删除之前的轨迹记录，相应的选择是或者否按键；
◆1.5GPS选择
ATK-NEO-6M是一款高性能GPS定位模块。
该模块采用U-BLOXNEO-6M模组，模块自带高性能无源陶瓷天线（无需再购买昂贵的有源天线了），并自带可充电后备电池（以支持温启动或热启动，后备电池在主电源断电后，可以维持半小时左右的GPS接收数据保存）
第二章硬件电路
◆2.1主控芯片STM32F103C8T6
图2-1主控外围电路
Stm32f103c8t6供电电压3.3V，内部集成AD跟DA，为了使各自的功能能正常使用，在电源供电上，使用模拟与数字分离，滤除数字信号干扰通过电源端耦合到模拟电源端，造成AD转换时精度不高，或者出现严重偏离实际值的现象。
如图所示，实际使用时，为了布局方便，常使用0R电阻或者磁珠与数字电源隔离，能起到一定的抗干扰作用；
芯片工作时钟为72MHZ，本次方案时钟72MHZ时钟来源是使用外部8M晶振，通过内部锁相环构成的倍频器，使时钟经过倍频器后到达内部总线的频率达到72MHZ。
芯片内部也有集成晶振，但精度不如外部石英晶振高，只有在外部时钟出现异常时，系统会自动转化到使用内部晶振模式。
晶振起振电容一般选择10pf到30pf，接法如图所示；每个电源端需要加0.1uf的电容，能有效的降低各个系统内部功能的不正常耦合。
◆2.2TFT液晶显示
图2-21.8寸液晶引脚定义
图2-3最大承受电压
本次方案我们使用TFT1.8寸液晶屏；TFT-薄膜场效应晶体管，指每个液晶显示的像素点都由场效应管电路驱动。
由于mos管的集成度高，低功耗，在集成电路设计得到大量的应用，TFT液晶屏成为了主流的显示设备；每个像素点可以显示不同颜色，实际像素点内是有红绿蓝三种光源。
根据实际要显示的RGB比例值，驱动对应的RGB驱动电路，从而实现像素点颜色的显示
如图2-2所示，定义1.8寸液晶接口及电气类型、尺寸规格。
该屏使用II2C与控制器进行数据传输通信；
/RET：
复位引脚控制，当高电平输入时，液晶复位
A0：
数据/命令选择端口，A0=0时，接收是命令；A0=1时，接收数据；
SDA：
串行数据传输端口；可视为II2C数据脚，也可视为SPI-MOSI脚；
SCK：
串行数据传输时钟脚；
/CS：
传输接口的使能端；
VDDA：
液晶电源端口；
VDDIO：
液晶IO口电源；
VSS：
液晶地端；
LED-、LED+：
背光灯端口；
如图2-3所示，该液晶的电源供电可以从-03—4.6V，VDDIO从-0.3---4.6V。
结合实际使用的电源，本次都使用用3.3V输入，液晶能正常工作;
◆2.3存储器电路
图2-4W25X16-flash芯片电路
使用主控芯片硬件SPI外设接口来驱动该芯片.
PA4----SPI_NSSSPI使能端，片选端
PA5----SPI_SCKSPI时钟脉冲端
PA6----SPI_MISOSPI主输入从输出端
PA7----SPI_MOSISPI主输出从输入端
由于本次选用的液晶不带字库，只能自己制作字库。
通常把字库存放在flash，如W25X16即有16M位共2M字节。
把制作好的字库文件通过上位机串口软件，发送到主控芯片，STM32F103C8T6串口接收上位机发送的字库数据，接收到数据后把数据通过SPI方式写进W25X16-flash里面，这样就完成字库的更新；液晶显示汉字时，通过计算在字库的偏移量，去读取相应的字模，然后在液晶上显示；
图2-5AT24C64-EEPROM芯片电路
图2-6AT24C64地址设置
使用主控IO口模拟II2C时序实现与芯片的通讯；
SCL----PB8II2C时钟端
SDA----PB9II2C数据端
本芯片主要用来存储经纬度海拔信息。
通过上拉电阻使II2C通信更稳定、可靠。
AT24C64有64K位，容量为8K，掉电不丢失；如图所示，该芯片的A0\A1\A2均为0，所以，地址为1010000R/W。
当控制器同时与多个II2C芯片连接时，通过设置不同地址来却别，保证通信的正常。
W25X16---flash与AT24C64---EEPROM区别
相同点：
两者都是掉电不丢失，能存储信息；
不同点：
flash不能像EEPROM那样对每个存储单位进行读写，每次写新的数据时，必须要擦出对应所在的扇区；flash的容量能做得较大，但是EEPROM容量相对较小，如本次使用容量对比（FLASH_2M—EEPROM_8K），EEPROM的价格也较flash贵。
速度方面两者差距不大。
虽然都是掉电不丢失，flash在很多方面优势明显，但是EEPROM能对每个存储单位进行读写，跟RAM相似的功能，在某些应用中具有不可替代的作用；
◆2.4电源电路
图2-7供电电路图
图2-8AMS1117-3.3V
本方案使用两种电源，分为户内上传数据使用及户外使用。
户外使用3.7V铝电池供电，系统电源为3.3V，我们使用压差大约0.3V的稳压管RT9193-3.3，使较小电压输入也能得到3.3V电压；普通常用的AMS1117-3.3V其参数如上图所示。
由图可知，其输入输出压差1.15V，3.7输入，不能得到3.3V输出。
低压差稳压芯片在小型系统上得到大量的应用。
铝电池充电也有专用芯片充电，电路简单易用。
户内使用USB插口直接给系统供电。
◆2.5GPS电路
图2-9GPS电路原理图
主控芯片NEO-6M-0-001，通过R4和R5电阻接法选择与芯片通信的不同串口波特率，本次使用38400。
由原理图可知，该芯片还可以通过USB、SPI、II2C接口与其他控制器通信，外设接口丰富。
通信指示端口——PIN3，当该芯片通过天线与卫星正常通信获得有效数据时，该端口会输出隔秒脉冲，作为通信指示。
天线端口——PIN11，这里使用无源天线，室内使用时信号弱，但是室外效果好，也可以使用有源天线，能在户内通过放置在外的天线来与卫星通信，方便室内调试，调试过程中发现天线会受地线影响，使天线不能正常工作，无法与卫星正常通信。
备用电池端——PIN22，该端口使用可充电的电池（实际上是一个大容量的电容）。
当通电时，系统3.3V电源会通过压降二极管1N4148给电池充电。
系统断电时，芯片内部保存星历数据电路由外部电池来供电，但是当断电时间超过半个小时后，电池电量耗尽，芯片内部数据也将丢失。
下次启动GPS时，需热启动大约30秒时间才能得到有效卫星数据。
备用电池的作用就是要让GPS断电后能使用温启动来缩短芯片启动到正常工作的时间。
正常3秒即可获取到有效数据。
第三章系统软件设计介绍
程序流程图
◆3.1GPS指令介绍及解析
序号
命令
说明
1
$GPGGA
定位信息
2
$GPGSA
当前卫星信息
3
$GPGSV
可见卫星信息
4
$GPRMC
推荐定位信息
5
$GPVTG
地面速度信息
6
$GPGLL
大地坐标信息
7
$GPZDA
当前时间（UTC）信息
卫星与GPS模块是使用NMEA-0183协议进行通信。
NMEA-0183协议采用ASCII码来传递GPS定位信息，我们称之为帧。
常用命令$GPGSV、$GPGGA、$GPGSA、$GPRMC、$GPVTG
帧格式形如：
$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh（CR）（LF）。
1、“$”：
帧命令起始位
2、aaccc：
地址域，前两位为识别符（aa），后三位为语句名（ccc）
3、ddd…ddd：
数据
4、“*”：
校验和前缀（也可以作为语句数据结束的标志）
5、hh：
校验和（checksum），$与*之间所有字符ASCII码的校验和（各字节做异或运
算，得到校验和后，再转换16进制格式的ASCII字符）
6、（CR）（LF）：
帧结束，回车和换行符
本次以$GPGGA简单介绍：
$GPGGA,
（1）,
（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,（9）,M,（10）,M,（11）,（12）*hh（CR）（LF）
（1）UTC时间，格式为hhmmss.ss；
（2）纬度，格式为ddmm.mmmmm（度分格式）；
（3）纬度半球，N或S（北纬或南纬）；
（4）经度，格式为dddmm.mmmmm（度分格式）；
（5）经度半球，E或W（东经或西经）；
（6）GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位；
（7）正在使用的用于定位的卫星数量（00~12）
（8）HDOP水平精确度因子（0.5~99.9）
（9）海拔高度（-9999.9到9999.9米）
（10）大地水准面高度（-9999.9到9999.9米）
（11）差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，非差分定位，此项为空）
（12）差分参考基站标号（0000到1023，首位0也将传送，非差分定位，此项为空）
软件解析方法：
$GPGGA,023543.00,2308.28715,N,11322.09875,E,1,06,1.49,41.6,M,-5.3,M,,*7D
卫星一次性把GPS的数据通过不同的命令传送给GPS，所以串口接收到的数据有好多条命令，通过字符区分，把不同的命令区分开，在读取每个字符代表的数，最终根据命令格式得到对应的数据
◆3.2GPS数据存储
当启动轨迹模式后，仅在GPS数据有效时，才能把GPS数据写入EEPROM里面，同时模式指示灯隔秒闪烁，如果进去轨迹模式但GPS数据无效，指示灯将一直亮着，不闪烁。
使用定时器4来控制指示灯，使用模拟II2C口PB8、PB9对EEPROM进行操作。
EEPPROM的最后一个字节存储记录的轨迹数，每个轨迹存储结束后在后面的三个地址存储END（0X454E44）字符,以实现多次记录轨迹的分次上传。
◆3.3上位机u-center
u-center是由ublox公司提供的GPS评估软件，功能十分强大，把要传送的数据还原成命令格式通过串口发送到u-center，会自动的把数据转换成对应图像控件等其他直观视图。
图3-1上位机软件启动界面
如图3-1所示，设置对应的波特率及串口，然后连接串口。
图3-2KML文件的生成
当GPS命令传输到上位机后，如图3-2所示，通过file菜单下的databaseexport可以选择生成KML文件或者HTML文件，本次生成KML文件。
图3-3google地球-北区KML轨迹效果
使用谷歌地球打开u-center生成的KML文件，显示效果如图3-3。
第四章电路调试
在硬件电路制作过程中，由于实验室户内信号不强，我是在窗户旁边调试。
遇到的一个大的问题：
卫星天线与控制板的地线靠近时，天线不能正常工作，导致GPS不能接收到数据。
由于外观设计时没有考虑到这点，使得设计完成后外观设计没有达到预期的效果。
软件调试时，第一次使用1.8寸液晶，驱动时遇到时序延迟问题，通过查看参考资料及实际调试，来解决问题。
第五章总结
本次设计功能达到预期要求。
通过本设计，让我实践许多综合的知识，提高动手能力。
GPS轨迹记录仪在生活中具有一定的实用性，虽然离市场上产品有较大差距，但对我个人来说是个重要的里程碑。
体验到独自设计方案，在电路调试及遇到问题的解决过程中学会运用自身知识，通过假设验证的方式尝试解决问题。
学会独自思考去解决问题，这份能力的培养对于个人能力来说是尤其重要。
该设计还有很多可以改进的地方，如可以往导航仪方面做，本次设计还有很多GPS功能没有用到，可以利用其他数据在液晶屏上实时显示地理位置信息，可以往物联网这方面做，增加网络传输GPS数据，来达到实时了解物流的具体位置。
有很多实用的功能，需要更专业的知识。
在很多跨专业的知识领域，随着现代技术的发展，将会留下为各个专业领域对接的接口，方便不同领域的结合运用。
这个是接触到GPS后深有体会。
参考文献
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致谢
首先，感谢指导我修改开题报告、论文及其他专业知识的赖老师。
在老师的帮下，我的毕业设计制作时间效率很高，老师在我解决不了的问题中，指导我弄清整体框架，然后在各个细节去突破，让我受益匪浅，感谢老师对我的帮助。
同时也感谢身边的同学们。
在这制作过程中，当我遇到问题时，他们能够放下他们手中的事情与我沟通、交流意见，在互相交流的过程中解决了许多问题。
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