黃睿

摘 要： 首先對(duì)基于單片機(jī)的GPS導(dǎo)航小車進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，說(shuō)明了小車模型的意義，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛功能；其次分別介紹了單片機(jī)控制器、GPS模塊、無(wú)線傳輸模塊和小車模型等硬件部分；再次對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)說(shuō)明；最后對(duì)設(shè)計(jì)做了總結(jié)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： GPS導(dǎo)航； AVR單片機(jī)； 無(wú)線傳輸； 自動(dòng)行駛

中圖分類號(hào)： TP 967.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2016）02-0086-03

0 引 言

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，起源于美國(guó)并廣泛應(yīng)用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)。近年來(lái)隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸多元化[1]，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中也發(fā)揮著重要作用，對(duì)于GPS技術(shù)在汽車方面的應(yīng)用也成為了目前熱門研究方向之一。隨著家用汽車的普及、大氣污染的日益加劇、惡劣環(huán)境下的自動(dòng)駕駛功能就格外重要，而利用GPS導(dǎo)航恰恰可以解決這一難題。本文以自動(dòng)導(dǎo)航小車為研究模型，探討了車輛監(jiān)控、自動(dòng)駕駛的可行性，旨為工業(yè)化應(yīng)用提供借鑒。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從功能上可以分為三個(gè)部分：定位、通訊和監(jiān)控。在對(duì)小車GPS定位以后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，獲取有效數(shù)據(jù)，即坐標(biāo)和運(yùn)行狀態(tài)。GPS信號(hào)發(fā)送至GPS接收機(jī)，然后通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，將處理后的信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)控制端，提取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)與預(yù)設(shè)值的比對(duì)和算法控制，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)導(dǎo)航行駛。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 AVR單片機(jī)控制器

AVR是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的增強(qiáng)RISC內(nèi)在Flash的高性能8位單片機(jī)[2]，它的串口可以同時(shí)與多模塊通信，片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器集成度非常高，可以大大減少外圍元器件的使用，提高系統(tǒng)性能。這里選用AVR系列中性能最強(qiáng)大的ATmega128芯片[3]，該芯片是一種性能高、功耗低的處理器，擁有64個(gè)引腳，可重復(fù)編程的Flash空間為128kb，4kb EEPROM，4kb內(nèi)部SRAM[4]。具有優(yōu)秀的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有易失性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器、8路10位ADC，含有2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2路8位PWM和SPI，JTAG，USART等數(shù)據(jù)接口。

2.2 GPS模塊

GPS模塊采用環(huán)天BR-355，它具特殊輕巧造型及100%防水設(shè)計(jì)，使用SiRF Star III 芯片組加上內(nèi)建的主動(dòng)型陶瓷天線讓定位更為精準(zhǔn)，特別適合配合各種戶外活動(dòng)時(shí)使用，防滑的底部可方便運(yùn)用在各種車輛、船只及航空器。小車通過(guò)GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位功能，GPS模塊中核心單元為GPS接收機(jī)，GPS接收機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)會(huì)持續(xù)接收GPS導(dǎo)航定位信息，并將數(shù)據(jù)計(jì)算后通過(guò)串口上傳到計(jì)算機(jī)中。GPS接收機(jī)包括主機(jī)和外設(shè)兩部分。主機(jī)主要由射頻RF、通信信道、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算三大部分組成。外接設(shè)備主要包括電源、GPS天線、前置放大器和顯示器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2中，GPS模塊通過(guò)天線接收衛(wèi)星定位信號(hào)[5]，提供對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，起到實(shí)時(shí)監(jiān)控小車狀態(tài)的作用，并把數(shù)據(jù)送給單片機(jī)控制器，通過(guò)程序的編譯進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.3 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機(jī)和單片機(jī)控制器以無(wú)線通信的方式傳輸數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊給單片機(jī)發(fā)送控制指令，以及完成數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

本系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)和nRF24L01無(wú)線芯片，nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片機(jī)無(wú)線收發(fā)器芯片，其具有數(shù)據(jù)傳送量大、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、耗能低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)單片機(jī)的10個(gè)I/O接口直接與nRF24L01相連。AVR單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的采集和處理，向nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)并且接收上位機(jī)通過(guò)nRF24L01傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。無(wú)線芯片電源使用3.3 V供電，決定nRF24L01模塊工作模式的引腳分別與單片機(jī)的相應(yīng)I/O控制口相連，保證正常工作狀態(tài)下，nRF24L01的工作模式可以由單片機(jī)內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行的程序來(lái)決定。

2.4 導(dǎo)航小車

本研究采用小車為自主組裝模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求將車載模塊安裝在前驅(qū)小車模型內(nèi)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)集成芯片L298N的控制。L298N是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每個(gè)H橋可以提供2A的電流，由IN1～I(xiàn)N4引腳接收單片機(jī)的高低電平控制信號(hào)，ENA和ENB為使能端。用兩個(gè)小電機(jī)分別連接小車的左前輪和右前輪，單片機(jī)指令控制電機(jī)的正傳與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整。兩個(gè)電機(jī)采用的是普通直流電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、過(guò)載能力強(qiáng)、可調(diào)范圍寬，能夠滿足頻繁切換電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)需求。

3 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)GPS模塊來(lái)采集小車運(yùn)行信息，根據(jù)參數(shù)對(duì)比，判斷小車運(yùn)行狀態(tài)是否正常：如果符合預(yù)設(shè)值，保存數(shù)據(jù)并繼續(xù)監(jiān)控；反之，檢查無(wú)線通信模塊是否正常，如果有問(wèn)題，返回初始狀態(tài)，如果通訊無(wú)問(wèn)題，報(bào)告給控制端進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)初始化主要包括控制器串行通信端口重點(diǎn)初始化、顯示器初始化、GPS模塊和無(wú)線模塊初始化等。GPS數(shù)據(jù)先后經(jīng)過(guò)接收、解析和顯示三個(gè)處理階段。系統(tǒng)采用的調(diào)試軟件為ATMEL AVR Studio，該軟件具有語(yǔ)言編譯、程序下載、軟件仿真和硬件仿真等功能，是與AVR單片機(jī)配套的集成環(huán)境匯編與開(kāi)發(fā)調(diào)試軟件。

系統(tǒng)的軟件部分在自動(dòng)控制原理中可視為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)小車實(shí)時(shí)的信息控制小車的運(yùn)行狀態(tài)，每次調(diào)整后會(huì)運(yùn)行一個(gè)周期，然后進(jìn)行第二輪的數(shù)據(jù)采集，判定以及小車的控制，直至達(dá)到系統(tǒng)平衡狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以GPS自動(dòng)導(dǎo)航小車為模型，探索了車輛監(jiān)控、自動(dòng)駕駛的可行性。設(shè)計(jì)結(jié)果基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，但是在系統(tǒng)的精確性和快速性還有待改善。在以后的實(shí)驗(yàn)中，將會(huì)以多點(diǎn)監(jiān)控為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)群體控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白雪，徐雷鈞，劉國(guó)海，等. 基于單片機(jī)的GPS定位信息采集系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（8）：228-229.

[2] 宋建國(guó). AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[3] 劉海成. AVR單片機(jī)原理及測(cè)控工程應(yīng)用[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2008：4-5，72—75.

[4] 王勇. 基于AVR單片機(jī)的一體化GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2008（29）：65-67.

[5] CHADIL N，RUSSAMEESAWANG A.KEERATIWINTAKORN PHONGSAK.Real-time tracking management system using GPS，GPRS and Google Earth[R]. 5th International Conference on Electrical Engineering/Electronics，Telecommunications and Information Technology，Thailand，2008：393-395.

（責(zé)任編輯：徐興華）