基于STM32的北斗/GPS定位系统的设计

2018-07-27周孟强童忠晴李刚

电子制作 2018年13期

周孟强，童忠晴，李刚

（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

全球定位系统GPS是由美国国防部研制的全球导航卫星系统，于1993年正式投入使用，为用户提供连续、高精度的三维位置、速度和时间信息及精密导航。我国的北斗卫星导航系统于2004年开始建设，从2011开始对我国和周边地区提供测试服务，2012年底开始对亚太大部分地区提供卫星导航服务。利用此设计有很广泛的扩展性，可用于儿童和老人的行踪掌控，公路巡检，贵重货物跟踪，追踪与勤务派遣，私人侦探工具，个人财物跟踪，宠物跟踪，野生动物追踪，货运业，汽车防盗，自行车防盗，电动车防盗，摩托车防盗，银行运钞车，军警演习操控，检调追踪，公务车管理等众多方面。

1 系统工作原理

本设计以STM32F107开发板为基础，结合AN1502 ATK-NEO-6M GPS模块，实现STM32单片机和GPS模块的通信；通过GPS模块实现定位，STM32对GPS模块输入的信息进行读取和处理，然后在通过OLED显示得到的定位信息。该系统的总体结构框图如图1所示。

该设计还有如下附加功能：定位状态显示（卫星颗数、UTC时间等），SD卡数据存储功能；可以通过RS232串口传输坐标和时间至PC机，并通过上位机软件实现路径计算和网络地图定位。

2 硬件系统设计

整个系统由STM32单片机、AN1502 ATK-NEO-6M GPS模块、OLED、PC机等构成。系统总体结构图如图2所示。

图2 总体系统结构

本设计所选用的STM32是基于ARM® Cortex® M 处理器内核的 32位闪存微控制器，为MCU用户开辟了一个全新的自由开发空间，并提供了各种易于上手的软硬件辅助工具。STM32 MCU有融高性能、实时性强、功耗低、电压低等众多优点，同时保持集成度高和便于开发的特点，能方便的完成各种中小型项目。

■2.1 GPS模块设计

ATK-NEO-6M模块，是一款高性能的GPS模块，模块核心采用的是UBLOX生产的NEO-6M模组，具有50个通道，追踪灵敏度高，测量输出频率高等特性。

ATK-NEO-6M模块具有以下特点：①模块采用UBLOX公司生产的NEO-6M 模组，具有小体积和高性能的特点。②模块使用方便，只通过串口就可设置各种参数并保存在EEPROM里。③模块有高增益的LNA芯片和陶瓷天线等，有很强的搜索卫星的能力。④模块兼容3.3V和5V的电平，能外接各种单片机系统。⑤模块因为有IPX接口，可以连接各种有源天线，有很强的适应能力。⑥模块自带备用电池，可以掉电保持星历数据。ATK-NEO-6M 模块输出GPS定位数据采用的是NMEA-0183协议，并通过UBX协议用串口来控制模块。ATK-NEO-6MGPS模块的原理图如图3所示。

■2.2 OLED模块设计

图 3 ATK—NEO—6M GPS 模块原理图

OLED的全称是有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又被称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display，OELD）。OLED具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优点，被广泛应用于各种平面显示。OLED是本设计最重要的人机接口之一。

OLED具有尺寸小、高分辨率、拥有多种接口方式、工作电压小等特点。OLED模块的原理图如图4所示。

图4 OLED 模块原理图

该模块采用8×2的2.54排针与外部相连，一共有16个引脚，在本设计中，我们只使用了16条线里的15条线，其中15号线是悬空的。在已使用的15条线中，1号线接地、2号线接3.3V的电源，3～14和16号线是信号线。但在不同的模式下我们所使用的信号线的数量是不一样的，在I2C模式下我们仅仅使用了2条，而在8080模式下，我们却使用了全部的信号线。但无论在什么模式下，我们所使用的复位线RST是共同的，RST线上的低电平会导致OLED复位，因此在每次初始化之前，都应该将复位线RST置于低电平。

3 系统软件设计

北斗/GPS的功能是把经纬度、高度、速度、温度、面积、卫星数、UTC时间等信息在液晶上显示。本系统是通过GPS模块实现定位，STM32对GPS模块输入的信息进行读取和处理，然后在通过OLED显示得到的定位信息。因此，本设计处理程序主要由GPS数据处理程序、OLED数据处理程序等组成。

■3.1 GPS数据处理设计

开启GPS模块后，接收NMEA-0183格式的信息，提取其中的“GPRMC”语句，若之有效，则提取其中的时间、日期、经纬度；无效则使用RTC提供的时间和日期。再将时间转换成东八区的时间，判断位置是否匹配在进行显示。具体数据流程图如图5所示。

这部分代码主要分为2个部分，一部分采用NMEA-0183协议解析GPS定位数据，另一部分是利用UBX协议对模块进行配置。

■3.2 OLED数据处理设计

OLED模块的控制器是SSD1306。SSD1306的显存的大小为128×64bit，SSD1306将这些显存分一共分成了8个部分。这样就组成了128×64大小的点阵。在读写操作的时候会出现一个问题，因为该模块是按字节来写入的，所以当我们只使用写方式来使用这个模块的时候，每次都要写入8个点，这样的话就必须要清楚所设置的点的字节的每个位当前的状态是0还是1，否则后写入的数据会覆盖掉之前所表现的状态，结果就会出现混乱，该显示的点没有显示出来，不该显示的点显示了出来。如果在读的模式下，我们可以事先读出来要写入的那个字节的当前的状况，在修改了要改的位的状态后再写入GRAM，这样就能避免在只写操作下出现的问题。但是这需要能读GRAM，该模块在3线或4线SPI模式下不仅不支持读，而且该方式的速度也很慢。

为了避免出现这种问题，采用的办法是在STM32的内部建立一个OLED的GRAM（共128×8个字节），那么在每次修改数据的时候，只用修改STM32上的GRAM，修改完成之后可以一次性把STM32上建立的GRAM的信息写入到OLED模块的GRAM。SSD1306初始化框图如图6所示。

OLED模块显示步骤如下：①设置STM32与OLED模块相连接的IO。②初始化OLED模块。启动OLED模块要对控制OLED模块的相关寄存器进行初始化，为接下来的步骤做铺垫。③通过函数处理字符和数字并在OLED模块上显示。

4 部分主要程序摘选

void GPS_Analyse(nmea_msg ＊gpsz,u8 ＊buf)

{ NMEA_GPGSV_Analyse(gpsz,buf); //GPGSV 解析

NMEA_GPGGA_Analyse(gpsz,buf); //GPGGA 解析

NMEA_GPGSA_Analyse(gpsz,buf); //GPGSA 解析

NMEA_GPRMC_Analyse(gpsz,buf);//GPRMC解析

NMEA_GPVTG_Analyse(gpsz,buf); //GPVTG 解析 }

//gpsz:nmea：信息结构体

图5 GPS数据处理流程图

图6 SSD1306初始化框图

//buf：首地址

该部分是NMEA-0183协议解析GPS数据的部分函数，通过数逗号法来解析。NMEA-0183协议是以$GPGSV格式作为开头，固定输出格式，因此不论是否有数据输出，都会有逗号存在，而且有效数据都是以“＊”结尾，所以，我们利用NMEA-0183协议的数据格式，采用数逗号的方法，来解析收到的GPS数据。本代码实现了GPGGA解析、GPGSA解析、GPGSV解析、GPRMC解析和GPVTG解析。