【文章內(nèi)容簡介】 。 GPS 接收機(jī)由核心處理器、 GPS 接收裝置和液晶顯示設(shè)備組成。本研究采用的 GPS 接收機(jī)是 RCB4H，具有接收 GPS 信號(hào)、處理信號(hào)、輸出定位信息等功能。 單片機(jī)： 單片機(jī)是此系統(tǒng)的核心部分，通過對(duì)外圍各個(gè)接口的數(shù)據(jù)信號(hào)的提取及處理，來控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。本課題采用 MSP430F149 單片機(jī)提取 GPS 接收的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù) 信息進(jìn)行處理。 SD 卡讀寫模塊： SD 卡讀寫模塊內(nèi)置文件系統(tǒng)、可直接進(jìn)行文件讀寫的 SD 卡模塊，適用于 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)方案。單片機(jī)使用模塊，可直接進(jìn)行目錄遍歷、目錄創(chuàng)建、目錄刪除、文件創(chuàng)建、文件刪除、文件修改、卡格式化等標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)操作，無需了解 SD 卡內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) 。 SD卡通過 SD 卡讀寫模塊存儲(chǔ)經(jīng)過單片機(jī)處理過的有效信息。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)概述 系統(tǒng)的硬件電路部分設(shè)計(jì)是本課題的非常重要和關(guān)鍵的一 部分，這部分的設(shè)計(jì)情況將影響到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn) 。 本章著重介紹硬件部分電路的設(shè)計(jì)原理，各部分電路 的組成以及外圍電路器件的功能等等。 系統(tǒng)硬件框圖 如圖 ： 圖 系統(tǒng) 硬件 框圖 系統(tǒng)電路模塊設(shè)計(jì) 對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由四部分組成。這四部分分別為 GPS定位信息接收電路， SD卡讀寫電路，電源電路與 STC89C52RC接口電路和程序下載電路。 MSP430F149單片機(jī)簡介 單片機(jī)是 系統(tǒng)的 核心部分，通過對(duì)外圍各個(gè)接口的數(shù)據(jù)信號(hào)的 提取 及處理，來控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。本課題采用 的是 MSP430F149 單片機(jī)。 單片機(jī)芯片配以必要的外部器件，一般包括電 源供入及電源開關(guān)、復(fù)位電路、晶振、輸入輸出電路等就能構(gòu)成最小系統(tǒng)。 MSP430 功能框圖 如圖 所示 ： 圖 MSP430 功能框圖 MSP430F149 芯片是美國 TI 公司推出的超低功耗微處理器，有 60KB+256字節(jié) FLASH， 2KBRAM，包括基本時(shí)鐘模塊、看門狗定時(shí)器、帶 3 個(gè)捕獲／比較寄存器和 PWM 輸出的 16 位定時(shí)器、帶 7 個(gè)捕獲／比較寄存器和 PWM 輸出的 16 位定時(shí)器、 2 個(gè)具有中斷功能的 8 位并行端口、 4 個(gè) 8 位并行端口、模擬比較器、 12 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器、 2 個(gè)串行通信接口等模塊 。 MSP430F149 芯片具有如下特點(diǎn)： (1)功耗低：電壓 2． 2V、時(shí)鐘頻率 1MHz 時(shí)，活動(dòng)模式為 200μ A；關(guān)閉模 式時(shí)僅為 0． 1A，且具有 5 種節(jié)能工作方式； (2)高效 16 位 RISCCPU， 27 條指令， 8MHz 時(shí)鐘頻率時(shí)，指令周期時(shí)間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期完成； 32kHz 時(shí)鐘頻率時(shí)， 16 位 MSP430單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典型的 8 位單片機(jī) 20MHz 時(shí)鐘頻率時(shí)的執(zhí)行速度； (3)低電壓供電、寬工作電壓范圍： 1． 8～ 3． 6V； (4)靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)：兩個(gè)外部時(shí)鐘和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘； (5)低時(shí) 鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信； (6)具有串行在線編程能力； (7)強(qiáng)大的中斷功能； (8)喚醒時(shí)間短，從低功耗模式下喚醒僅需 6μ s； (9)ESD 保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)； (10)運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為 40～ +85℃，適合于工業(yè)環(huán)境。 MSP430 系列單片機(jī)的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實(shí)現(xiàn)的，故其程序的編寫相對(duì)簡單。編程開發(fā)時(shí)通過專用的編程器，可以選擇匯編或 C語言編程， IAR 公司為 MSP430 系列的單片機(jī)開發(fā)了專用的 C430 語言，可以通過 WORKBENCH 和 CSPY 直接編譯調(diào)試，使用靈活簡單。 單片機(jī)引腳圖 如圖 ： 圖 MSP430 引腳圖 58 腳 RST/NMI 為 430 單片機(jī)的復(fù)位引腳（低電平有效）。 1 腳 DVCC、 63 腳 DVSS 為數(shù)字電源接口。 64 腳 AVCC、 62 腳 AVSS 為模擬電源接口。注意： MSP430 系列單片機(jī)的供電電壓為 ~。 32 腳 UTXD0、 33 腳 URXD0 的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī)兩路串口通訊接口中的第一路。 34 腳 UTXD 35 腳 URXD1 的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī)兩路串口通訊接口中的第二路。 29 腳 SIMO0， 30 腳 SOMI0， 31 腳 UCLK0 的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī)兩路 SPI 通訊接口中的第一路。 45 腳 SIMO1， 46 腳 SOMI1， 47 腳 UCLK1 的第二功能為 MSP430F149 單 片機(jī)兩路 SPI 通訊接口中的第二路。 48 腳的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī) MCLK（主系統(tǒng)時(shí)鐘）的輸出端。 49 腳的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī) SCLK（子系統(tǒng)時(shí)鐘）的輸出端 50 腳的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī) ACLK（輔系統(tǒng)時(shí)鐘）的輸出端。 52 腳、 53 腳為外部高頻時(shí)鐘晶振輸入端（程序中說明一般 用 XT2CLK 或HF XTAL 表示）。 8 腳、 9 腳為外部低頻時(shí)鐘晶振輸入端（程序中說明一般用 LFXTICLK 表示）。 59 腳 TA0， 60 腳 TA1， 61 腳 TA2， 2 腳 A3， 3 腳 A4， 4 腳 A5， 5 腳 A6，6 腳 A7 的第二功能為 8 路的內(nèi)部 12 位 ADC 模擬電壓輸入端口。 54 腳 TDO/TDI， 55 腳 TDI/TCLK， 56 腳 TMS， 57 腳 TCK 為 JTAG 接口（同時(shí)擁有仿真器和編程器的功能），用于下載程序并實(shí)現(xiàn)硬件在線仿真。 I/O 口的操作 ： P1~P6 的公有寄存器位為 PXSEL， PXDIR， PXOUT， PXIN。 其中 P1， P2相對(duì)于 P3， P4 ， P5， P6 還多出了 3 個(gè)寄存器 PXIE， PXIES， PXIFG，這三個(gè)寄存器是用于設(shè)置開啟 P1， P2 的外部觸發(fā)中斷使用的（其中 X 可以為 1， 2， 3，4， 5， 6）。 以下各寄存器功能介紹（以 為例）： P3SEL 用于功能選擇，當(dāng)其置 0 選擇的是普通 I/O 口功能，置 1 選擇的是第二功能； 比如 32 腳 UTXD0 對(duì)應(yīng) ， 33 腳 URXD0 對(duì)應(yīng) 。 P3SEL amp。= ~BIT4。// 該程序是將 置 0，此時(shí)該引腳只具有普通 I/O 口功能 ； P3SEL |= BIT4。// 該程序是將 置 1，此時(shí)該引腳將具有異步串口通信功能。 P3DIR 是用于設(shè)置 I/O 口輸出方向的 。 P3DIR amp。= ~BIT4。 //該程序是將 I/O 口的方向設(shè)置為輸入（一般用于讀取數(shù)據(jù)時(shí)） ； P3DIR |= BIT4。 //該程序是將 I/O 口的方向設(shè)置為輸出 。 P3OUT 是用于設(shè)置 I/O 口輸出高低電平的 。 P3OUT amp。= ~BIT4。 ///該程序是使該 I/O 口輸出高電平 ； P3OUT |= BIT4。 ///該程序是使該 I/O 口輸出低電平 。 P3IN 是用于讀取外部輸入到該引腳，使用該寄 存器前必須將 P3DIR 置 0。 MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成的 ,主要包括電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)各功能部件的操作都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地周期性地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的運(yùn)行速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 MSP430 系列單片機(jī)時(shí)鐘模塊包括數(shù)控振蕩器 (DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等 3 個(gè)時(shí)鐘源。這是為了解決系統(tǒng)的快速處 理數(shù)據(jù)要求和低功耗要求的矛盾，通過設(shè)計(jì)多個(gè)時(shí)鐘源或?yàn)闀r(shí)鐘設(shè)計(jì)各種不同工作模式，才能解決某些外圍部件實(shí)時(shí)應(yīng)用的時(shí)鐘要求，如低頻通信、 LCD 顯示、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。數(shù)字控制振蕩器 DCO 已經(jīng)集成在 MSP430 內(nèi)部，在系統(tǒng)中只需設(shè)計(jì)高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。 低速晶體振蕩器 (LFXTl)滿足了低功耗及使用 32． 768kHz 晶振的要求。LFXTl振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即 32． 768kHz，也可以通過外接 450kHz～8MHz 的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中我們使用低頻模式。 高速晶體振蕩器 (HFXT2)也稱為第二振蕩器 XT2，它為 MSP430F149 工作在高頻模式時(shí)提供時(shí)鐘， XT2 最高可達(dá) 8MHz。在系統(tǒng)中 XT2 采用 8MHz 的晶體，XT2 外接 2 個(gè) 30pF 的電容經(jīng)過 XT2IN 和 XT2OUT 連接到 MCU。 晶振電路 如圖 所示 ： 圖 晶振電路 在單片機(jī)每次初始加電時(shí)，首先投入工作的功能部件是復(fù)位電路。復(fù)位電路把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上并且維持一個(gè)延時(shí)，以便給予電源電壓從上升到穩(wěn)定的一個(gè)等待時(shí)間 。 在電源電壓穩(wěn)定之后，再插入一個(gè)延時(shí)，給予時(shí)鐘振蕩器從起振到穩(wěn)定的一 個(gè)等待時(shí)間。 從上 MSP430 系統(tǒng)復(fù)位電路功能模塊圖中可以看到了兩個(gè)復(fù)位信號(hào)，一個(gè)是上電復(fù)位信號(hào) POR(Power On Reset)和上電清除信號(hào) PUC(Power Up Clear)。 POR信號(hào)是器件的復(fù)位信號(hào)，此信號(hào)只有在以下的事件發(fā)生時(shí)才會(huì)產(chǎn)生： 器件上電時(shí) ： RST/NMI 引腳配置為復(fù)位模式，當(dāng) RST/NMI 引腳 產(chǎn)生 低電平時(shí)。 當(dāng) POR 信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生 PUC 信號(hào)；而 PUC 信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)不會(huì)產(chǎn)生 POR 信號(hào)。會(huì)引起產(chǎn)生 PUC 信號(hào)的事件： POR 信號(hào)發(fā)生時(shí) ； 啟動(dòng)看門狗 時(shí)，看門狗定時(shí)器計(jì)滿時(shí) ； 向看門狗寫入錯(cuò)誤的安全參數(shù)值時(shí) ； 向片內(nèi) FLASH 寫入錯(cuò)誤的安全參數(shù)值時(shí)。 當(dāng) POR 信號(hào)或 PUC 信號(hào)發(fā)生時(shí)引起器件復(fù)位后，器件的初始化狀態(tài)為： RST/NMI 引腳配置為復(fù)位模式 、 I/O 引腳為輸入模式 、狀 態(tài)寄存器 SR 復(fù)位 、 看門狗激活進(jìn)入工作模式、 程序計(jì)數(shù)器 (PC)裝入復(fù)位向量地址 0xFFFE,微處理器從此地址開發(fā)始執(zhí)行。 由于 MSP430F149 單片機(jī)是低電平復(fù)位，在復(fù)位鍵未按下時(shí)，由于電容對(duì)直流電的阻隔作用，復(fù)位端口 REST 為高電平，因此單片機(jī)不執(zhí)行復(fù)位功能；當(dāng)按下復(fù)位鍵 S2 時(shí)， 電容 C3 通過 S2 放電，此時(shí) REST 為低電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)釋放 S2 時(shí)，電源通過電阻 R8 給電容再次充電，復(fù)位端口的點(diǎn)位由低電平緩慢的上升的高電平，在未達(dá)到單片機(jī)規(guī)定的閾值之前，單片機(jī)均認(rèn)為是低電平，保持復(fù)位狀態(tài)當(dāng)充電完成后，復(fù)位端口為高電平，復(fù)位結(jié)束。其中二極管D3 的加入是保證 REST 端的電壓限定在一定范圍內(nèi)不會(huì)太高。 復(fù)位電路 如圖 所示 ： 圖 復(fù)位電路 最小系統(tǒng)可以直接作為核心部件應(yīng)用與工程和科研中，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以很方便地進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展， 能夠縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。本文實(shí)現(xiàn)了最小系統(tǒng)的基本功能，介紹了各模塊的硬件電路。該最小系統(tǒng)可以經(jīng)過適當(dāng)修改可應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)教學(xué)與科研、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 GPS定位信息接收電路 在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的需要來選擇適合的硬件。 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， GPS 接收 機(jī) 是 最 基本的組成部分，由它來接收衛(wèi)星信號(hào)，并且產(chǎn)生定位信息。下面分別介紹 GPS 接收機(jī)的分類 、 選擇 與各種特性 。 接收機(jī)的分類 GPS 接收機(jī)可以根據(jù)用途、工作原理、接收頻率等進(jìn)行不同的分類。按接收機(jī)的用 途進(jìn)行分類可分為導(dǎo)航型接收機(jī)，測(cè)地型接收機(jī)，授時(shí)型接收機(jī)等；按接收機(jī)的載波頻率進(jìn)行分類可分為單頻接收機(jī)，雙頻接收機(jī)；由于 GPS 接收機(jī)的定位原理多樣，應(yīng)用范圍廣泛，所以分類方法也多種多樣，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來選擇適當(dāng)?shù)慕邮諜C(jī)。 定位模塊的選擇 由于本項(xiàng)目開發(fā)的是 基于 GPS OEM 接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 ，所以應(yīng)選擇導(dǎo)航型的 GPS 模塊。目前，有很多廠商都能提供 GPS OEM 板產(chǎn)品，如 SiRF、 Conexant、 Sychip、 GARMIN 等公司。其中 北京三信通導(dǎo)技術(shù)有限公司 是最著 名、深受用戶信賴的專業(yè) GPS 廠家，在 GPS 的定位、導(dǎo)航領(lǐng)域一直走在最前列，在提供各種類型 的 GPS 成品的同時(shí)，還提供一系列最經(jīng)典的 GPS OEM板產(chǎn)品。 此公司生產(chǎn) 的 GPS OEM 產(chǎn)品的優(yōu)良的性能既能夠滿足靈敏度需求，也能夠滿足動(dòng)態(tài)需求，所以本項(xiàng)目選擇 RCB4H 作為 GPS 定位模塊。它為 12 通道的 GPS 接收機(jī)，也就是同時(shí)可以跟蹤多達(dá) 12 顆 GPS 衛(wèi)星，從而能夠快速的定位。 GPS 接收機(jī)功耗非常小，數(shù)據(jù)更新率 為 4HZ，即 為每秒 4 次。 簡介 GPSOEM 板采用單一 5V 供電，