北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的研究.doc

哈爾濱理工大學學士學位論文哈 爾 濱 理 工 大 學畢 業(yè) 設 計 題 目： 北斗定位系統(tǒng)研究 院、 系： 榮成學院 電氣工程系 姓 名： 朱瑞鋒 指導教師： 侯甲童 系 主 任： 王哈力 2016年6月24日北斗定位系統(tǒng)研究摘 要全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)成為重要的信息產(chǎn)業(yè)之一，越來越多的國家注意到其巨大的潛在價值。并成為衡量一個國家綜合實力強弱的工具，成為各國研究的重點。本設計主要對基于STC89C52單片機的北斗定位接收機的軟硬件系統(tǒng)展開了研究。首先，研究了北斗導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、原理和特點；其次，選用和芯星通的UM220-N芯片為北斗模塊的核心芯片；然后，研究了接收機芯片的工作原理和特征，確定了北斗導航接收機的硬件和軟件整體方案；最后，在此方案的基礎上進行了軟硬件的調(diào)試。本次設計的接收機首先通過北斗模塊接收定位信息，然后發(fā)送給單片機進行信息處理，最終在顯示模塊顯示且在語音模塊播報。本設計所做的北斗導航接收機實現(xiàn)了精準定位?？梢杂肔CD12864顯示經(jīng)緯度、速度、時間、日期，并且用YS-M3語音播報模塊播放經(jīng)緯度。關鍵詞 衛(wèi)星定位系統(tǒng)；北斗；STC89C52；UM220-N芯片50The Research of Beidou Positioning System AbstractThe global satellite navigation system has become one of the important information industry.More and more countries pay attention to its huge potential value.It has become the tool to measure a nations comprehensive strength , and a focus of research.In this design, the hardware and software system of the Beidou positioning receiver based on STC89C52 single chip microcomputer is studied. Firstly, the paper studies the development, principle and characteristic of the Beidou navigation system; secondly, choose the He Xin Xing Tong UM220- III N chip as the core chip of Beidou module; then, study the working principle and characteristics of the receiver chip, determine the Beidou navigation receiver hardware and software of the overall program; finally, on the basis of this scheme were the debugging of the hardware and software. The design of the receiver first through the Beidou module to receive positioning information, and then sent to the microcontroller for information processing, and finally in the display module display and broadcast in the voice module.This design for the Beidou navigation receiver has realized the accurate positioning. It can be used LCD12864 display latitude and longitude, speed, time, date, and with YS-M3 speech module play the latitude and longitude.Keywords Satellite positioning system; Beidou; STC89C52; UM220-N chip目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀21.3 本課題主要研究內(nèi)容3第2章 北斗定位系統(tǒng)42.1 北斗定位系統(tǒng)概述42.1.1 北斗定位系統(tǒng)組成42.1.2 北斗定位系統(tǒng)的定位原理42.2 UM220-N模塊52.2.1 UM220-N芯片介紹52.2.2 UM220-N引腳功能描述62.2.3 UM220-N輸出語句格式72.3 本章小結8第3章 總體方案設計93.1 單片機最小系統(tǒng)93.2 北斗定位模塊電路103.3 液晶顯示單元電路123.4 語音模塊電路133.4.1 語音模塊工作原理133.4.2 語音模塊工作模式133.5 本章小結14第4章 定位系統(tǒng)軟件設計154.1 開發(fā)環(huán)境及軟件方案設計154.1.1 Vision4154.1.2 軟件設計流程154.2 定位信息接收與處理154.2.1 數(shù)據(jù)接收154.2.2 數(shù)據(jù)處理164.3 模塊軟件設計184.3.1 語音播報模塊184.3.2 液晶顯示模塊194.3.3 中斷函數(shù)214.4 本章小結21第5章 系統(tǒng)調(diào)試與分析225.1 系統(tǒng)調(diào)試225.1.1 北斗模塊調(diào)試225.1.2 軟件調(diào)試245.2 結果分析245.3 本章小結26結論27致謝28參考文獻29附錄A31附錄B33附錄C34第1章 緒論1.1 課題研究背景及意義全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satelite System,GNSS）是一種為人們提供全球、全時段高精度定位導航信息的衛(wèi)星系統(tǒng)。作為一個國家的基礎設施，GNSS標志著一個國家的綜合實力，是保障國家安全、提高人民幸福指數(shù)的重要設施。眾所周知，20世紀70年代以來。以美國和蘇聯(lián)為首的各國認識到太空資源的重要性，相繼啟動各自的衛(wèi)星導航計劃。為緊隨經(jīng)濟和科技迅速發(fā)展的步伐，我國于1980年開始創(chuàng)立一個獨立的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2003年，隨著將第三顆北斗衛(wèi)星順利送入太空，我國組建了完整的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，可以確保全天候、全天時提供衛(wèi)星導航通信信息。標志著繼美國和前蘇聯(lián)后，我國成為世界上第三個建立了完善衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。改變了我國長期缺少高精度、實時定位的局面，填補了我國衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的領域空白1。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀目前，世界上已建成的全球衛(wèi)星導航體系有美國的“全球定位系統(tǒng)”（GPS）和俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)。而歐洲也正在抓緊建設“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)2。1995年4月27日，美國成功實現(xiàn)了GPS系統(tǒng)的完全組網(wǎng)運行。在空間部分，GPS的星座由24顆衛(wèi)星組成，這24顆衛(wèi)星等距地分布在6個近圓軌道上，每個軌道上有4顆衛(wèi)星。接收部分由1個主控站和5個監(jiān)控站組成。用戶在同一時刻精準計算4顆衛(wèi)星信號的傳播時間，可得到高精度的三維定位數(shù)據(jù)?，F(xiàn)役的第二代GPS衛(wèi)星增加了星鐘、星間鏈路和自主導航三大功能，大大增強了GPS的導航精度、GPS系統(tǒng)的生存能力。1995年12月，俄羅斯（前蘇聯(lián)）的GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)落成。但由于美國壓制和后期資金緊缺，補網(wǎng)衛(wèi)星沒有及時發(fā)射，系統(tǒng)還滿足不了導航和定位的要求。GLONASS系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，散布在三個軌道上。GLONASS系統(tǒng)的民用標準定位精度是50m。伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo）是由歐盟牽頭開發(fā)的全球衛(wèi)星導航體系。該體系內(nèi)共有30顆衛(wèi)星，包括27顆運行星，3顆備用星。2014年8月，隨著第二批的一顆衛(wèi)星成功進入預定軌道，太空中已有6顆正式的伽利略衛(wèi)星，可初步施展地面定位的作用。Galileo系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)相兼容的全球定位系統(tǒng)。它吸收了GPS的經(jīng)驗，具有很多優(yōu)點。Galileo系統(tǒng)實施了三載波模糊度解算技術（Three-carrier Ambiguity Resolution,TCAR），較好地處理了加密、密鑰和拒用三者的關系。該系統(tǒng)定位精度10m，定時精度33ns3。當今，衛(wèi)星導航系統(tǒng)正在向多系統(tǒng)組合導航和差分導航方向發(fā)展。衛(wèi)星導航定位技術與慣性導航技術、無線電導航技術相結合，并且即將應用數(shù)字化銫鐘技術。這對我國北斗導航系統(tǒng)提出了更嚴格的要求和更新的挑戰(zhàn)。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）由空間段、地面段和用戶段三部分構成。目前為止，中國已成功發(fā)射22顆北斗導航衛(wèi)星。已成功覆蓋亞太大部分地區(qū)，具備區(qū)域無源導航服務能力。預計2020年前后，北斗導航系統(tǒng)將形成全球無源服務能力。隨著我國綜合實力水平的提高，“北斗”產(chǎn)品越來越多地在工業(yè)制造、軍用領域、生活服務領域發(fā)揮著不可替代的作用。北斗定位系統(tǒng)在陸地上的開發(fā)應用方面具有極其重要的地位，體現(xiàn)在諸多方面，如：車輛行駛狀態(tài)監(jiān)測和導航；旅游景點導航；應急車輛最快路線引導；大氣物理觀測；工程建設的施工測算；板內(nèi)運動狀態(tài)和地殼形變測量；智能火車網(wǎng)建設；智能放牧；氣象監(jiān)測等4。北斗定位系統(tǒng)在海洋方面有著同樣重要的作用，例如：提供遠洋船只的定位；計算最短航程，提高運輸安全和效率；遠洋船隊在航行中的實時調(diào)度和檢測；提供兩船之間、船與陸地的短報文通信；海洋救援的搜救和定點測量；海底管道鋪設測量；水文監(jiān)測等。2014年11月23日，國際海事組織海上安全委員會審議通過了對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)認可的航行安全通函，這標志著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式成為全球無線電導航系統(tǒng)的組成部分，取得面向海事應用的國際合法地位5。北斗定位系統(tǒng)在航空方面的應用主要體現(xiàn)在：民航飛機的自主導航；飛機精密著陸；飛機空中加油等。北斗系統(tǒng)已經(jīng)在我國許多領域發(fā)揮著重要作用。利用這套系統(tǒng)，最基本的就是接收北斗系統(tǒng)發(fā)出的信號并能夠?qū)崟r輸出顯示。輸出的信息包括定位地點的經(jīng)緯度、天線高程、UTC（協(xié)調(diào)世界時）時間、地面速度、日期、時間、衛(wèi)星個數(shù)等。由于北斗系統(tǒng)發(fā)展時間較短，與GPS和GLONASS系統(tǒng)在精度方面有一些差距。但相信北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在未來會大放異彩。1.3 本課題主要研究內(nèi)容本設計采用STC89C52單片機為核心，研究北斗衛(wèi)星工作原理，讀取北斗衛(wèi)星導航模塊的標準數(shù)據(jù)，在LCD12864屏幕上顯示當前的經(jīng)緯度、日期、時間和速度信息，并且使用語音模塊播報經(jīng)緯度。能夠正確畫出系統(tǒng)原理圖，并且能夠正確調(diào)試電路，最終完成導航系統(tǒng)的實物制作，為今后開發(fā)北斗衛(wèi)星導航儀打下基礎。第2章 北斗定位系統(tǒng)2.1 北斗定位系統(tǒng)概述北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是中國正在努力實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。系統(tǒng)建設目標是：建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。促進衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈形成，具有完善的國家衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2.1.1 北斗定位系統(tǒng)組成北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分構成?？臻g段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地球靜止軌道衛(wèi)星分別位于58.75E、80 E、110.5 E、140 E和160 E。非靜止軌道衛(wèi)星由3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星和27顆中圓軌道衛(wèi)星組成5。地面段包括主控站、注入站和監(jiān)控站等若干個地面站。主控站主要作用是收集每個監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，生成衛(wèi)星導航電文和差分完好性信息，完成任務規(guī)劃與調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)運行與控制等。注入站主要任務是在主控站的統(tǒng)一調(diào)度下，完成衛(wèi)星導航電文、差分完好性信息注入和有效載荷的控制管理。監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號，發(fā)送給主控站，實現(xiàn)對衛(wèi)星的跟蹤、監(jiān)測，為衛(wèi)星軌道確定和時間同步提供觀測資料。用戶段包含北斗系統(tǒng)用戶終端以及與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用衛(wèi)星無線電測定（Radio Determination Satellite Service,RDSS）與衛(wèi)星無線電導航（RNSS）集成體制。既能像GPS一樣，為用戶提供衛(wèi)星無線電定位服務，又具有位置報告及短報文通信功能。2.1.2 北斗定位系統(tǒng)的定位原理目前，國際上三大定位系統(tǒng)GPS、GLONASS、Galileo和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位原理都是相同的，均是采用三球交會的幾何原理來實現(xiàn)定位。用戶接收機在同一時刻接收兩顆及以上衛(wèi)星信息，計算出接收機至兩顆衛(wèi)星的距離，解算出衛(wèi)星的空間坐標，再利用距離交會法解算出用戶接收機的位置。具體流程如下：1.用戶測量出接收機到三顆衛(wèi)星的距離；2.衛(wèi)星的位置精確已知，通過電文播發(fā)給用戶；3.以衛(wèi)星為球心，距離為半徑畫球面；4.三個球面交得兩個點，根據(jù)地理常識排除一個不合理點即得用戶位置。如圖2-1所示。圖2-1 三球交會定位原理圖由于第二代北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)已不再要求用戶發(fā)送上行信號，因為不再依靠中心站電子高程圖處理或由用戶提供高程信息，而是直接接受衛(wèi)星單方面測距信息自行定位，所以需要4顆以上的衛(wèi)星測距才可精確定位。這樣就面臨一個問題，就是需要大量衛(wèi)星實行全覆蓋，所以我國的北斗衛(wèi)星目前為止只能進行亞太地區(qū)的衛(wèi)星導航通信，還沒有全球覆蓋6。如圖2-2所示。圖2-2 北斗定位原理圖2.2 UM220-N模塊2.2.1 UM220-N芯片介紹如圖2-3為和芯星通針對車輛導航、便攜設備、電信/電力授時、氣球探空等應用生產(chǎn)的具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)北斗/GPS雙系統(tǒng)模塊。UM220-N芯片采用的是ARM9內(nèi)核，較高的跟蹤靈敏度，定位精度2.5m，速度精度0.2m/s，授時精度優(yōu)于20ns。該模塊具有功耗低、體積小、可靠性高等特點。圖2-3 UM220-N模塊外觀相較于單一的GPS模塊，UM220-N可以隨意切換接受信息模式?？山邮諉我坏腉PS或北斗定位信息，也可同時接收北斗和GPS雙信號。這樣大大加強了定位信息的準確性7。2.2.2 UM220-N引腳功能描述如圖2-4、表2-1為UM220-N的引腳圖和引腳功能介紹。UM220-N引腳為兩排對稱排列共24個引腳：圖2-4 UM220-N引腳圖表2-1 UM220-N管腳說明序號名稱I/O電平標準描述1nRESETILVTTL外部低電壓重置2AADET_NILVTTL有源天線檢測1:非有源天線0:有源天線3TIMEPULSEOLVTTL時間脈沖4EXTINT0ILVTTL外部中斷引腳5GPIO2ILVTTL天線短路檢測1:天線對地短路0:天線對地正常6TXD2OLVTTL串口2發(fā)送數(shù)據(jù)7RXD2ILVTTL串口2接收數(shù)據(jù)8RSV保留管腳，懸空處理9VCC_RF2O3.0V10%輸出電壓信號（不用則懸空）10GNDI接地11RF_INIGNSS輸入信號(BD2 B1+GPS L1)12GNDI接地13GNDI接地14SPLSDOOLVTTLSPI數(shù)據(jù)輸出引腳（不用則懸空）15SPLSDIILVTTLSPI數(shù)據(jù)輸入引腳（不用則懸空）16SPLSCKOLVTTLSPI時鐘引腳（不用則懸空）17SPLCS1OLVTTLSPI芯片選擇1（不用則懸空）18SDA23I/OLVTTLDDC數(shù)據(jù)（不用則懸空）19SCL24I/OLVTTLDDC時鐘（不用則懸空）20TXD1OLVTTL串口1發(fā)送數(shù)據(jù)，固件升級21RXD1ILVTTL串口1接收數(shù)據(jù)，固件升級22V_BCKPI2.0V3.6VRTC和SRAM備份電壓23VCC-3.0V10%供電電源24GND-接地2.2.3 UM220-N輸出語句格式北斗數(shù)據(jù)遵循NMEA-0183協(xié)議，該數(shù)據(jù)標準是由美國國家海事電子協(xié)會（National Marine Electronics Association,NMEA）于1983年制定的。同一標準形式NMEA-0183輸出使用ASCII碼，其串行通訊的參數(shù)為：波特率4800bps，數(shù)據(jù)位8bit，開始位1bit，停止位1bit，無奇偶校驗位。數(shù)據(jù)傳輸以“語句”形式進行，每句話都以“$”開頭，接著是兩個字母的“識別符”和三個字母的“語句名”，最后就是以逗號分割的數(shù)據(jù)體，最末尾為校驗和。在UM220-N模塊中，“識別符”有三種。其中，GP為GPS系統(tǒng)單獨定位；BD為北斗系統(tǒng)單獨定位；GN為GPS與北斗系統(tǒng)混合定位。NMEA-0183的數(shù)據(jù)信息有十幾種。其中，GGA為輸出GPS定位信息；GLL為輸出大地坐標信息；ZDA為輸出UTC時間信息；GSV為輸出可見的衛(wèi)星信息；GST為輸出定位標準差信息；GSA為輸出衛(wèi)星DOP值信息；ALM為輸出衛(wèi)星星歷信息；RMC為輸出GPS推薦的最短數(shù)據(jù)信息等。鑒于本文配置信息為RMC形式，所以只介紹RMC語句格式。對于一般的GPS定位應用，RMC語句完全可以滿足要求。格式如下8。$GNRMC，表2-2 RMC語句格式說明編號含義取值格式備注定位時間000000.00125959.99hhmmss.ssUTC時間狀態(tài)有效位A/VA：有效V：無效緯度0000.00008959.9999ddmm.mmmmdd：度 mm.mmmm：分南北半球N/SN：北緯 S南緯經(jīng)度00000.000017959.9999dddmm.mmmmddd：度 mm.mmmm：分東西半球E/WE：東經(jīng) W：西經(jīng)地面速度000.00999.99單位：節(jié)速度方向000.00359.99日期010100311299日，月，年磁偏角00.0099.99單位：度磁偏角方向E/W固定為E模式指示及校驗和A/ NA：單點定位N：未定位校驗和：本語句從$到*之間所有字符進行異或得到的16進制數(shù)2.3 本章小結本章主要包括兩部分內(nèi)容。首先，介紹了北斗系統(tǒng)的組成與原理；在充分了解北斗定位原理后，講解了UM220-N模塊的基本信息。包括UM220-N模塊的電氣特性和引腳介紹。最后講解了UM220-N輸出語句格式和各數(shù)據(jù)位的含義。第3章 總體方案設計 北斗接受模塊通過天線接收衛(wèi)星信號，實現(xiàn)對天線視野內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測量。在獲得衛(wèi)星的位置信息和測量出衛(wèi)星信號的傳播時間后，就可計算出天線所在位置，即實現(xiàn)定位。用戶通過輸入輸出接口，獲取定位信息語句，通過單片機進行信息處理。最后通過顯示屏和語音播報模塊進行人機交互。本設計要求通過單片機控制北斗導航器件實現(xiàn)定位信息顯示和播報功能。北斗模塊使用的是以和芯星通UM220-N模塊為核心的BD+GPS接收機。利用STC89C52 單片機串口接收北斗和GPS混合信號（GNRMC）。并通過軟件實現(xiàn)顯示和播報定位數(shù)據(jù)。顯示屏采用LCD12864，語音播放模塊使用YS-M3模塊。如圖3-1所示為整體方案框圖，通過天線接收的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過芯片UM220-N模塊處理，通過串口將定位信息傳到單片機，最后通過單片機信息處理在LCD12864顯示并在語音模塊播放910。圖3-1 北斗導航硬件設計框圖3.1 單片機最小系統(tǒng)本設計中使用的是STC89C52單片機，單片機具有的特點有穩(wěn)定性好、成本經(jīng)濟、使用簡單、可控性好等。單片機電路加上復位和晶振兩個部分就形成了其最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)是構成開發(fā)板的基本單元。以此為基礎，用戶加上北斗模塊、語音播放模塊和顯示模塊。單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖3-2所示。其中包含晶振電路和復位電路。晶振電路采用11.0592MHz的無源晶振，所以并聯(lián)兩個30pF電容作為起振電路11。圖3-2 單片機最小系統(tǒng)電路3.2 北斗定位模塊電路本設計選用的是和芯星通公司的UM220-N雙系統(tǒng)高性能北斗定位模塊。基于該公司的雙系統(tǒng)多頻率高性能SOC芯片，能夠同時支持BD2B1、GPSL1兩個頻點。UM220-N體積小，采用SMT焊盤，適合低成本、低功耗的北斗模塊。UM220-N通過UART接口與開發(fā)板進行通信。本設計中使用的北斗開發(fā)板為江蘇艾琳科技生產(chǎn)的北斗開發(fā)板。該開發(fā)板可將TTL電平通過MAX232轉(zhuǎn)換成232電平，與電腦進行數(shù)據(jù)交互。并引出了兩組串口，兩組串口都可以輸出NMEA擴展語句，串口1還可對芯片內(nèi)部升級7。實物如圖3-3所示。圖3-3 北斗開發(fā)板實物圖本北斗衛(wèi)星模塊串口有磁珠和瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor, TVS），用于對浪涌的消除，使得模塊更加安全穩(wěn)定。如圖3-4為模塊電源集成電路。模塊電源集成電路由LM317集成穩(wěn)壓器構成，可輸出1.2V37V的電壓，保證1.5A輸出電流。LM317有三個引腳，分別為調(diào)整端、輸入端和輸出端，調(diào)整端和輸出端電壓恒為1.25V?？赏ㄟ^設置為不串聯(lián)電阻分壓作用獲得想要輸出的電壓大小。在電源兩端并聯(lián)多個0.1F電容起到濾波作用，減少電源電壓的波動，保護電路。圖3-4 北斗模塊電源電路如圖3-5為北斗模塊芯片電路。由北斗模塊UM220-N和其附加電子器件組成。其中北斗模塊外接4組插針，在芯片與電源間串聯(lián)電感的作用是起差模濾波作用，防止電流突變對芯片造成損壞；并聯(lián)電感的作用是提高芯片運行的穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生噪聲。發(fā)光二極管為指示燈，每有信號傳輸一次則閃爍一次。TXD1與單片機的P3.0（RXD）相連，進行串行通信。圖3-5 北斗模塊芯片電路如圖3-6為北斗模塊串口電路圖，芯片UM220-N的串口信息通過MAX232轉(zhuǎn)化為232電平信號，通過9針的串口與電腦PC端相連?？梢赃M行模塊數(shù)據(jù)定義和系統(tǒng)升級。圖3-6 北斗模塊串口電路北斗模塊關鍵指標如表3-1所示1214。表3-1 北斗模塊關鍵指標電源電壓3.3V5V冷啟動時間32秒熱啟動時間1秒溫啟動時間1秒接口TTL全雙工接口波特率9600bps工作環(huán)境40853.3 液晶顯示單元電路LCD12864可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字、128個字符及64256點陣顯示RAM。如圖3-7和表3-2為管腳說明。圖3-7 LCD12864LCD液晶顯示器數(shù)據(jù)由單片機P0口進行控制，P2口進行指令控制操作。LCD12864主要技術參數(shù)和顯示特性如：電源：VDD3.3V5V（內(nèi)置升壓電路，無需負壓）；顯示內(nèi)容：128列64行；接口：8位并行或串行；多種軟件功能：光標顯示、畫面移動、自定義字符、背景光等15。表3-2 LCD12864管腳說明引腳序號管腳名稱說明1GND電源地2VDD電源輸入（+5V）3V0液晶顯示對比度調(diào)節(jié)4RS數(shù)據(jù)輸入5R/W讀寫選擇（1讀；0寫）6E讀寫使能7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)總線15PSB并/串口選擇（1并；0串）16NC懸空17REST液晶模組復位18Vout懸空19BLA背光源正端20BLK背光源負端3.4 語音模塊電路3.4.1 語音模塊工作原理YS-M3語音播放模塊主要包括一個單片機芯片、一個MP3硬解碼芯片、TF卡槽以及其他電阻電容組成。語音模塊工作原理：首先將MP3歌曲文本從存儲卡取出并讀取存儲器上的信號，其次，解碼芯片對信號處理。然后通過D/A轉(zhuǎn)換器將解出來的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。最后再把轉(zhuǎn)換后的模擬信號放大，通過低通濾波器傳輸?shù)蕉鷻C或音響等播放裝置。因此，語音播放模塊最重要的兩個芯片就是單片機芯片和解碼芯片。單片機芯片運行MP3歌曲的整個控制程序，控制各個部件的工作：從存儲設備讀取數(shù)據(jù)送到解碼器解碼；與主機連接時完成與主機的數(shù)據(jù)交換；接受控制按鍵的操作等。由于本模塊采用的是STC15W204S單片機，自帶有D/A轉(zhuǎn)換功能，所以不需要單獨添加D/A轉(zhuǎn)換芯片。解碼芯片是不可或缺的一個硬件模塊。它可直接完成各種格式MP3音頻的解碼操作，并輸出數(shù)字音頻信號。解碼芯片的好壞決定了還原音頻信號的質(zhì)量16。3.4.2 語音模塊工作模式YS-M3語音播放模塊由5V直流電源供電，具有9個觸發(fā)端口，支持兩種播放模式：單鍵觸發(fā)模式和編碼觸發(fā)模式。低電平觸發(fā)。如圖3-8所示。引腳功能如表3-3所示。單鍵觸發(fā)模式：模塊具備9個直接觸發(fā)端口，即A1-A9。每個端口對應一首MP3歌曲。當給A1-A9某一個端口低電平時，該模塊就會播放該端口對應的歌曲。編碼觸發(fā)模式：該模塊應用編碼觸發(fā)方式可以播放31首MP3。應用該模式時，將A10和GND連接，用A1-A5為編碼端口進行編碼。該狀態(tài)可配合單片機的I/O口來控制發(fā)聲。在本次設計中，采用單片機的P1口的低5位進行歌曲的編碼選擇。圖3-8 YS-M3模塊實物圖表3-3 YS-M3引腳功能引腳序號引腳名稱說明1Vcc5V2GND接地3GND接地4-12A1-A9編碼端口13A10與GND相連進入編碼模式14CN1播放第二首，播放過程不可打斷15BY播放時輸出高電平，不播放這默認低電平3.5 本章小結本章主要講述了硬件總體設計方案，介紹了單片機最小系統(tǒng)的組成，并且講述了北斗模塊內(nèi)部結構和原理。簡述了LCD12864顯示原理和語音模塊工作原理和工作模式。第4章 定位系統(tǒng)軟件設計4.1 開發(fā)環(huán)境及軟件方案設計4.1.1 Vision4Vision集成開發(fā)軟件是Keil公司產(chǎn)品，它集編輯、編譯（或匯編）、仿真調(diào)試等功能于一體，具有當代典型嵌入式處理器開發(fā)的典型界面。本次使用的是Vision4版本。它支持數(shù)百種嵌入式處理器（包括80C51系列、非80C51系列的多種單片機以及ARM處理器等芯片）開發(fā)。Vision4開發(fā)過程大概包括：建立工程；配置工程；編寫程序；編譯程序；仿真調(diào)試。4.1.2 軟件設計流程本設計程序設計分為五大主要模塊：LCD液晶顯示模塊、導航數(shù)據(jù)接收模塊、單片機中斷初始化、語音播放模塊、時序模塊。程序流程圖如圖4-1所示。當運行程序時，首先進行LCD顯示屏和中斷初始化，然后顯示屏上顯示“BPS 北斗定位”的開機畫面，接著判斷是否已經(jīng)定位，如果沒有定位則顯示“Receiving”并循環(huán)判斷；如果已經(jīng)定位則需判斷定位信息是否正確，若不正確則顯示“no data”；若正確則處理定位信息并存儲在對應的存儲區(qū)中，然后在顯示屏上顯示經(jīng)緯度、日期、時間、速度信息。當按下播報按鈕時，則關閉中斷，播報當前經(jīng)緯度信息，最后打開中斷，循環(huán)運行程序。本設計接收信號為GNRMC信號，當模塊接收此信號時，將數(shù)據(jù)接收時間、接收日期、天線所在位置經(jīng)緯度信息、天線速度信息顯示在LCD液晶顯示屏上。當按下播放按鍵時，將播放當前經(jīng)緯度位置信息1617。4.2 定位信息接收與處理北斗導航模塊數(shù)據(jù)通過串口中斷傳輸至緩沖區(qū)，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，單片機通過處理串口數(shù)據(jù)獲得經(jīng)緯度等定位信息18。4.2.1 數(shù)據(jù)接收北斗模塊啟動后開始接收導航數(shù)據(jù)，接收到的各種信息（如：經(jīng)緯度、UTC時間、移動速度等）數(shù)據(jù)包含在各個語句（$GNGGA、$GNRMC等）中，接收到的定位信息傳送至單片機的緩沖區(qū)。在串口助手中，我們可以看到北斗模塊從串口發(fā)給單片機的導航信息如圖4-2。方便我們根據(jù)各個語句的特點進行處理信息程序的編寫。圖4-1 程序流程圖4.2.2 數(shù)據(jù)處理本設計根據(jù)需要，解析顯示的是$GNRMC這一傳輸語句信息。在第五章北斗模塊調(diào)試中，將介紹如何設置UM220-N，使其只輸出$GNRMC語句，這里不多累述。圖4-2 接收數(shù)據(jù)根據(jù)圖4-3所示，為串口中斷過程。在中斷過程中，首先中斷主程序，進入中斷服務子程序；然后判斷是否為“GNRMC”語句；接著處理數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)過程中，我們可以根據(jù)“，”作為分離數(shù)據(jù)標志，將相應數(shù)據(jù)存儲在不同數(shù)組中，方便顯示。我們從$GNRMC語句中提取經(jīng)緯度、日期、時間、速度。最后，跳出中斷程序。圖4-3 中斷處理過過程在對時間進行處理時，由于北斗模塊輸出時間為UTC時間，與北京時間相差8小時。所以在接收時間后，還要將UTC時間轉(zhuǎn)換為北京時間。程序如下：void trans_time(void)unsigned char temp,hour_shi,hour_ge;/定義小時，小時的十位和個位temp=(time0-0)*10+(time1-0); /計算小時if(temp=16) /若小時小于等于16點加8小時temp=temp+8;hour_shi=temp/10;hour_ge=temp%10;time0=hour_shi+0;time1=hour_ge+0;else /若小時大于16點，則加8小時減24小時temp=temp+8-24;time0=0;time1=temp%10+0;4.3 模塊軟件設計4.3.1 語音播報模塊YS-M3語音模塊編碼觸發(fā)方式控制時需要單片機編碼控制。本設計中使用P1口來控制播放歌曲。將經(jīng)緯度信息拆分開分別進行播報，歌曲存放在存儲卡內(nèi)，將“09”、“東經(jīng)”、“北緯”、“年”、“月”、“日”等語音按順序存入內(nèi)存卡如表4-1所示，當出現(xiàn)數(shù)字或標點時，檢索相應音頻文件播報，連續(xù)播報出來就成了經(jīng)緯度。當按下播報按鍵時，先關閉中斷，讀出經(jīng)緯度，后打開中斷19。流程如圖4-3所示。表4-1 音頻存儲表音頻序號音頻名稱001009190100011東經(jīng)012北緯013度014分015秒016點圖4-3 播報流程圖4.3.2 液晶顯示模塊1.初始化函數(shù)lcd_init()lcd_wcmd(0x30);/基本指令操作delay (1);lcd_wcmd(0x0c);/關光標整體顯示delay (1);lcd_wcmd(0x06);/光標右移，畫面不動，AC加1delay (1);lcd_wcmd(0x01);/清除LCD的顯示內(nèi)容delay(1);2.寫指令函數(shù)void lcd_wcmd(unsigned char cmd)while(lcd_bz();rs = 0;rw = 0;en = 0;P0 = cmd; /通過單片機P0口將指令發(fā)送至LCD顯示屏delay(3);en = 1;delay(3);en = 0;3.寫數(shù)據(jù)函數(shù)void lcd_wdat(unsigned char dat)while(lcd_bz();rs = 1;rw = 0;en = 0;P0 = dat; /通過單片機的P0口將數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD顯示屏delay(3);en = 1;delay(3);en = 0;例如：要顯示“GPS 北斗定位”，這程序代碼如下所示：unsigned char code kaijihuamian=GPS 北斗定位;unsigned char i;lcd_wcmd(0x01); /清除LCD顯示內(nèi)容i=0;lcd_pos(1,1); /設置顯示位置while(kaijihuamiani != 0) /顯示字符lcd_wdat(kaijihuamiani);i+;4.3.3 中斷函數(shù)當UM220-N模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至單片機時，單片機要進入中斷程序，需要先運行打開中斷的相關語句，設置定時器方式等參數(shù)，即為中斷初始化20，程序如下：void init_all(void)SCON = 0x50; /REN=1允許串行接受狀態(tài)，串口工作模式1 TMOD|= 0x20; /定時器工作方式2PCON|= 0x80; TH1 = 0xFa; /baud*2 波特率9600 數(shù)據(jù)位8 停止位1 校驗位無 TL1 = 0xF3; TR1 = 1; ES = 1; /開串口中斷EA = 1; / 開總中斷l(xiāng)cd_init() ;4.4 本章小結本章首先介紹了編程軟件，然后詳細講述了軟件設計整體思路，分別闡述了北斗模塊、顯示模塊、語音模塊和中斷初始化的控制流程，包括程序編寫和流程圖講述。第5章 系統(tǒng)調(diào)試與分析5.1 系統(tǒng)調(diào)試 完成系統(tǒng)的硬件設計、硬件制作和軟件編程后，要使系統(tǒng)能夠按照設計目的正常運行，必須進行硬件和軟件調(diào)試。5.1.1 北斗模塊調(diào)試在北斗模塊接收板的調(diào)試中，存在的許多問題都是軟硬件相結合的。所以北斗模塊調(diào)試分為脫機調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試。1.脫機調(diào)試脫機調(diào)試任務是檢查硬件電路板所有器件和引腳。第一步：用數(shù)字萬用表進行逐一對點的檢查，檢查導線間是否有短路與開路的故障及電阻是否正確。第二步：檢查電源。確定電壓值是否準確，檢查開關是否正常。第三步：加電后，檢測芯片與芯片間對應引腳是否導通和截止。2.聯(lián)機調(diào)試通過脫機調(diào)試，我們可以消除一些明顯的硬件問題，保障硬件系統(tǒng)的安全性和可靠性。但如果想要改變模塊的內(nèi)部特性，需要進行通過軟件處理的聯(lián)機調(diào)試。北斗模塊在與單片機共同工作之前，需要在電腦軟件上進行輸出數(shù)據(jù)的設置。這個軟件是和芯星通出產(chǎn)的專業(yè)測試軟件Unicore Software。功能強大完善，可以測試包括GPS、北斗在內(nèi)的多種定位系統(tǒng)模塊的功能，如星數(shù)、接收質(zhì)量及經(jīng)緯度等參數(shù)。測試北斗模塊的過程如下：(1) 首先，用萬用表測試硬件電路信號是否流暢。(2) 連接天線并將天線置于空曠地帶，切與地面成一定角度。盡量不要有建筑物、樹蔭等的遮擋。避免有電壓干擾，磁場輻射的地方。(3) 使用串口線將北斗模塊與電腦相連，查詢串口號。給北斗模塊供電。(4) 打開測試軟件，設定串口號和波特率（9600bps）。注意：北斗模塊電源線不能接反，否則將對模塊造成永久損壞。當北斗模塊正常接收定位信息時，工作指示燈會不停閃爍。初始時，循環(huán)接收所有五種定位信息語句（GNGGA、GNGLL、GNGSA、GNGSV、GNRMC）。所以可獲得所有衛(wèi)星定位信息。調(diào)試界面如圖5-1。 a）星座圖 b) 軌跡圖 c) 北斗跟蹤狀態(tài) d) GPS跟蹤狀態(tài)圖5-1 北斗調(diào)試界面在Unicore Software軟件中，可以調(diào)整北斗模塊接收信息種類。如只接收北斗衛(wèi)星信息或GPS信息，也可兩種信息都接收。還可通過語句配置接收語句類型，且可保存，以至于掉電不取消。這樣可以簡化程序，只接收有效信息。五中語句消息的類別和ID如表5-1，配置界面如圖5-2。如果想要將某種語句屏蔽掉則輸入“$CFGMSG，類別，ID，0”。如果想要輸出某種語句需要輸入“$CFGMSG，類別，ID，1”。表5-1 消息類別和ID消息名類別ID最高輸出頻度GGA005HzGLL015HzGSA025HzGSV035HzRMC045Hz圖5-2 信息配置界面該編輯界面中，按鍵分別為：冷啟動；溫啟動；熱啟動；北斗；GPS；北斗+GPS；定位芯片信息；保存。當配置完成后需要保存，這樣在掉電重啟后才能保存設置。5.1.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試的目的旨在利用開發(fā)工具進行調(diào)試，糾正程序的問題，同時也可能發(fā)現(xiàn)硬件的故障。軟件調(diào)試是以模塊進行的，首先調(diào)試各子程序否能否具有預期的作用，最后調(diào)試整個程序，尤其測試各個模塊間能否正確傳遞參數(shù)。1.檢查LCD12864液晶顯示模塊程序，觀察在液晶屏上是否能夠正確顯示相應字符。2.檢查單片機中斷初始化模塊，利用串口助手進行發(fā)送外部中斷，測試單片機初始化的參數(shù)設置是否正確，單片機能否進入中斷程序接收數(shù)據(jù)。3.檢查UM220-N模塊程序，通過觀察LCD12864液晶顯示屏觀察UM220-N接收數(shù)據(jù)是否正確，接收處理定位信息是否準確。4.檢查語音播放模塊程序，通過音響播放經(jīng)緯度信息，與LCD12864顯示屏顯示的經(jīng)緯度對比確定播放是否正確。5.2 結果分析經(jīng)過硬件和軟件調(diào)試，最后實現(xiàn)了北斗定位接收機的功能，包括經(jīng)緯度、日期、時間和速度的顯示，以及經(jīng)緯度的播報。如圖5-3為北斗定位導航接收機。圖5-4為開機畫面；圖5-5為未接受信號畫面；圖5-6為數(shù)據(jù)無效畫面；圖5-7為定位畫面，分別顯示經(jīng)度、緯度、時間、日期和速度。圖5-3 北斗定位接收機圖5-4 開機畫面圖5-5 未接收信號畫面圖5-6 數(shù)據(jù)無效畫面圖5-7 定位信息畫面在試驗地點獲得相應的經(jīng)緯度，通過“Google Earth”進行驗證定位的精準度，實驗地點為哈爾濱理工大學榮成學院2號實驗樓，地圖顯示經(jīng)緯度如圖5-4分別為：東經(jīng)1223036.11；北緯371010.92。北斗衛(wèi)星接收機顯示的經(jīng)緯度如圖5-7所示，分別為：東經(jīng)12230.60；北緯3710.17，將其換算為“度、分、秒”格式為：東經(jīng)1223036.00；北緯371010.20，與“Google Earth”上給出的經(jīng)緯度差距在1分內(nèi)。由此可見，本設計方案能夠?qū)崿F(xiàn)較準確的北斗定位功能。圖5-4 Google Earth衛(wèi)星電子圖5.3 本章小結本章首先講述了北斗模塊的脫機調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試，通過軟件對北斗模塊進行相應配置；然后介紹了軟件調(diào)試過程，完成程序開發(fā)；最后，進行了設計驗證。結論本設計在對北斗衛(wèi)星定位技術、單片機控制、語音播報和顯示模塊進行深入研究的基礎上，構建了北斗定位系統(tǒng)的整體框架。該系統(tǒng)完成了在北斗和GPS模式下的定位，并將定位信息通過液晶顯示屏顯示出來且播報了準確的經(jīng)緯度信息。本設計采用和芯星通公司的UM220-N北斗模塊為接收板的核心部分，并以STC89C52單片機為處理核心。本設計所完成的主要工作有：1.北斗/GPS接收機先關技術的研究和總結，了解了北斗衛(wèi)星的定位導航的概念和原理，了解了全球定位導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和我國北斗導航說面臨的挑戰(zhàn)。2.在經(jīng)過比較論證后，選擇利用51單片機為導航接收機的核心處理芯片。并完成了接收模塊、控制模塊、顯示模塊、播報模塊的結合。實現(xiàn)了對導航數(shù)據(jù)的接收，單片機與北斗模塊的串行通信以及LCD12864的顯示和語音模塊的播報。實現(xiàn)了導航數(shù)據(jù)的接收和定位顯示播報工作。3.完成了接收機的程序編譯工作。整個程序采用層次化和模塊化的設計思想，層次分明，易于理解。4.闡述了硬件和軟件調(diào)試過程，進行了實際比對，與實際地點基本吻合。達到了北斗接收機系統(tǒng)的基本定位功能。全球定位導航系統(tǒng)在未來必定將會成為大國間競爭核心，在給人們帶來便利的同時也保衛(wèi)著國家的安全。本次畢業(yè)設計中，只實現(xiàn)了北斗定位系統(tǒng)的核心功能，還有許多延展方向值得我們?nèi)ラ_發(fā)和完善，例如加入觸摸屏來進行人機交互；加入語音識別系統(tǒng)來完善接收機的工作方式等等。致謝我要衷心感謝我的指導老師侯甲童老師，本次畢業(yè)設計在侯甲童老師的悉心指導下圓滿完成，從畢業(yè)設計的選題到最后論文的成稿，侯甲童老師都給予了我精心的指導和極大的幫助。老師治學嚴謹、知識淵博。感謝侯甲童老師在畢業(yè)設計期間為我們提供