【導(dǎo)讀】公司的C8051F020單片機(jī)，制作了GPS接收板和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、控制終端。出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案并闡述了終端設(shè)計方法、開發(fā)方法和開發(fā)過程。并從系統(tǒng)功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過分析比較選出合適的實現(xiàn)方案，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)所需硬件模塊的選取作了簡要介紹。然后針對系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和軟硬件聯(lián)合調(diào)試等方面展開論述。并結(jié)合相關(guān)的外圍電路實現(xiàn)。其中，接收天線的選取、天線座到模塊RF1N端的。50歐姆阻抗匹配設(shè)計以及電源模塊的設(shè)計等都在本文中作了詳細(xì)闡述。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計，采用C51語言編程，始化和顯示程序的設(shè)計。過調(diào)試、修改，成功實現(xiàn)小范圍的定位導(dǎo)航，完成課題設(shè)計的要求。上提出了下一步的研究方向和工作。關(guān)鍵詞:GPS;C8051F020;阻抗匹配;OCM12864;

　　

【正文】 而且?guī)缀趺恳环N操作系統(tǒng)都有自己的一套集成開發(fā)環(huán)境，這些開發(fā)環(huán)境相互之間差別較大，而且和應(yīng)用廣泛的 PC 集成開發(fā)環(huán)境也不相同，所以基于嵌入式的開發(fā)難度較大，開發(fā)周期也相對較長，人力、財力投入較大，適 合并行開發(fā)。開發(fā)嵌入式系統(tǒng)成本較高，對于以定位導(dǎo)航為主的來說，使用嵌入式系統(tǒng)容易造成資源浪費(fèi)。 (2)基于單板機(jī)的實現(xiàn)方案 單板機(jī)即單板計算機(jī)，又稱嵌入式 PC，它將通用 PC 上的必要資源如微處理器、各種 1/0 端口， PCI 插槽等集成到一個體積較小的單板上，一因此在性能上和通用 PC 沒有太大的區(qū)別。單板機(jī)以各種工業(yè)控制機(jī)為代表，主要是針對工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了特殊的設(shè)計，實現(xiàn)各種抗干擾、以及小型化的工作。在開發(fā)應(yīng)用上可以將單板機(jī)看作通用 PC 來處理。通常來講，單板機(jī)的處理能力強(qiáng)于嵌入式系統(tǒng)，而且單板機(jī)的外圍接 口豐富，所以開發(fā)西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文時不需要進(jìn)行外圍電路設(shè)計。在結(jié)構(gòu)上，單板機(jī)和通用 PC 一樣，可支持通用的 PC 操 作系統(tǒng)，通用 PC 上的應(yīng)用軟件可直接進(jìn)行移植。對于大多數(shù)開發(fā)人員來說，在單板機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)比較容易掌握，而且開發(fā)難度小。相對于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，單板機(jī)開發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。 (3)基于單片機(jī)的實現(xiàn)方案 單片機(jī)又稱嵌入式微控制器，它在一塊芯片上集成了 CPU, RAM, ROM (EPROM 或 EEPROM )、時鐘、定時 /計數(shù)器、多種功能的串行和 并行 I/0 口。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(diǎn)，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。在定位導(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)，一般常用的單片機(jī) (如 51 單片機(jī)、 MOTOROLA 單片機(jī)等 )自帶的 FLASH ROM 一般為 4K, 8K 等，遠(yuǎn)不能滿足存儲要求。因此，必須擴(kuò)展可掉電保存數(shù)據(jù)的 FLASH ROM 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。而且一般常用的51 單片機(jī)本身沒有看門狗電路，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。但是選用具有功能強(qiáng)大的 C8051F 系列單片機(jī)就彌補(bǔ)了以上不足。 綜合分析后，由于考慮到開發(fā)成本、控制模塊的性能以及調(diào)試和維護(hù)等方面的因素，本設(shè)計選用方案 3 來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 定位導(dǎo)航終端的硬件模塊的選取 單片機(jī)的選取 綜合考慮目前常見定位導(dǎo)航終端的實現(xiàn)方案，本設(shè)計采用基于 SoC 單片機(jī) (C8051F020)的實現(xiàn)方案，即采用 GPS 接收機(jī)與 C8051F020 單片機(jī)構(gòu)成定位導(dǎo)航終端。整個定位導(dǎo)航終端的系統(tǒng)軟件都存放在該單片機(jī)的存儲器中，它是該終端的“心臟 ”。 C8051F020 通過串口與 GPS 接收機(jī)通信，將 GPS 串口輸出的字節(jié)流進(jìn)行處理，提取出測試點(diǎn)的地理信息 (經(jīng)度、緯度、時間值 )。并通過單片機(jī)控制液晶顯示屏，根據(jù)提取的有用信息在我們描述的道路中顯示當(dāng)前的測試點(diǎn)，以達(dá)到定位導(dǎo)航的目的。 3. 4. 2 GPS 模塊的選取 對于 GPS 模塊的選擇而言，通常從技術(shù)參數(shù)，支持通信協(xié)議，控制接口和成本幾個方面考慮。目前商用的 GPS 模塊，大都支持 16 通道，采用 C/A 編碼，其中最大更新速率為 4Hz，對于具有授時功能，或具有 DGPS 差分功能等的模在 價格上要高出許多。本 系統(tǒng)選用的 GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊是 LEA5W `l o 液晶顯示模塊的選取 顯示面板的選擇目前多利用是 LCD 液晶顯示或者 LED 發(fā)光二級管顯示，本系統(tǒng)出于亮度和動態(tài)性能的要求，選擇的是 OCM128641 點(diǎn)陣液晶顯示模塊，它是一款 128 列 64 行的點(diǎn)陣單色字符圖形顯示模塊，它有 8 位并行數(shù)據(jù)接口，模塊內(nèi)藏 64X64 的顯示數(shù)據(jù) RAM，其中的每位數(shù)據(jù)都對應(yīng)于 LCD 屏上一個點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。 第 4 章系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)終端的總體硬件結(jié)構(gòu) 由于該系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提取和處理，還涉及到導(dǎo) 航定位顯示的問題，其主要組成部分是 GPS 接收板， C8051F020 微處理器，時鐘芯片，穩(wěn)壓電源模塊， OCM12864 顯示屏及外接按鍵、 LED 顯示燈等。結(jié)構(gòu)圖 (如圖 41 所示 ): 圖 41 總體設(shè)計框圖 GPS 接收板接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)來的原始導(dǎo)航電文，并根據(jù)從三顆以上不同衛(wèi)星發(fā)來的電文以 秒的刷新間隔提供被測點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)，如 :經(jīng)度、緯度、高度、時間、速度、航向等數(shù)據(jù)，送給微處理器處理并存儲，以便隨時在顯示屏上顯示定位點(diǎn)。 4. 1. 1 GPS 接收板的設(shè)計 GPS 接收板作為衛(wèi)星導(dǎo)航電文的接收端，它通過外接的有源天線將接收來的 高頻信號送到 GPS 模塊的 RF 端口，經(jīng)過運(yùn)算處理后將定位數(shù)據(jù)通過其串口傳送給上位機(jī) [” ]。其功能結(jié)構(gòu) (如圖 42 所示 ): 圖 42 GPS 接收板功能結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)控制模塊設(shè)計 單片機(jī)一方面與 GPS 接收機(jī)通信提取地位信息，另一方又要保留與 PC 機(jī)通信的接口。由于 GPS 接收機(jī)使用串口與單片機(jī)相連，而連接 PC 機(jī)也要占用單片機(jī)的一個串口資源，因此所選單片機(jī)必須有兩個硬件串口。在本次設(shè)計中，采用Cygnal 公司的 C8051F020 作為數(shù)據(jù)終端的主控芯片。選擇此單片機(jī)作為主控芯片不僅僅是因為它具有兩個硬件串口而是基于諸多因素考慮 :C8051F020 功能強(qiáng)大，幾乎在單片機(jī)中包括了所有常用的功能 。與普通的 8051 有相同的內(nèi)核，開發(fā)容易，而且支持 C 語言源程序調(diào)試。在本次開發(fā)中，主要考慮對 C8051F020 的以下功能部件的設(shè)計 : 首先，使用兩個硬件串口。這兩個串口的波特率產(chǎn)生是獨(dú)立的，使用起來相當(dāng)靈活。串口 1 經(jīng)過 SP3223E 電平轉(zhuǎn)換芯片與 PC 機(jī)進(jìn)行通信，串口 0 與 GPS模塊連接，實現(xiàn)與接收機(jī)的通信。 其次，使用 JTAG 接口。通過 JTAG 接口與用戶系統(tǒng)直接連接，不再需要另外的仿真工具，可以在線調(diào)試和下載。 再次，使用 64K字節(jié)大容量閃速存儲器和 4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM (4K+256). 64Kflash ROM 可以滿足本次開發(fā)的需要，不需要另外擴(kuò)展程序存儲器。數(shù)據(jù)存儲器用來做數(shù)據(jù)緩沖區(qū)?？紤]到其數(shù)字內(nèi)存的大小和實際需要，外擴(kuò)了一片容量 為 8K 的數(shù)據(jù)存貯器芯片 62640 1, RS232C 串口模塊設(shè)計 RS232C 串口模塊采用 SIPEX公司的 SP3223E. SP3223E主要功能是連接單片機(jī)與 PC 機(jī)實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 2,穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計 穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計，我們采用了精工穩(wěn)壓電源芯片 S1112，可以保證數(shù)據(jù)終端工作穩(wěn)定可靠。 S1112 系列是使用 CMOS 技術(shù)開發(fā)的低壓差、高精度輸出電壓、低消耗電流的正電壓型電壓穩(wěn)壓器。由于內(nèi)置了低導(dǎo)通電阻晶體管，因而電壓差低，且能夠獲得較大的輸出電流。為了使負(fù)載電流不超過輸出晶體管的電流容量，內(nèi)置了過載電流保護(hù)電路。此外，還內(nèi)置電源開 /關(guān)控制電路，以延長電池的使用壽命。和以往 CMOS 工藝電壓穩(wěn)壓器相比，所能使用的電容 器種類得以增多，也能使用小型的陶瓷電容器。因采用 SNT 6A (H(僅限 S1112 系列 )。TO235 小型封裝，故可高密度安裝 }139。1a 4. 1. 3 LCD 模塊電路設(shè)計 本設(shè)計選擇的是 OCM128641 型 LCD，它是一款 128 列 X64 行的點(diǎn)陣單色字符圖形顯示模塊，它有 8 位并行數(shù)據(jù)接口，模塊內(nèi)藏 64X64 的顯示數(shù)據(jù) RAM，其中的每位數(shù)據(jù)都對應(yīng)于 LCD 屏上一個點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。具有超輕、超薄、亮度高、可視角度大，功耗低、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。 在硬件設(shè)計中采用了模塊化設(shè)計思想。采用模塊化設(shè) 計可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，不僅容易設(shè)計也容易管理和修改，方便系統(tǒng)測試和調(diào)試，有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可修改性。同時，模塊化設(shè)計也有助于系統(tǒng)開發(fā)的組織管理。以下各節(jié)將詳細(xì)敘述各模塊接口的設(shè)計情況 [161a 4. 2 GPS 接收板設(shè)計 4. 2. 1 GPS 模塊 LEA5H 介紹 LEA5H 模塊的尺寸非常小 (17**3mm )，具有高度的功能集成，從某種程度上減少了占板空間，擁有 32 通道捕獲引擎， 18 通道 GPS+Galileo 跟蹤引擎，帶有節(jié)能模式，支持無源天線和有源天線并具備天線短路和開路檢測和保 護(hù)?？删幊糖铱膳渲玫?Flash EPROM 為數(shù)據(jù)的存儲提供了充足的空間。運(yùn)行溫度范圍為一 40 到 850。其它參數(shù) 如下所示 : 性能參數(shù) : L 1 頻率， GPS C/A 碼 4Hz的定位更新速率 一精確度，定位 。 SBAS GPS 協(xié)議 NMEA, UBX 二進(jìn)制 一捕獲冷啟動 29s 輔助啟動 :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 熱啟動 :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 重捕獲時間 :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 接口 : USB 12Mbit/s 一串口 1 個 UART 端口 一數(shù)字 1/0 可配置的時間脈沖， 1 個 EXTINT 輸入 一串口和 I/0 電壓 3V 電平，最大 5V 輸入電平 電氣特性 : 一工作電壓 到 一備用電源 到 ，典型值 25uA 一天線供電方式外部或內(nèi)部 VCC RF LEA 模塊具有包含 50 個通道的 ublox5 定位引擎，通過無與倫比的捕獲與導(dǎo)航性。由一百多萬個相關(guān)器組成的專用捕獲引擎可以在整個時間 /頻率空間內(nèi)進(jìn)行搜索，即便在信號惡劣的條件下也可瞬間找到衛(wèi)星，首次定位時間小于 1秒，捕獲靈敏度可達(dá) 160dBm。捕獲到的信號將被傳遞到搜索引擎。它采用新穎的方案來抑制干擾并降低多基于單片機(jī)的 GPS 導(dǎo)航裝置的設(shè)計徑效應(yīng)，從而以較低的功耗，在最具挑戰(zhàn)性的室內(nèi)外場所提供出色的服務(wù)。針對具體的用戶配置設(shè)置，內(nèi)置 Flash EPROM 提供了存儲空間，并使今后的固件升級成為可能。這些特點(diǎn)的組合使此模塊能適應(yīng)包括高性能、低電耗和小體積等關(guān)鍵要求的運(yùn)用場合 [” ]。 其結(jié)構(gòu) (如圖 43 所示 ): 圖 43 GPS 模塊功能結(jié)構(gòu)組成 LEASH 各引腳功能介紹 : 電源部分 : 6. VCC 電源輸入，允許的最大紋波電源為 Vcc=SOmVpp。 GND，輸入端接地，接公共地端，大地 。 8. VDD 180UT 輸出端，提供 的輸出電壓，不用時懸空 。 S. VDDIO 輸入端，為數(shù)字 I/0 引腳提供輸入電壓，必須與 VDD 180UT } VCC 或 其他特定值的電壓源相連，不能懸空，否則輸出端將不工作 。 24. VDDes USB 輸入端， USB 電源，使用 USB 接口將次引腳連到 ，不用 USB 時接地 。 11. Vwe BAT 輸入端，備用電源，接備用電源，增強(qiáng)熱啟動特性，否則接地。天線部分 : 一 IN 輸入端，來自天線的 GPS 信號輸入端。注意引腳到天線間 SOOhm阻抗匹配 。 19. V ANT 輸入端，天線偏置電壓，如使用的是無源天線，則接地。如果使用的 是有源天線則在該引腳的輸入端加 100hm 電阻，連到天線偏置電壓或 VCCJ 妞，作為電路短路保護(hù)和天線監(jiān)測 。 RF 輸出端輸出電壓射頻部分，可作為 外部有源天線供電 (VCC RF 連 接到 V ANT)，天線的最大功率消耗不能超過具體的規(guī)定值，不用時懸空 。 20. ADDET N 輸入端，有源天線保護(hù)，作為天線監(jiān)測電路的信號輸入端，不用時 懸空。串口部分 : 3, TXD1 輸出端，串口輸出， VDDIO 串口輸出，不用時懸空 。 輸入端，串口輸入，最大容許輸入電壓 5V，內(nèi)置上拉電阻到 V BAT。 25. USB DM, I/0 口 USB 輸入 /出端 。 DP, I/0 口 USB 輸入 /出端。 系統(tǒng)部分 : 12. BOOT INT 輸入端 ，啟動模式 。 N 輸入端，硬件復(fù)位，不用時懸空 。 28, TIMEPULSE 輸入端，時間脈沖信號，默認(rèn)值為每秒一個脈沖 。 17. EXTINTO 外部中斷，內(nèi)置上拉電阻到 V BAT，不用時懸空 。 , 22, I/0 口， GPS 模式引腳，不用時懸空 。 ， USB 啟動時間配置引腳，不用時懸空 。 ，不用時懸空 。 ，不用時懸空。 天線的選取 天線選用 3V 供電的有源天線，其外觀和內(nèi)核結(jié)構(gòu) (如圖 4 一所示 )。一般選用天線的參數(shù)為增益 27dB 左右，噪聲系數(shù) 左右。天線的做法及原理想當(dāng)復(fù)雜，有源天線內(nèi)核更是技術(shù)含量較高，由于涉及到硬件調(diào)試及高頻，因此只能選擇成品的天線