【文章內(nèi)容簡介】 相同功能的產(chǎn)品現(xiàn)在商場里面也有許多，但是針對不同的客戶需求，所以GPS遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)的性能也不盡相同，各自的開發(fā)環(huán)境也各不相同，但是目前他們的具體實現(xiàn)方案一般都可以歸納成以下幾點：（1）高性能的定位系統(tǒng)設(shè)計高性能的定位終端設(shè)計一般都是基于嵌入式系統(tǒng)來開發(fā)設(shè)計的，這樣的嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括：微處理器或處理器、存儲設(shè)備、外設(shè)器件、圖形處理等設(shè)備。軟件組成主要包括：操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序部分。在嵌入式技術(shù)高速發(fā)展的時代，不同的嵌入式設(shè)備運(yùn)用的操作系統(tǒng)種類也不盡相同，并且?guī)缀趺恳环N操作系統(tǒng)都會有自己對應(yīng)的一套編譯環(huán)境，并且開發(fā)環(huán)境也相差較大，這對系統(tǒng)的移植提出了許多挑戰(zhàn)，而且開發(fā)難度較大，相應(yīng)的開發(fā)周期比較長。開發(fā)嵌入式系統(tǒng)成本相對較高,對于以定位導(dǎo)航為主的來說,使用嵌入式系統(tǒng)容易造成資源重大浪費(fèi)。（2）嵌入式PC定位系統(tǒng)設(shè)計嵌入式PC又稱為單板計算機(jī)，嵌入式PC主要是將PC機(jī)上面的必須資源集中到一塊體積相對較小的單板上面而已。這塊單板上面還是集成了微處理器、I/O端口、插槽等器材，因此性能與通用的PC機(jī)沒有什么大差別。嵌入式PC機(jī)以各種工業(yè)控制機(jī)為代表，主要針對工業(yè)應(yīng)用方面的特殊設(shè)計，從而達(dá)到抗干擾與實現(xiàn)小型化的功能。在實際的開發(fā)應(yīng)用中可以將嵌入式PC看作通用PC來進(jìn)行處理。一般來說，嵌入式PC機(jī)的處理能力強(qiáng)于嵌入式系統(tǒng)，而且嵌入式PC機(jī)的外圍接口相當(dāng)豐富，開發(fā)時不需要進(jìn)行外圍電路設(shè)計。在結(jié)構(gòu)上,嵌入式PC機(jī)和通用PC一樣，支持通用的PC操作系統(tǒng),通用PC上的應(yīng)用軟件可直接進(jìn)行下載移植。對于多數(shù)開發(fā)人員來說，單板機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)比較容易掌握，且開發(fā)難度小。相對于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，嵌入式PC開發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。（3）單片機(jī)實現(xiàn)方案嵌入式微控制器通常都是稱為單片機(jī)，單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器、隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用單片機(jī)由于具有成本低、控制系統(tǒng)組成靈活方便、調(diào)試方便和維護(hù)簡單的特點，因此獲得廣泛應(yīng)用。目前多數(shù)定位導(dǎo)航采用基于單片機(jī)的實現(xiàn)方案。定位導(dǎo)航過程中，定位導(dǎo)航終端需存儲大量的歷史定位數(shù)據(jù)信息，一般常用的單片機(jī)(如傳統(tǒng)8051單片機(jī))遠(yuǎn)不能滿足存儲要求，為了能夠正常工作就必須擴(kuò)展flash芯片來增加存儲空間，這樣不僅提高了開發(fā)成本，還降低了系統(tǒng)的抗干擾性。而且一般8051單片機(jī)沒有看門狗電路，程序在運(yùn)行中遇到干擾容易跑飛，更增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。所以本課題準(zhǔn)備采用單片機(jī)作為主控芯片，為了有更大的FlashROM，所以選用了STC12C5A60S作為主要處理器。STC12C5A60S單片機(jī)是一塊基于傳統(tǒng)的51單片機(jī)內(nèi)核來開發(fā)的，降低了開發(fā)設(shè)計的難度，再加上這塊單片機(jī)擁有60KB的FlashROM,所以這也完全可以滿足我們對存儲的需求。對這三種設(shè)計的方案綜合分析，最終選用了采取單片機(jī)控制，這個方案不僅經(jīng)濟(jì)實惠，而且難度適中適合初級工作者設(shè)計。 該系統(tǒng)定位終端硬件模塊的選取 主控制模塊定位系統(tǒng)設(shè)計性能與硬件選取有很大關(guān)系。根據(jù)上面設(shè)計方案的選取，所以主控制芯片選擇了傳統(tǒng)51內(nèi)核的STC12C5A60S2單片機(jī)。選取的單片機(jī)與GPS接收機(jī)共同構(gòu)成了定位終端。整個定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計程序都存放在這款單片機(jī)的存儲器里面。STC12單片機(jī)通過串口與GPS接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取出GPS模塊傳來信息里面的定位數(shù)據(jù)，然后顯示在LCD液晶顯示屏上面。也可以通過單片機(jī)的串口將GPS的信息傳輸?shù)絊IM300模塊里面，并通過SIM300模塊編輯短信，并以短息模式將這個定位信息發(fā)送給相應(yīng)的手機(jī)。 定位模塊定位模塊主要就是對GPS信號接收機(jī)的選取，通常主要從技術(shù)參數(shù)，通信協(xié)議，控制接口和成本幾個方面考慮。日前市場上面大多數(shù)的GPS模塊性能都是差不多，基本都支持16通道，采用C/A編碼。本系統(tǒng)綜合定位精度要求選取了現(xiàn)在主流的U_blox公司的U_blox Neo 6M 定位芯片，這個定位精度相對較高，并且價格合理，數(shù)據(jù)傳輸通過串口操作簡單方便，采購的U_blox Neo 6M如圖31所示。圖31 U_blox Neo 6M實物圖 SIM300通信模塊為滿足數(shù)據(jù)能及時傳輸，選用了相對常用的短信形式來進(jìn)行傳輸，即利用短信形式進(jìn)行傳輸定位信息。為了實現(xiàn)這一功能，就應(yīng)該選擇合適的通信模塊。目前市場上面有許多這樣的芯片，但從操作難度，適用性等方面考慮，本次設(shè)計選擇了SIMCOM公司的SIM300模塊，該模塊集成了短信與GPRS兩個種不同形式的數(shù)據(jù)傳輸方式，正好也符合本課題的研究需求。 LCD液晶顯示屏顯示界面的選擇空間很大，選擇的產(chǎn)品也比較多，主要都是看你對顯示界面的要求，可以選擇LCD，也可以選擇LED。本次課題由于對顯示界面要求不高，又加上作者有對LCD顯示屏有過了解，所以這次選擇了PCD8544LCD顯示屏，通常又稱為NOKIA5110。PCD8544是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動器，設(shè)計為驅(qū)動48行84列的圖形顯示。所有必須的顯示功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，只需很少外部元件且功耗小，使用相對簡單方便。 本章小結(jié)本章主要從系統(tǒng)的功能、組成部分、設(shè)計方案的選取以及設(shè)計的相關(guān)硬件模塊的選材等，全方面介紹了課題的設(shè)計方法與研究方向。使讀者對本課題研究有一個全方面的了解與認(rèn)識。第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 定位系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要涉及的模塊有控制中心模塊，GPS定位模塊，SIM300通信模塊，LCD液晶顯示模塊，串口數(shù)據(jù)傳輸模塊等部分組成。其中總體設(shè)計框架如圖41所示。圖41 總體設(shè)計框架 單片機(jī)控制模塊設(shè)計系統(tǒng)主要控制芯片選擇了STC12C5A60S單片機(jī)，下面簡單介紹這款單片機(jī)的具體性能。STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，但是速度快812倍。內(nèi)部集成了MAX810專用的復(fù)位電路，2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。集成了兩個全雙工異步串行口（UART），這個正好滿足了同時對GPS模塊和SIM300的操作，符合設(shè)計需求。系統(tǒng)設(shè)計過程中，單片機(jī)模塊的電路設(shè)計原理圖如圖42所示。圖42 單片機(jī)模塊原理圖 GPS接收模塊設(shè)計GPS接收芯片選擇的是U_blox公司的Neo 6M，該GPS芯片獨(dú)立的具有高性能的ublox 6定位引擎GPS接收機(jī)。這種靈活的具有成本效益接收器采用了16 。其緊湊的結(jié)構(gòu)和斷電記憶功能選項，使NEO6M模塊非常適用于電池供電的移動設(shè)備具有非常嚴(yán)格的成本和空間的限制。50個通道的U_blox 6M定位引首次定位時間小于1秒。由于這款芯片只需要對其串口進(jìn)行操作，所以電路設(shè)計也只是選擇這個芯片的兩個串口通過MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換成232電平這樣有利于單片機(jī)的讀取數(shù)據(jù)，具體電路設(shè)計原理圖如圖43所示。圖43 GPS接收電路原理圖 SIM300模塊設(shè)計 產(chǎn)品概念SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊[29]，可在全球范圍內(nèi)的EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz三種頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多達(dá)10個，并且支持CSCSCS3和CS4四種GPRS編碼方案。SIM300結(jié)構(gòu)小巧，外形尺寸僅40mm*33mm*，幾乎可滿足所有對產(chǎn)品尺寸有要求的工業(yè)應(yīng)用，比如智能電話，掌上電腦和其他移動設(shè)備。模塊與移動應(yīng)用設(shè)備通過一個60引腳的板板連接器相連，它提供了模塊與外設(shè)的所有硬件接口，除了RF天線接口。SIM300內(nèi)部功能模塊有：l 鍵盤和SPI 類型的LCD接口，方便用戶開發(fā)自己的應(yīng)用設(shè)備。l 具有調(diào)試和數(shù)據(jù)輸出兩個串口，幫助開發(fā)人員更容易開發(fā)產(chǎn)品。l 雙音頻通道，包含兩個麥克風(fēng)輸入和兩個話筒輸出，由AT指令配置其工作模式。SIM300有兩種RF天線接口：一種是天線連接器、一種是天線焊點。天線連接器型號為MURATA MM93292700，或者用戶也可以通過天線焊點自己焊接天線。SIM300具有低功耗設(shè)計。SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了TCP/IP AT指令，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得非常簡單方便。 SIM卡接口及電路設(shè)計SIM卡接口支持GSM Phase 1規(guī)范功能，也支持針對快速64kbpsSIM卡的GSM Phase 2規(guī)范功能（專為SIM卡應(yīng)用工具箱的運(yùn)用設(shè)計）（）內(nèi)部調(diào)節(jié)器取電，所有引腳復(fù)位時輸出為低電平，邏輯電平如下表1所述。一款靜電放電裝置，圖中所示的22Ω電阻應(yīng)串聯(lián)于模塊與SIM卡的IO連線上，以匹配阻抗。上拉電阻（大約10KΩ）必須加在SIM_I/O線上。SIM_PRESENCE引腳用來檢測SIM卡是否被取下。您可以用指令“AT+CSDT”來設(shè)置SIM卡的配置。如果您不使用SIM卡檢測功能，可讓SIM_PRESENCE引腳NC或者接地，6引腳SIM卡參考電路如圖44所示。表1. SIM卡接口信號SIM300引腳信號描述19SIM_VDDSIM卡在SIM模式下的自動功率輸出，177。10%，177。10%。電流約10mA21SIM_I/OSIM卡數(shù)據(jù)I/O23SIM_CLKSIM卡時鐘25SIM_RSTSIM卡復(fù)位16SIM_PRESENCESIM卡存在圖44 引腳SIM卡接口電路 SIM300模塊電路設(shè)計SIM300從VBAT采用單電壓供電，—。某些情況下，當(dāng)電流消耗升至典型峰值2A時，其傳輸脈沖的波動可能導(dǎo)致電壓下降，所以電源供電必須能夠提供足夠到2A的電流。在VBAT輸入引腳使用旁路電容。低阻抗，小尺寸的瓷介電容（MLCC）性能上是首選[[30]，但成本較高。降低成本可以選用100uF的鉭電容（低阻抗）并聯(lián)一個小的瓷介電容（1uF到10uF）。電容放置盡可能靠近SIM300的VBAT引腳。具體電路設(shè)計如圖45所示。圖45 SIM300電路設(shè)計原理圖 電源模塊設(shè)計由于STC12單片機(jī)是需要5V電壓進(jìn)行供電的，所以單片機(jī)供電模塊是一個9V轉(zhuǎn)5V穩(wěn)壓電路。為了滿足具有較高精度的穩(wěn)壓電路要求，所以我們選用了五腳的LM2576S模塊，該模塊具有精度高，壓差較小，省電等優(yōu)勢，而且對整體的干擾也較小。具體設(shè)計電路如圖46所示。圖46 9V轉(zhuǎn)5V，所以為了由電源的9V得到能夠為SIM300模塊合適且穩(wěn)定的供電電壓，選擇MIC29302芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)壓設(shè)計。為得到紋波少且穩(wěn)定的電壓，MIC29302后面加幾組電容進(jìn)行濾波，具體設(shè)計如圖47所示。圖47 GPS模塊電源設(shè)計，選用的U_blox ，具體如圖48所示。圖48 串口設(shè)計模塊目前RS232C是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS232標(biāo)準(zhǔn)(協(xié)議)規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號功能及傳送過程。RS232中規(guī)定的最大傳輸速率為20kbns,在當(dāng)時看來是足夠了,但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,20kbps的通信速度已遠(yuǎn)不能滿足人們的需要,因此新的修訂版本中,RS232的最高通信速率可以達(dá)到2Mbps。通常在單片機(jī)系統(tǒng)中,由于其處理能力的限制,最高波特率一般為112Kbps左右.現(xiàn)在最常用的RS232采用負(fù)邏輯規(guī)定的邏輯電平,即邏輯“1”表示3V~15V,邏輯“0”表示+3v~+15v。大家知道RS232接口不能與單片機(jī)的異步串行通信接口直接相連就是因為單片機(jī)的TTL電平是正邏輯規(guī)定的邏輯電平。由于單片機(jī)、GPS芯片和SIM300芯片的串口都是TTL電平，為了能夠更好的進(jìn)行通信傳輸，本設(shè)計采用了MAX232串口芯片將它們的串口電平統(tǒng)一為232電平，所以設(shè)計的串口電路如圖49所示。圖49 TTL轉(zhuǎn)232接口電路 LCD液晶模塊設(shè)計LCD液晶顯示模塊的特征數(shù)據(jù)列舉出以下幾個方面：● 單芯片LCD控制/驅(qū)動● 48行，84列輸出● 顯示數(shù)據(jù)RAM 48*84位● 芯片集成：——LCD電壓發(fā)生器（也可以使用外部電壓供應(yīng)）——LCD偏置電壓發(fā)生器——振蕩器不需要外接元件（也可以使用外部時鐘）● 外部RES（復(fù)位）輸