周孟強(qiáng)，童忠晴，李剛

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

全球定位系統(tǒng)GPS是由美國國防部研制的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，于1993年正式投入使用，為用戶提供連續(xù)、高精度的三維位置、速度和時(shí)間信息及精密導(dǎo)航。我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2004年開始建設(shè)，從2011開始對(duì)我國和周邊地區(qū)提供測(cè)試服務(wù)，2012年底開始對(duì)亞太大部分地區(qū)提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。利用此設(shè)計(jì)有很廣泛的擴(kuò)展性，可用于兒童和老人的行蹤掌控，公路巡檢，貴重貨物跟蹤，追蹤與勤務(wù)派遣，私人偵探工具，個(gè)人財(cái)物跟蹤，寵物跟蹤，野生動(dòng)物追蹤，貨運(yùn)業(yè)，汽車防盜，自行車防盜，電動(dòng)車防盜，摩托車防盜，銀行運(yùn)鈔車，軍警演習(xí)操控，檢調(diào)追蹤，公務(wù)車管理等眾多方面。

1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)以STM32F107開發(fā)板為基礎(chǔ)，結(jié)合AN1502 ATK-NEO-6M GPS模塊，實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)和GPS模塊的通信；通過GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位，STM32對(duì)GPS模塊輸入的信息進(jìn)行讀取和處理，然后在通過OLED顯示得到的定位信息。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該設(shè)計(jì)還有如下附加功能：定位狀態(tài)顯示（衛(wèi)星顆數(shù)、UTC時(shí)間等），SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；可以通過RS232串口傳輸坐標(biāo)和時(shí)間至PC機(jī)，并通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)路徑計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)地圖定位。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、AN1502 ATK-NEO-6M GPS模塊、OLED、PC機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)所選用的STM32是基于ARM? Cortex? M 處理器內(nèi)核的 32位閃存微控制器，為MCU用戶開辟了一個(gè)全新的自由開發(fā)空間，并提供了各種易于上手的軟硬件輔助工具。STM32 MCU有融高性能、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低、電壓低等眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保持集成度高和便于開發(fā)的特點(diǎn)，能方便的完成各種中小型項(xiàng)目。

■2.1 GPS模塊設(shè)計(jì)

ATK-NEO-6M模塊，是一款高性能的GPS模塊，模塊核心采用的是UBLOX生產(chǎn)的NEO-6M模組，具有50個(gè)通道，追蹤靈敏度高，測(cè)量輸出頻率高等特性。

ATK-NEO-6M模塊具有以下特點(diǎn)：①模塊采用UBLOX公司生產(chǎn)的NEO-6M 模組，具有小體積和高性能的特點(diǎn)。②模塊使用方便，只通過串口就可設(shè)置各種參數(shù)并保存在EEPROM里。③模塊有高增益的LNA芯片和陶瓷天線等，有很強(qiáng)的搜索衛(wèi)星的能力。④模塊兼容3.3V和5V的電平，能外接各種單片機(jī)系統(tǒng)。⑤模塊因?yàn)橛蠭PX接口，可以連接各種有源天線，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。⑥模塊自帶備用電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)。ATK-NEO-6M 模塊輸出GPS定位數(shù)據(jù)采用的是NMEA-0183協(xié)議，并通過UBX協(xié)議用串口來控制模塊。ATK-NEO-6MGPS模塊的原理圖如圖3所示。

■2.2 OLED模塊設(shè)計(jì)

圖 3 ATK—NEO—6M GPS 模塊原理圖

OLED的全稱是有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又被稱為有機(jī)電激光顯 示（Organic Electroluminesence Display，OELD）。OLED具備自發(fā)光，不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種平面顯示。OLED是本設(shè)計(jì)最重要的人機(jī)接口之一。

OLED具有尺寸小、高分辨率、擁有多種接口方式、工作電壓小等特點(diǎn)。OLED模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 OLED 模塊原理圖

該模塊采用8×2的2.54排針與外部相連，一共有16個(gè)引腳，在本設(shè)計(jì)中，我們只使用了16條線里的15條線，其中15號(hào)線是懸空的。在已使用的15條線中，1號(hào)線接地、2號(hào)線接3.3V的電源，3～14和16號(hào)線是信號(hào)線。但在不同的模式下我們所使用的信號(hào)線的數(shù)量是不一樣的，在I2C模式下我們僅僅使用了2條，而在8080模式下，我們卻使用了全部的信號(hào)線。但無論在什么模式下，我們所使用的復(fù)位線RST是共同的，RST線上的低電平會(huì)導(dǎo)致OLED復(fù)位，因此在每次初始化之前，都應(yīng)該將復(fù)位線RST置于低電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

北斗/GPS的功能是把經(jīng)緯度、高度、速度、溫度、面積、衛(wèi)星數(shù)、UTC時(shí)間等信息在液晶上顯示。本系統(tǒng)是通過GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位，STM32對(duì)GPS模塊輸入的信息進(jìn)行讀取和處理，然后在通過OLED顯示得到的定位信息。因此，本設(shè)計(jì)處理程序主要由GPS數(shù)據(jù)處理程序、OLED數(shù)據(jù)處理程序等組成。

■3.1 GPS數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

開啟GPS模塊后，接收NMEA-0183格式的信息，提取其中的“GPRMC”語句，若之有效，則提取其中的時(shí)間、日期、經(jīng)緯度；無效則使用RTC提供的時(shí)間和日期。再將時(shí)間轉(zhuǎn)換成東八區(qū)的時(shí)間，判斷位置是否匹配在進(jìn)行顯示。具體數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。

這部分代碼主要分為2個(gè)部分，一部分采用NMEA-0183協(xié)議解析GPS定位數(shù)據(jù)，另一部分是利用UBX協(xié)議對(duì)模塊進(jìn)行配置。

■3.2 OLED數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

OLED模塊的控制器是SSD1306。SSD1306的顯存的大小為128×64bit，SSD1306將這些顯存分一共分成了8個(gè)部分。這樣就組成了128×64大小的點(diǎn)陣。在讀寫操作的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，因?yàn)樵撃K是按字節(jié)來寫入的，所以當(dāng)我們只使用寫方式來使用這個(gè)模塊的時(shí)候，每次都要寫入8個(gè)點(diǎn)，這樣的話就必須要清楚所設(shè)置的點(diǎn)的字節(jié)的每個(gè)位當(dāng)前的狀態(tài)是0還是1，否則后寫入的數(shù)據(jù)會(huì)覆蓋掉之前所表現(xiàn)的狀態(tài)，結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)混亂，該顯示的點(diǎn)沒有顯示出來，不該顯示的點(diǎn)顯示了出來。如果在讀的模式下，我們可以事先讀出來要寫入的那個(gè)字節(jié)的當(dāng)前的狀況，在修改了要改的位的狀態(tài)后再寫入GRAM，這樣就能避免在只寫操作下出現(xiàn)的問題。但是這需要能讀GRAM，該模塊在3線或4線SPI模式下不僅不支持讀，而且該方式的速度也很慢。

為了避免出現(xiàn)這種問題，采用的辦法是在STM32的內(nèi)部建立一個(gè)OLED的GRAM（共128×8個(gè)字節(jié)），那么在每次修改數(shù)據(jù)的時(shí)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的信息寫入到OLED模塊的GRAM。SSD1306初始化框圖如圖6所示。

OLED模塊顯示步驟如下：①設(shè)置STM32與OLED模塊相連接的IO。②初始化OLED模塊。啟動(dòng)OLED模塊要對(duì)控制OLED模塊的相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，為接下來的步驟做鋪墊。③通過函數(shù)處理字符和數(shù)字并在OLED模塊上顯示。

4 部分主要程序摘選

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：信息結(jié)構(gòu)體

圖5 GPS數(shù)據(jù)處理流程圖

圖6 SSD1306初始化框圖

//buf：首地址

該部分是NMEA-0183協(xié)議解析GPS數(shù)據(jù)的部分函數(shù)，通過數(shù)逗號(hào)法來解析。NMEA-0183協(xié)議是以$GPGSV格式作為開頭，固定輸出格式，因此不論是否有數(shù)據(jù)輸出，都會(huì)有逗號(hào)存在，而且有效數(shù)據(jù)都是以“＊”結(jié)尾，所以，我們利用NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，采用數(shù)逗號(hào)的方法，來解析收到的GPS數(shù)據(jù)。本代碼實(shí)現(xiàn)了GPGGA解析、GPGSA解析、GPGSV解析、GPRMC解析和GPVTG解析。

5 結(jié)束語

基于STM32的北斗/GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)基本的定位功能，也能讓我們熟練的掌握GPS模塊和OLED模塊的原理和使用方法，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)STM32單片機(jī)的理解和使用能力。這項(xiàng)設(shè)計(jì)貼近我們的生活，同時(shí)有很強(qiáng)的延展性，而且具有功耗小、實(shí)用性強(qiáng)、可開發(fā)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。