【文章內(nèi)容簡介】 取一塊性能上能夠達(dá)到本設(shè)計的要求，并且價格低廉的芯片十分重要。成百上千種的主控芯片，主要可以分為以下幾類 [7]：1．嵌入式微處理器。簡稱EMPU。通用計算機(jī)中的CPU即為我們所謂的EMPU。在實(shí)際使用中，將EMPU安裝在專用的電子線路板上。而只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能的做法，使系統(tǒng)的體積大幅減小，系統(tǒng)的功耗有效的降低。EMPU雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)的MPU基本是一樣的，但是為了滿足特殊的應(yīng)用要求，EMPU較工業(yè)控制的計算機(jī)，具有重量輕、體積小、價格低、健壯性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。而EMPU功能的最強(qiáng)大之處在于其可以運(yùn)行操作系統(tǒng)。近年來，一些先進(jìn)國家又開發(fā)出了一種類似“火柴盒”式的嵌入式計算機(jī)，其大小只有ic卡一般。EMPU目前主要的產(chǎn)品有Am186/88，68000，386EX，SC400，ARM，Power PC，MIPS，系列等。2．嵌入式微控制器。簡稱MCU。我們總所周知的單片機(jī)就是嵌入式微控制器。顧名思義，單片機(jī)就是將整個計算機(jī)系統(tǒng)資源功能整合到一塊芯片上。MCU以某微處理器為整個控制器的Core，芯片內(nèi)置RAM，ROM/EPROM，BUS、BUS LOGIC，WATCHDOG，TIMER/COUNTER，I/O，RS23PWM，模數(shù)，數(shù)模，E2PROM，IIC，SPI等各種外設(shè)資源。為滿足各種類型的場合，通常每個系列的MCU具有幾種不同配置的型號，每種配置型號的處理器Core都是一樣的，不同點(diǎn)在于內(nèi)部ROM/RAM大小和外設(shè)資源的配置及尺寸形式。這樣的做法，使MCU和應(yīng)用要求盡可能的相匹配，既降低了功耗，又提高了性價比。但MCU的資源往往較有限，在這種處理器上無法運(yùn)行操作系統(tǒng)。3．嵌入式DSP處理器（EDSP）。為了使DSP處理器指令執(zhí)行更快，更適合運(yùn)行DSP計算，工程師們在設(shè)計時對芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的指令都進(jìn)行了特殊優(yōu)化。DSP正在被大量的應(yīng)用于嵌入式數(shù)字濾波，頻譜分析，傅里葉變換領(lǐng)域。其主要是2種來源模式：一、經(jīng)過EMC改造、單片化、增加片商外設(shè)稱為Embedded DSP，市面上典型的產(chǎn)品有德州儀器公司研發(fā)生產(chǎn)的TMS320C2000/C5000；二、在通用SOC或單片機(jī)中增加DSP協(xié)處理器的方式，市面上典型的產(chǎn)品有西門子公司的TriCore和因特爾公司的MCS296。另一個推動其發(fā)展的重要原因?yàn)镮ntelligent Embedded System。例如各種具有復(fù)雜邏輯的智能消費(fèi)類電子產(chǎn)品，實(shí)時語音解壓縮系統(tǒng)、生物信息智能識別系統(tǒng)，ADSL接入，帶有加解密算法的鍵盤，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。而EDSP的性能優(yōu)點(diǎn)剛好在于處理指針線性尋址多、向量運(yùn)算大的算法。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品有Motorola的DSP56000系列和TexasInstruments的TMS320系列。 系統(tǒng)CPU選型方案比較方案一：采用LM3S公司出品的32位M3內(nèi)核的MCU，外圍電路簡單，官方也提供底層函數(shù)庫。但是考慮LM3S的芯片雖然官方報價很便宜但是國內(nèi)的貨源稀少，很難訂到貨，而且由于前幾年周立功代理在國內(nèi)對LM3S芯片推廣力度不夠，致使國內(nèi)很多開發(fā)人員對LM3S并不熟悉，而且網(wǎng)絡(luò)上可共享、借鑒的資料稀少。 方案二：采用avr mega32單片機(jī)作為系統(tǒng)CPU，雖然這種方法在成本和貨源上不成問題，但是mega32自帶只有2k的ram，很難適應(yīng)以后的系統(tǒng)軟件升級問題。方案三：采用ST公司研發(fā)、生產(chǎn)的STM32F的32位MCU，現(xiàn)在最常見且應(yīng)有較廣的為STM32F1XX系列，自帶ram也較大，能滿足系統(tǒng)的要求，且日后升級也有足夠的ram空間，而且國內(nèi)貨源充足，價格便宜，性價比極高，故選用STM32F103x作為系統(tǒng)CPU的方案。 GPS全球衛(wèi)星定位模塊GS15CGPS系統(tǒng)由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、終端接收機(jī)三部分組成[8]。由21顆位于距地表20200km上空的衛(wèi)星構(gòu)成了GPS的空間部分。它們均勻的分布在6個軌道面上，軌道傾角為55176。此外，在軌道上還有三顆有源備份衛(wèi)星在待命運(yùn)行?？臻g衛(wèi)星系統(tǒng)的使得地面上人們可以在地球上任何時間、任何位置都可連接到四顆以上的衛(wèi)星。地面控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回的信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的星歷、大氣校正、相對距離等數(shù)據(jù)。它主要由三部分組成，分別為主控制站、地面天線、監(jiān)測站。美國科羅拉多州的春田站是地面控制系統(tǒng)的主控制站。通常用戶所使用的GPS設(shè)備為GPS信號接收終端，其主要的工作原理為：按照衛(wèi)星截止角選擇待測衛(wèi)星，并將其捕獲，穩(wěn)定連接后跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)終端連接到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可以測量出接收天線到衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，GPS設(shè)備中的CPU就可按定位解算方法進(jìn)行定位運(yùn)算，計算出用戶所在地理位置的時間、緯度、經(jīng)度、速度、高度等信息。終端機(jī)的硬件和軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備[9]。目前市面上的各類的GPS終端外觀越來越小巧，功能卻越來越強(qiáng)大，因此正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計中采用的GPS模塊為SIRF3接收終端模塊：SIRF star3[10]。該芯片采用差分算法，最多可以同時追蹤20個衛(wèi)星信道，定位精度在10米以內(nèi)。在其內(nèi)部有一塊可充電電池，可以保證之前的定位數(shù)據(jù)，從而達(dá)到快速定位的目的。串口數(shù)據(jù)格式為串口數(shù)據(jù)輸出，通訊速率可以自設(shè)，默認(rèn)情況下為9600波特率，每秒輸出1次GPS全數(shù)據(jù)。SIRF3模塊1個完整的定位數(shù)據(jù)包格式如下：$GPGGA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12*hhCRLF其中：1世界時間，；2定位緯度，；3南北半球，N代表NORTH或S代表SOUTH；4定位經(jīng)度，；5東西半球，E代表EAST或W代表WEST；6GPS定位數(shù)據(jù)指示，0代表定位不成功，1代表沒有差分算法的定位信息，2代表帶差分算法定位的信息；7連接衛(wèi)星數(shù)量；8水平精度因子；9天線高程；10大地橢球面高程；11差分GPS信息；12差分站ID號；*hh為整個數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和；CRLF為結(jié)束標(biāo)志[11]。 GSM全球移動通訊模塊TC35GSM是Global System for Mobile Communications的英文縮寫，是當(dāng)前世界上應(yīng)用最廣的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。GSM全球數(shù)字移動通訊系統(tǒng)是目前國內(nèi)覆蓋范圍最廣、話音清晰度最高、系統(tǒng)可靠性最高的公眾性電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它具有強(qiáng)大的保密功能，如用戶身份鑒別的功能，可以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)避免無授權(quán)用戶的使用[12]。全國各地均已覆蓋GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)，短信息功能的應(yīng)用已十分普遍。短信息功能業(yè)務(wù)不需要進(jìn)行撥號連接，只需把預(yù)發(fā)送消息內(nèi)容連同目的號碼發(fā)送到短信服務(wù)中心，再由短信服務(wù)中心將消息轉(zhuǎn)發(fā)到最終號碼。這種通信方式具有通信資費(fèi)低廉、操作簡單、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[13]。GSM模塊通過AT命令字與外界進(jìn)行通訊控制。短信息業(yè)務(wù)常有兩種消息模式：PDU和TEXT。較TEXT模式而言，PDU不但支持英文的收發(fā)，還能進(jìn)行中文的收發(fā)；而TEXT模式只能收發(fā)英文，但是TEXT模式在進(jìn)行短信業(yè)務(wù)時代碼容易，實(shí)現(xiàn)起來十分簡單。AT命令GMGF則為這兩種模式的選擇控制字，AT+CMGF=1時為TEXT模式，當(dāng)AT+CMGF=0時為PDU模式[14]。本次課題所選用的GSM模塊為siemens（德國）公司研發(fā)生產(chǎn)的TC35模塊。它可以安全、可靠、快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)本設(shè)計中的數(shù)據(jù)、語音、短消息服務(wù)。，其工作頻率為900MHz和1800MHz雙頻。TC35主要由基帶處理器、電源管理、射頻電路、60PIN connect座、flash、sam接口6部分組成[15]。 “老年人監(jiān)控定位儀”系統(tǒng)供電方案本設(shè)計定位為移動便攜式設(shè)備，所以應(yīng)該采用鋰電池電板供電。系統(tǒng)中MCU模塊，；GPS模塊，—。待機(jī)時間越長越好。綜上考慮，本設(shè)計采用手機(jī)鋰電池（1320mah）供電。、GPS模塊供電；系統(tǒng)采用寬電壓穩(wěn)壓芯片。 “老年人監(jiān)控定位儀”系統(tǒng)方案拓?fù)鋱D“老年人監(jiān)控定位儀”系統(tǒng)方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)請見如下圖。圖 “老年人監(jiān)控定位儀”系統(tǒng)拓?fù)鋱D 本章小結(jié)第三章主要介紹了“老年人監(jiān)控定位儀”的整體的設(shè)計方案，包括系統(tǒng)嵌入式CPU的比較與選型，GPS全球定位系統(tǒng)的組成分布和本設(shè)計選用的GPS模塊，GSM全球移動通訊系統(tǒng)工作方式及本設(shè)計選用的GSM模塊。“老年人監(jiān)控定位儀”的整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。14浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第5章軟件功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)第4章 “老年人監(jiān)控定位儀”系統(tǒng)核心板設(shè)計本系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)主要在系統(tǒng)核心板上完成。核心板主要包括了系統(tǒng)CPU，語音電路，電源電路以及各模塊電路，是本系統(tǒng)的核心。本章主要是從硬件設(shè)計的角度去介紹，說明系統(tǒng)核心板。 核心板方案設(shè)計 核心板功能設(shè)計核心板主要實(shí)現(xiàn)以下5點(diǎn)功能：可以實(shí)時的自動定位當(dāng)前位置。儀器內(nèi)置GPS接收器，體積小、重量輕、功耗低、方便攜帶。定位的信息主要有：當(dāng)前時間；經(jīng)度；維度；移動方向；移動速度。通過以上信息可以很好的反應(yīng)出當(dāng)前監(jiān)管“老人”的位置狀態(tài)。可以通過GSM連接移動網(wǎng)絡(luò)。家人可以通過GSM移動無線網(wǎng)絡(luò)以電話的方式聯(lián)系到“老人”，也可以通過GSM短信網(wǎng)絡(luò)得知“老人”現(xiàn)在的地址位置信息及健康狀況。內(nèi)置語音功能。語音功能可以播報一些設(shè)定的好的求救語音信息。當(dāng)老人走丟時，監(jiān)管人員可以通過GSM短信的方式啟動語音求助功能，使系統(tǒng)向路人播報求救信息，使走丟、走散老人及時得到好心路人的幫助。具有防摔倒檢測功能。當(dāng)老人意外摔倒或因突發(fā)疾病倒地的情況時，系統(tǒng)能及時的自動檢測，并通過：GSM短信向急救中心求救；通過語音播報向周圍求救。能檢測老人分時段的運(yùn)動情況?？梢员O(jiān)測出當(dāng)前老人的運(yùn)動狀況，來判斷老人當(dāng)前的健康狀況。 核心板硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)核心板硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。圖 核心板硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖GS15C GPS：系統(tǒng)GPS定位模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全球定位功能。TC35 GSM：系統(tǒng)GSM移動電話模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的移動電話網(wǎng)絡(luò)功能。STM32F103 CPU：系統(tǒng)主控CPU，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，協(xié)調(diào)工作。ISD1820：語音芯片，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的語音播報功能。Sensors：傳感器模塊，主要負(fù)責(zé)老年人活動的信號采集，包括摔倒，走動等信息。RTC Module：系統(tǒng)時鐘，對系統(tǒng)進(jìn)行24小時不間斷的計時。 硬件詳細(xì)設(shè)計 所用芯片、模塊分析CortexM3是英國ARM公司推出的新一代的嵌入式ARM處理器架構(gòu)。CortexM3為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、降低的系統(tǒng)功耗、縮減的引腳數(shù)，同時還提供先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)和優(yōu)良的計算性能和。ARM的CortexM3是RISC結(jié)構(gòu)的32位處理器，提供了額外的代碼效率，在通常8位、16位系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮了ARM內(nèi)核的高性能。STM32F103xx的內(nèi)部架構(gòu)為CortexM3的ARM核心，因此它與所有的ARM工具和軟件兼容[16]。2007年年中，基于CortexM3的STM32F上市銷售，因?yàn)槠浼夹g(shù)的領(lǐng)先性，成本的低廉化及市場定位的優(yōu)勢，很快占領(lǐng)了市場，全世界大規(guī)模的應(yīng)用，行業(yè)龍頭企業(yè)也紛紛將其應(yīng)用到自己的產(chǎn)品中，訂單源源不斷。STM32F處理器的主要功能優(yōu)勢有以下10點(diǎn)：（1）處理器芯片：ARM32位的CortexM3 CPU，工作頻率可倍頻到72MHz，高達(dá)90DmiPs。（2）存儲器芯片：128KB的ROM；20KB的SRAM。（3）供電要求：~~。（4）3種節(jié)電模式：Sleep Mode、Standby Mode和Stop Mode，VBAT電源為RTC時鐘及后備寄存器供電。（5）12bits精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，速度為1微秒/次。（6）調(diào)試模式：JTAG和SWD。（7）DMA控制器：7通道，支持5種外設(shè)數(shù)據(jù)，分別為：TIMER、ADC、IIC、UART和SPI。（8）I/O口，均可配置為50MHz。（9）7個定時器：3個16位具有同步功能的定時器。有4個用于輸出比較/PWM輸出/輸入捕獲/脈沖計數(shù)的通道；6通道PWM獨(dú)立輸出；2個看門狗定時器。（10）9個通信接口：3個USART接口；2個IIC接口；2個SPI接口；；1個CAN接口 [17]。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖 STM32內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 TC35模塊SIM300 是一款三頻段的GSM/GPRS模塊，能在EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz 三種頻率下正常工作，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。 該模塊體積小巧，外形尺寸僅為32mm*43mm*3mm，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。SIM300與應(yīng)用設(shè)備通過ZIF連接器進(jìn)行連接，它提供了除天線接口外的其他所有硬件接口。 模塊內(nèi)置功能有： （1）雙音頻通道，包括兩路MIC輸入和兩路SPEAKER輸出，可以方便地由 AT 指令配置其工作模式。 （2）具有數(shù)據(jù)輸出和調(diào)試的兩路獨(dú)立串口。（3）SPI傳輸方式的液晶屏接口和鍵盤接口。 SIM300模塊的RF天線接口形式有兩種： 一、天線連接器；二、天線焊點(diǎn)。用戶如果使用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，因?yàn)槠鋬?nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，所以使此類開發(fā)變得格外簡單、快捷。，[18]：圖 SIM300的主要特性圖1圖 SIM300的主要特性圖23．GstartGS15CGS15C為二合一GPS模塊，即GPS天線與GPS芯片合二為一。GS15c是一款低功耗、高效率的智能型衛(wèi)星接收模塊，它采用的是聯(lián)發(fā)科技公司所設(shè)計的32通道衛(wèi)星定位接收芯片，具備全方位的定位功能，是一個功能完善的全球衛(wèi)星定位接收器，完全能夠滿足各種消費(fèi)電子產(chǎn)品的定位需求。GS15C GPS模塊，內(nèi)建了MTK芯片組，使用MTK mand進(jìn)行交互、控制。GS15C接收機(jī)1個完整的定位數(shù)據(jù)包格式如下：