湖南工學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院：吳樂 鄒本福 孫長(zhǎng)明 成利香

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。最早投入運(yùn)行并面向全球提供民用導(dǎo)航服務(wù)的是美國(guó)的“GPS”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在穩(wěn)定性、精度、測(cè)速具備很大優(yōu)勢(shì)，在全球范圍內(nèi)得到了普及。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。目前，推廣北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的終端應(yīng)用，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展的需要。

通信終端作為用戶接入衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的唯一接口，目前被廣泛應(yīng)用，并深入到人民的生活當(dāng)中，在公共安全、測(cè)繪儀器、智能交通運(yùn)輸、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、海洋工程、防災(zāi)減災(zāi)等方面得到廣泛應(yīng)用，具備很好的發(fā)展前景，由此對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航通信終端的研究與實(shí)現(xiàn)顯得更加有意義。

文中設(shè)計(jì)了一款基于GPS/北斗的智能通信終端系統(tǒng)，采用STM32F103RC作為主控制器，通過Air530多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊獲取定位信息、實(shí)時(shí)時(shí)間，并顯示在液晶屏上，還能通過GSM模塊將獲取的信息發(fā)送到用戶手機(jī)端。系統(tǒng)具有低功耗、低成本、擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)授時(shí)、定位和無線通信等功能。

1.總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)以STM32F103RC芯片為核心，主要由GPS/北斗定位模塊、無線通信模塊、液晶顯示模塊、電源電路等搭建系統(tǒng)的硬件電路，通過程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)獲取通信終端的實(shí)時(shí)位置（經(jīng)度、緯度）、時(shí)間和日期等信息，并在液晶顯示屏上顯示，還能將獲得的位置信息按一定的時(shí)間規(guī)律發(fā)送給用戶手機(jī)端。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如下圖1所示。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路

2.1.1 STM32F103RC簡(jiǎn)介

智能通信終端系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103RC，該芯片采用高性能的Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)部配有高速存儲(chǔ)器，處理速度極快，片內(nèi)資源極其豐富，還擁有豐富的多功能I/O端口以及連接到兩條APB總線的外設(shè)，配備了許多標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口。STM32F103RC主控電路設(shè)計(jì)包括STM32F103RC芯片、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和電源接口電路。

2.1.2 供電接口電路

電源是用電設(shè)備必不可少的部分，供電電路采用Type-c接口給STM32單片機(jī)芯片供電，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的工作電壓，Type-c接口沒有正反之分，隨意使用，不容易損壞電源電路，簡(jiǎn)單方便又實(shí)用。

2.1.3 復(fù)位電路

由于選用的STM32單片機(jī)是低電平復(fù)位，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位方式，當(dāng)按鍵按下時(shí)，電容快速放電，RESET連接的引腳會(huì)逐漸變?yōu)榈碗娖?，按鍵松開后，電容快速進(jìn)行充電，RESET連接的引腳電壓會(huì)逐漸變?yōu)?.3V，從按鍵按下到松開的過程一般都需要持續(xù)幾百毫秒，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)復(fù)位所需拉低電平的時(shí)間，因此滿足復(fù)位條件，單片機(jī)能正常復(fù)位。

2.1.4 時(shí)鐘電路

圖1：系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖

時(shí)鐘電路是STM32單片機(jī)必不可少的電路之一，它主要為STM32提供時(shí)間信號(hào)，電路主要由晶振與電容組成，stm32需要兩個(gè)外部晶振，其中8MHz的高速晶振，PLL倍頻用，另一個(gè)32.768KHz低速晶振，在系統(tǒng)處于低功耗或者待機(jī)狀態(tài)下使用，也可以用于計(jì)時(shí)。

2.2 定位模塊接口電路設(shè)計(jì)

2.2.1 定位模塊Air530簡(jiǎn)介

Air530模塊是一款高性能、高集成度的多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊。它體積小、功耗低，可用于車載導(dǎo)航、智能穿戴、無人機(jī)等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的應(yīng)用中，而且提供了和其他模塊廠商兼容的軟、硬件接口，大幅減少了用戶的開發(fā)周期。模塊支持GPS/Beidou/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射頻基帶一體化設(shè)計(jì)，提供超高的性能，即使在弱信號(hào)的地方，也能快速、準(zhǔn)確的定位。

2.2.2 Air530模塊與STM32接口電路設(shè)計(jì)

Air530與STM32采用串行接口進(jìn)行通信，接口電路中GPS_RXD引腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，接單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳PA2，接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)與指令。GPS_TXD引腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送，接單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收引腳PA3，給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 液晶顯示屏接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用1.44寸TFT液晶顯示屏，顯示屏只需要3.3V低電壓即可驅(qū)動(dòng)，顯示效果好，同時(shí)功耗也很低，屏幕沒有輻射、不閃爍，該屏幕工作的溫度范圍也很廣，在-20℃到+50℃之間都可以使用。顯示屏一共只有8個(gè)引腳。

TFT液晶顯示屏與單片機(jī)的接口電路中SD1是液晶屏SPI總線數(shù)據(jù)輸入端，接單片機(jī)的PB9引腳，CLK是液晶屏SPI總線時(shí)鐘信號(hào)，接單片機(jī)的PB8引腳，CS為液晶屏的片選信號(hào)，低電平使能，接單片機(jī)的PB7引腳，SD0是液晶屏的復(fù)位引腳，負(fù)則顯示屏出現(xiàn)錯(cuò)誤后的復(fù)位，接單片機(jī)的PB6引腳，D/C引腳控制選擇液晶屏寄存器/數(shù)據(jù)選擇，接單片機(jī)的PB5引腳，BLK為液晶屏的背光負(fù)極，接單片機(jī)的PB4引腳。

2.4 無線通信電路設(shè)計(jì)

2.4.1 SIM800C介紹

SIM800C是一款四頻GSM/GPRS模塊，該模塊的使用范圍廣，支持收發(fā)短信，撥打與接聽電話，系統(tǒng)只需要用到其發(fā)送短信的功能，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)端的通信。模塊的正面有一個(gè)MBUS總線插頭和一個(gè)MicroSIM卡槽，反面是一個(gè)MBUS總線插座，SIM800模塊上有一路信號(hào)指示燈，上電指示燈會(huì)快閃，尋找到網(wǎng)絡(luò)會(huì)進(jìn)入慢閃，連接上GPRS會(huì)快閃。

2.4.2 SIM800C與STM32的接口電路設(shè)計(jì)

SIM800C與STM32之間采用串口通信：V_IN接5V電源，GND接地，TXD引腳負(fù)則模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送，接到單片機(jī)的PB11（RXD）腳，RXD引腳負(fù)責(zé)模塊的數(shù)據(jù)接收，接到單片機(jī)的PB10（TXD）腳，PWK引腳接地，模塊上電時(shí)，會(huì)拉低PWK引腳一秒以上，然后釋放，模塊才能開機(jī)。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括STM32監(jiān)控程序設(shè)計(jì)、液晶屏控制與顯示程序設(shè)計(jì)、定位程序設(shè)計(jì)、GSM無線通信程序設(shè)計(jì)等。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行的主要邏輯，包括了各個(gè)模塊的初始化管理與各模塊之間的工作的管理，詳細(xì)的程序設(shè)計(jì)流程如下：

（1）系統(tǒng)上電后，先初始化系統(tǒng)的時(shí)鐘系統(tǒng)，使系統(tǒng)能在統(tǒng)一的頻率下工作。

（2）中斷分組，STM32F103有非常多的中斷類型，進(jìn)行中斷分組方便對(duì)各個(gè)中斷事件進(jìn)行處理，因?yàn)橄到y(tǒng)要同時(shí)使用串口一、串口二和串口三的中斷，所以要進(jìn)行分組管理，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)免于處理數(shù)據(jù)順序混亂而出現(xiàn)莫名其妙的BUG。

（3）初始化液晶屏幕，使其能在接下來的時(shí)間里顯示數(shù)據(jù)信息。

（4）初始化衛(wèi)星定位模塊，讓GPS模塊使用GPS衛(wèi)星與北斗衛(wèi)星一起定位，從而使定位更加準(zhǔn)確，指定GPS模塊返回?cái)?shù)據(jù)的頻率為1s/次，返回指定的GPRMC格式的數(shù)據(jù)。

（5）初始化GSM無線通信模塊，使其處于工作狀態(tài)，等待系統(tǒng)的下一步指令。

（6）初始化led，在主循環(huán)中隔一段時(shí)間點(diǎn)亮和熄滅led，使用戶知曉系統(tǒng)正在正常工作狀態(tài)。

（7）解析接收到的定位信息，并展示到液晶顯示屏上。

（8）最后判斷循環(huán)次數(shù)是否滿足了指定的要求，如果滿足，就給手機(jī)端發(fā)送位置信息，如果還不滿足條件，就執(zhí)行下一次循環(huán)。

3.2 TFT液晶顯示屏程序設(shè)計(jì)

將對(duì)屏幕的每一步操作都封裝成單獨(dú)的函數(shù)后，再寫一個(gè)顯示字符串的函數(shù)，只需要傳入字符串需要顯示的位置，字符的顏色，背景顏色和字符串這幾個(gè)參數(shù)即可。

（1）函數(shù)會(huì)進(jìn)行字符串是否為空的判斷，情況一：如果字符串為空，說明字符已經(jīng)全部顯示，程序結(jié)束。情況二：傳入的是空字符串，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)格式，直接結(jié)束程序。

（2）字符串不為空時(shí)，會(huì)判斷字符的類型，獲取相應(yīng)的字符像素點(diǎn)信息。

（3）將像素點(diǎn)信息發(fā)送到屏幕后就會(huì)顯示相應(yīng)的字符。

3.3 衛(wèi)星定位模塊程序設(shè)計(jì)

3.3.1 NMEA協(xié)議簡(jiǎn)介

AIR530模塊支持NMEA 0183 V4.1協(xié)議并兼容以前版本。NMEA是（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。它是一套定義接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息，有幾種不同的格式，每種都是獨(dú)立相關(guān)的ASCII格式，逗點(diǎn)隔開數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流長(zhǎng)度從30-100字符不等，通常以每秒間隔選擇輸出，最常用的格式為“GGA”，它包含了定位時(shí)間，緯度，經(jīng)度，高度，定位所用的衛(wèi)星數(shù)，DOP值，差分狀態(tài)和校正時(shí)段等，其他的有速度，跟蹤，日期等。已成為所有的GPS接收機(jī)和最通用的數(shù)據(jù)輸出格式，同時(shí)它也被用于與GPS接收機(jī)接口的大多數(shù)的軟件包里。NMEA-0183協(xié)議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。

常用格式以及表示的意義如下：

（1）GGA：時(shí)間、位置、衛(wèi)星數(shù)量；

（2）GLL：經(jīng)度、緯度、UTC時(shí)間；

（3）GSA：GPS接收機(jī)操作模式，定位使用的衛(wèi)星，DOP值，定位狀態(tài)；

（4）GSV：可見GPS衛(wèi)星信息、仰角、方位角、信噪比；

（5）RMC：時(shí)間、日期、位置、速度VTG：地面速度信息。

3.3.2 Air530定位程序設(shè)計(jì)

Air530模塊與STM32單片機(jī)采用串口通信，設(shè)置波特率為9600波特。先對(duì)定位模塊進(jìn)行初始化操作，完成之后，模塊返回RMC格式的數(shù)據(jù)給單片機(jī)，STM32單片機(jī)通過串口接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)入中斷處理函數(shù)，將收到的數(shù)據(jù)保存到自定義數(shù)組中，數(shù)據(jù)接收完成之后，將接收完成標(biāo)志位置1。

（1）在程序中通過解析數(shù)據(jù)函數(shù)首先會(huì)判斷STM32是否接收到了數(shù)據(jù)，如果沒有接收到，則退出解析數(shù)據(jù)程序等待下一次調(diào)用。

（2）如果有數(shù)據(jù)，則以逗號(hào)為分割標(biāo)志，將接收到的數(shù)據(jù)分為時(shí)間、數(shù)據(jù)狀態(tài)、維度、南北緯標(biāo)志、經(jīng)度、東西經(jīng)標(biāo)志、地面速度、衛(wèi)星方位、當(dāng)前日期等幾個(gè)部分。然后將這些數(shù)據(jù)保存到自定義的結(jié)構(gòu)體中，用于后續(xù)的顯示以及無線通信。

3.4 GSM短信發(fā)送程序設(shè)計(jì)

GSM無線通信模塊通過串口發(fā)送AT指令給SIM800，就可以實(shí)現(xiàn)語音、SMS短信和數(shù)據(jù)信息的傳輸，可以運(yùn)用短信來發(fā)送時(shí)間、位置等信息。

SIM800模塊遵循的短信收發(fā)功能指令如下：

程序中，采用的指令包括使用“AT+CMGF=1 ”指令將短信配置為文本格式；使用“AT+CSCS=”GSM” ”指令將CSCS設(shè)置為GSM模式；使用“AT+CMGS=”指令設(shè)置接收短信的手機(jī)號(hào)碼。將一系列的指令發(fā)布之后，就是對(duì)模塊的運(yùn)行進(jìn)行設(shè)置。主要是需要讓它實(shí)現(xiàn)在接收到單片機(jī)系統(tǒng)傳輸過來的位置信息之后，系統(tǒng)通過串口通信，將經(jīng)緯度、時(shí)間等信息以數(shù)組的形式進(jìn)行發(fā)送。

具體流程為：首先對(duì)GSM無線通信模塊進(jìn)行初始化，完成后等待STM32單片機(jī)給其發(fā)控制指令。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到后，系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送短信的函數(shù)，先將短信模式配置為文本模式，用于發(fā)送英文短信，再設(shè)置字符格式為GSM字符集，然后輸入接收短信的用戶手機(jī)號(hào)碼，最后輸入要發(fā)送的定位位置信息、時(shí)間等內(nèi)容和結(jié)尾標(biāo)志，即可完成短信的發(fā)送。

4.系統(tǒng)調(diào)試

4.1 室外定位測(cè)試

搭建好系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，通過KEIL軟件編寫好程序后，下載到STM32開發(fā)板，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。首先，系統(tǒng)通電后，各個(gè)模塊初始化完成，通過衛(wèi)星定位模塊會(huì)將接收到的位置信息顯示到液晶顯示屏上，測(cè)試結(jié)果如圖2所示：第一二行是測(cè)試當(dāng)日的日期和時(shí)間，第三四行顯示的是開發(fā)板所在位置（顯示的經(jīng)、緯度），第五行顯示的是以上幾行數(shù)據(jù)信息是否有效，如果系統(tǒng)沒能正確的獲取到衛(wèi)星定位的信息，此處會(huì)顯示“數(shù)據(jù)無效”。

圖2：室外定位測(cè)試結(jié)果

圖3：手機(jī)端短信接收結(jié)果

4.2 發(fā)送短信功能測(cè)試

單片機(jī)控制GSM模塊給指定的手機(jī)號(hào)發(fā)送自定義格式的數(shù)據(jù)，發(fā)送位置信息的同時(shí)也把時(shí)間信息一起發(fā)送，是為了讓用戶知曉數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間，保證了數(shù)據(jù)的時(shí)效性，其調(diào)試結(jié)果如圖3所示：第一行是接收到的當(dāng)前日期，第二行是當(dāng)前時(shí)間，第三第四行分別為定位到的系統(tǒng)的經(jīng)緯度。用戶收到數(shù)據(jù)后，通過谷歌地圖查看定位結(jié)果，誤差在十米以內(nèi)，系統(tǒng)的定位比較準(zhǔn)確。