基于单片机的北斗定位显示终端设计Word格式文档下载.docx

1、北斗已经贯穿于国内的各行各业，都发挥着不可替代的功效，北斗导航卫星得以实施，必定离不开信号收发以及在任意时刻的数据显示。信号输出具体要考虑到本体的三维坐标，也就是说俗称的经纬与天线高程，除了这些还有全球时刻、相对速度和卫星数量等等信息。中国北斗起步较晚，在精度上与国外的技术相比还存在一定量的差距，日后，一定不负所望成为一枝独秀。1.3 本文研究主要内容本课题所设计的定位显示终端以最小内核为核心，主控芯片采纳弘晶科技的STC12C5A60S芯片，该芯片为功耗低、速度高、抗干扰强的51单片机，片内集成1280字节的RAM，用户程序空间高达62K，片内资源丰富。在探究北斗运作流程的同时，提取导航模块

2、的数据进行加以分析，并使其呈现在LCD12864上，具体显示出此时的日期、时间、经纬度以及运速，还需实现语音播报。要求绘制控制原理图，并进行调试电路以及硬件搭建，为北斗导航仪器的开发提供参考。第2章 北斗定位系统的研究2.1 北斗导航定位系统概述中国致力于导航系统的研发进程，其中北斗作为最为坚实的一项，不断攻克难关自力更生困难奋斗，自主研制、独立于外界的稳定运行在太空中的卫星导航。x和人民共同坚信，我们有信念完成独立研创、全面兼容、稳定运行覆盖面广的导航系统，共同建设同步导航于全球。2.1.1 北斗定位导航系统组成用户区、空间区、陆地区共同完成导航定位。导航兼容终端机和操作用户终端共同打造用户

3、区，无线电测定（Radio Determination Satellite Service,RDSS）是具体拟采纳的方法之一，它与无线电导航（RNSS）相结合，这样便可提供短报文通讯和地点随时定位。30颗运动轨道改变卫星与5颗保持轨道相对不动的卫星构成空间区。其中坐标为160 E、110.5 E、58.75E、140 E和80 E坐落于相对于地球不动轨道，3颗轨道改变卫星与27颗椭圆轨迹卫星。主控点、监控点、注入点有效构成陆地区。其中主控点要总结归纳各个监测点所采集来的数据，并逐个加以分析处理，整理为导航和差分报文，用于稳定控制与可靠运行。监控点简洁来讲就是收发站用于数据衔接，接收反馈回来的各

4、种信号，并准时将其打给主控点。注入点主要负责导航报文，差分有效性的控制管控。三区协同管控观测信息。2.1.2 北斗定位原理根据查阅大量相关资料可以总结归纳出，世界上三大导航Galileo、GPS、GLONASS与北斗的实现原理大同小异，即定位主要依靠三心定位空间几何来完成。用户在瞬间了解到2颗卫星以上的信号，通过逆向返回求解空间间距，从而得到空间经纬，这是距离交会法就派上用场了，用于求解用户接受的具体方位。即以下步骤：1.实时监测接收设备与3颗卫星的间距；2.利用报文发送至使用者卫星具体位置；3.确定球心，即卫星，监测到的间距为半径绘制球面；4.已知绘制的所有球面交与两点，排除一点即可获得用户

5、坐标如图2-1所示。图2-1 三球交会定位原理图到目前为止我国研制的第二代北斗，智能化程度已经较高了，不需要认为发送信息了，单方面不再借助电子及用户高程图，导致卫星直接测距完成定位，集成化程度相当之高，根据这一要求则要增加卫星数量才能得以实现，具体如图2-2所示，不过有利必定伴随着一定的弊端，如若实现全球性覆盖，卫星的数量就会屈指可数，故因此，我国的北斗产品还未实现环球通用，单一亚太地区能够适用。图2-2 北斗定位原理图2.2 UM220-N模块分析2.2.1 UM220-N芯片详解如图2-3所示芯星通针芯片，该模块集成在车载导航、气球探空等的北斗/GPS组合多系统兼容模块。通过查阅相关资料，

6、ARM9是其UM220-N的有效内核，不但灵敏度高，而且跟踪性能也是很良好的，响应速度高达20ns，它具备其他芯片共有的特性，且可靠性稳定。图2-3 UM220-N模块外观与美国GPS相比，UM220-N不仅能够改变收发信号模式，而且也可以接收单一信号，也兼容双路平台信息，不必说，准确度稳步提升。2.2.2 UM220-N的管脚功用结合图2-4与表2-1阐述UM220-IIIN的引脚功用，从图中可以清楚看出24个引脚对称均匀排布：图2-4 UM220-N引脚图表2-1 UM220-N管脚说明序号名称I/O电平标准描述1nRESETILVTTL外部低电压重置2AADET_N有无源天线核查1:即为

7、无源天线0:即为有源天线3TIMEPULSE 脉冲4外部中断5是否短路检测即为天线地短路地正常6TXD22串口发信号7RXD22串口收信号8RSV悬空，保留管脚9VCC_输出电压10GND接地信号11RF_INGNSS输入信号（BD2 B1+GPS L1）12接地1314SPLSDOSPI数据输出15SPLSDISPI数据输入16SPLSCKSPI时钟17SPLCS1SPI片选端18SDA数据DDC19SCL时钟DDC20TXD11串口发数据21RXD11串口收数据22SRAMV、RTC备份电压23VCC-供电电源242.2.3 UM220-N语句输出格式是北斗需要依据的协议格式，早在1983

8、年的时候，西方巨头美方海事电子协会（National Marine Electronics Association,NMEA）就已经订制了这种协议准则，凡是运用此协议都一定公然遵守。该协议的特别形式输出类型为ASCII码，依据8位数据4800的波特率进行串行通讯，且没有校验奇偶，起始和终止位各占一位。首先，传送方式要以 作为起始字符，否则不能识别，其次，分别需要两个字符的字母作为“识别符”，三个字符作为“语句名称”，结尾一定要以英文逗号收尾，UM220-N模块格外指出的是，所谓的“识别符”包含三种情况，其中，GP为GPS系统单独定位；BD为北斗系统单独定位；GN为GPS与北斗系统混合定位。有多

9、大十多种的数据类型可供参考，用于GPS定位功用的GGA；陆地坐标指示为GLL；UTC时间参数默认由ZDA显示；标准差由GST钩落而成；ALM表示星历；有的信息不可见，而有一部分可见，那么就由GSV输出，在具体应用中RMC最为广泛也最为常见，其为最短数据信号。以RMC语句为例进行详细介绍。面对于平常的，要求系数不是很周密的情况，RMC的语句表是皆可胜任的。具体操作格式如下所示：表2-2 RMC的语句格式详解编号含义取值格式备注定位间隔UTC时间2取值是否A/VA：即为有效V：即为无效3纬度dd：表示度 mm.mmmm：表示分4北或南半球N/SN：表示北纬 S：表示南纬5经度6西或东半球E/WE：

10、表示东经 W：表示西经7地面运行速度单位为：节8速度方向9日期分别表示：日，月，年10磁偏角度11磁偏角的方向固定偏值为E12模式以及校验之和A/ N表示单点定位即为没有定位校验和：提取从$到*的字符串计算异或所得的16进制数2.3 本章小结本章主要讲述了两部分内容。首先，介绍了北斗系统的组成与原理；在充分了解北斗定位原理后，讲解了UM220-N模块的基本信息。包括UM220-N模块的电气特性和引脚介绍。最终讲解了UM220-N输出语句格式和各数据位的含义。第3章 总体方案设计北斗接受模块通过天线接收卫星信号，不断地进行该卫星的轨迹跟踪，并对该轨迹进行分析和测量。与此同时便会得到天线位置空间坐

11、标以及该信息的传送时间间隔，这样有了确切的试验数据，通过一点的计算，即可推算出天线的具体位置，完成此过程就实现了天线的定位，将一系列的离散点连续化，就可得到某种程度上的实时定位。操作者只需通过I/O接口就可获得一系列的信号，这种信号就代表定位语句表，再由主控芯片内部处理，经过显示屏显示，语音播报等形式输出给用户，便可完成人机交互的过程。本课题需要利用单片机作为主控芯片来完成相应的控制功能，也就是说完成信号读取，并将读取的信号处理在显示屏上显示并进行语音播报。已知北斗运用以BD+GPS为核心部件的接收机，主控芯片为STC89C52芯片用于收发北斗与GPS的双路信号。最终通过编程软件在显示屏上显示

12、并在扬声器上播放北斗卫星定位信息。本课题中选用LCD12864的主显示屏，为播放设备，结合图3-1硬件框图作进一步说明，通过天线接收的数据信号经过芯片UM220-N模块处理，主控芯片STC89C52通过串口接收定位信号，在处理器内部进行数据分析与运算，最终显示并播放定位信息。图3-1 北斗导航硬件设计框图3.1 单片机最小系统本课题采纳STC89C52主控芯片，该芯片成本方面价格低廉、空操控性能良好、稳定性也是很不错的，该芯片控制电路再引入晶振和复位电路便可有效组成最小系统，通过课程学习已经了解到，开发板的基本组成单元就是最小系统本身，在这个前提下，仅需北斗模块、显示和播报模块就可完成语音播报

13、和显示定位功能。如图3-2所示控制系统最小电路原理图，可以看出复位电路引入了10K的上拉电阻，晶振电路并联两组的起振电容并引入无源晶振频率为11.0592作为晶振电路。图3-2 单片机最小系统电路3.2 北斗卫星定位模块电路组成本文使用双系统定位北斗模块，该产品是和芯星通所生产的，其内核为多频SOC芯片，兼容，该模块不仅占位小结构紧凑，而且成本极为低廉，功率也是非常小的。可经过UART接口与开发板完成通讯。开发板是艾琳科技的北斗开发板，值得注意的是该板子可直接将TTL电平经，232串口与计算机进行通讯。实物可参照图3-3所示。图3-3 北斗开发板实物图本北斗卫星模块串口有磁珠和瞬态抑制二极管（

14、Transient Voltage Suppressor），可以从本质上消除浪涌的干扰，确保该系统稳定可靠运作。模块电源电路图如图3-4所示，已知稳压器能够输出1.2V37V的直流电压，以及1.5A的电流，三个引脚如图分布所示，分别为调节端即为调节电压输出值、输入和输出端。通过并联的滤波电容来降低电源电压的跳动，从而达到对电路元件的爱护。图3-4 北斗模块电源电路结合图3-5，介绍北斗模块电路，该模块电路是与一些电子元件共同构成。首先可以看到存在4组插针，通过串联电感的作用是起差模滤波作用，目的在于阻止电流顺变损伤芯片；在电路中引入并联电感的目的是确保芯片稳定运行，抑制噪音。指示灯由二极管担当

15、，只要传送一个信号则闪烁一次。TXD1与主控芯片STC89C52的P3.0也就是说RXD相连，完成串行通信。图3-5 北斗模块芯片电路串口电路图如图3-6所示，通过MAX232将串口信号转变为232电平信号，再通过9针的RS232串口与计算机的数据口连接。可以进行模块数据定义和系统升级。图3-6 北斗模块串口电路北斗模块关键指标如表3-1所示1214。表3-1 北斗模块关键指标电源电压3.3V-5V冷启动用时32s热启动用时1s温启动用时接口全双工接口波特率工作温度3.3 显示单元电路LCD12864不仅能够显示汉字还能够显示出图形来，RAM里面具有八千多个中文汉字、个字符以及个点阵。引脚介绍

16、如图3-7和表3-2所示。图3-7 LCD12864引脚图主控芯片的P0口是对显示屏进行显示数据控制的接口，指令的操作通过P2口来执行，LCD12864的各项参数如下所示：电源3.35V内部配有升压电路；可供显示的最大量为：128列和64行；接口形式：8位等。表3-2 LCD12864引脚说明引脚号管脚名称说明电源的地线VDD电源输入端子（+5V）V0液晶对比度调节RS数据输入R/W读写选择（1读；0写）E读写使能7-14BD0-BD7数据总线PSB选择并/串口（1即并；0即串）NC表示悬空REST表示液晶屏模组复位VoutBLA表示背光源正BLK表示背光源负3.4 音频播送电路3.4.1 音

17、频播送工作原理播送模块由一个硬解码芯片、一个单片机芯片、卡槽以及一些电子元器件组成。其中播送模块的运行原理为：第一步把MP3文件从外部内存卡读出并读出存储器上的信息，再通过解码芯片对信号进行加工，再将数字信号转变为模拟信号，最终模拟信号经过放大滤波，并通过扬声器等设备进行播放。因此，语音播放模块最重要的两个芯片就是单片机芯片和解码芯片。主控芯片加载音频需要一套完善的程序控制，指引每组硬件进行运转：首要准备就是把定量的信号数据读出来，然后间接传送到解码器中进行运算；在此过程中需要完成与主机的信息流往来，以及遵循被控按钮的操作。根据硬件的安排原则，在这部分当中主控芯片为STC15W204S，该芯片

18、内部本身集成模/数转换的功能，这就为用户使用带来了很大的便利，不需要额外附加信号转换模块。当然解码芯片是一定要具备的，因为此芯片不仅能够执行多种形式的音频文件的解码，而且它的输出是以数字量呈现的，操作便利且高效，与此同时，解码芯片的优劣程度会直接关系到输出音质的优良性能。3.4.2 音频模块工作模式YS-M3语音播放模块由5V直流电源供电，其端口也是相当丰富的，其中触发器接口就多大9种，触发模式也很有特色，可以进行一键式触发也可以伴随着进行编码触发，值得注意的是触发指引是低电平，这两种方式可供用户进行选择。硬件结构如图3-8所示，各个引脚的功能排列见表3-3。所谓的一键式触发情况：上面已经提及

19、到，可见该语音模块拥有马上触发接口多大9个，如图3-8所示，在图中以A为编号，A1-A9来表示。再有就是当中的各个接口都各自对应一个音频文件，只要有端口接收到低电平信号后，那么就会执行相应的音频信息，也就是会播放出相应的音乐。所谓编码触发：应用编码触发方式可以播放31首MP3。应用该模式时，将A10和GND连接，用A1-A5为编码端口进行编码。该状态可配合单片机的I/O口来控制发声。在本次设计中，采纳单片机的P1口的低5位进行歌曲的编码选择。图3-8 YS-M3模块实物图表3-3 YS-M3引脚功能管脚编号管脚别称其他说明Vcc电压值5V公共接地端GMD4-12A1-A9执行编码接口A10其与

20、GND公共端相接、则可运行编码模式CN1播送第2项音频，一旦开始播送就不可中断BY存在播送时就会输出电平为高，默认为低3.5 本章小结本章主要描绘出平台硬件搭建的整体方案，对芯片最小系统的构成与组件进行了细致的铺垫，为程序设计奠定了扎实而有利的基础，通过查阅大量文献总结了北斗模块的各个功能，以及没种功能对应的运行原理与构造，对数据显示设备以及语音播送设备进行了分析总结。 第4章 导航卫星定位部分软件设计4.1 软件开发与方案设计4.1.1 程序仿真Vision4Vision4是目前功能比较丰富，性能成熟稳定的开发软件，这是因为它是由品牌公司Keil旗下的产品，不仅具备汇编等功能，还能脱离硬件进

21、行软仿真测试，依据仿真结果进行调试，这个步骤可以良好的爱护硬件不被损坏，集成度是相当高的，功能也足够强大，支持的主控芯片样式也是五花八门，不愧是嵌入式领先者。具体研究过程总结归纳为以下几点：新建工程文件；对已有工程进行组态；进行控制程序的书写；软件内部进行编译；最终进行仿真调试程序；4.1.2 软件设计流程本设计程序设计分为五大主要模块：LCD液晶显示模块、导航数据接收模块、单片机中断初始化、语音播放模块、时序模块。程序流程图如图4-1所示。当运行程序时，首先进行LCD显示屏和中断初始化，然后显示屏上显示“BPS 北斗定位”的开机画面，逐步进行判别定位信息是否完好，假如未实现定位就需要进行重复

22、进行判别直至完成定位，伴随显示出提示信息“Receiving”，当达到定位情况，接下来就会进行下一步判别，判别的内容则为是否准确，如若准确无误的话，就将定位信息储存起来，并将各项数据呈现在显示屏中央，即相应的坐标、日期、时间、相对陆地速度等等，否则呈现出“no data”。目前，该方案仅收发GNRMC信号，只有在收到这种信号的情况下，才会做出回应，各项数据指标才会在显示屏上展现出来1617。需要点击播送键，此时便会自动关闭中断服务程序，进行音频信息播报，播报完成以后马上开中断，依次循环运行。4.2 北斗定位数据接收与后续处理北斗导航模块的数据通过串口中断传输至缓冲区，同时将数据发送给上位机，单

23、片机通过处理串口数据获得经纬度等定位信息18。4.2.1 数据接收北斗模块启动后开始接收导航数据，接收到的各种信息（如：经纬度、UTC时间、相对地面速度等等）均涵盖在GNRMC、GNGGA这些语句表当中，主控芯片通过缓冲区域接纳这些与定位数据相关的信号。借助串口助手，可以清楚地发觉主控芯片与北斗导航间的信息交换，其信息交换导航如图4-2所示。为接下来程序的编制带来了极为有利的帮助。图4-1 程序流程图4.2.2 数据处理本设计根据需要，解析显示的是$GNRMC这一传输语句信息。在接下来的一章里，会进行逐步的进行各个模块的调试，在此先对UM220-N进行有效初始化，保证单一输出语句GNRMC，以便于信息的显示与播报。图4-2 接收数据如图4-3所示，展示了串口中断服务程序的运行流程，即首要任务就是对主程序采取中断措施，这样才能够进入到中断服务子程序，重要的