【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(jì)方案并闡述了終端設(shè)計(jì)方法、開(kāi)發(fā)方法和開(kāi)發(fā)過(guò)程。并從系統(tǒng)功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)分析比較選出合適的實(shí)現(xiàn)方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)所需硬件模塊的選取作了簡(jiǎn)要介紹。然后針對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和軟硬件聯(lián)合調(diào)試等方面展開(kāi)論述。并結(jié)合相關(guān)的外圍電路實(shí)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(jì)以及電源模塊的設(shè)計(jì)等都在本文中作了詳細(xì)闡述。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，采用C51語(yǔ)言編程，始化和顯示程序的設(shè)計(jì)。過(guò)調(diào)試、修改，成功實(shí)現(xiàn)小范圍的定位導(dǎo)航，完成課題設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)環(huán)境，這些開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境也不相同，所以基于嵌入式的開(kāi)發(fā)難度較大，開(kāi)發(fā)周期也相對(duì)較長(zhǎng)，人力、財(cái)力投入較大，適 合并行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)成本較高，對(duì)于以定位導(dǎo)航為主的來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)方案 單板機(jī)即單板計(jì)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(gè)體積較小的單板上，一因此在性能上和通用 PC 沒(méi)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(duì)工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各種抗干擾、以及小型化的工作。在開(kāi)發(fā)應(yīng)用上可以將單板機(jī)看作通用 PC 來(lái)處理。通常來(lái)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(kāi)發(fā)西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文時(shí)不需要進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)。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(duì)于大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，在單板機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)比較容易掌握，而且開(kāi)發(fā)難度小。相對(duì)于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，單板機(jī)開(kāi)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(shí)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(shí)鐘、定時(shí) /計(jì)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)方案。在定位導(dǎo)航過(guò)程中，定位導(dǎo)航終端需存儲(chǔ)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(chǔ)要求。因此，必須擴(kuò)展可掉電保存數(shù)據(jù)的 FLASH ROM 芯片來(lái)增加存儲(chǔ)空間，這樣，不僅提高了開(kāi)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(méi)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(kāi)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(jì)選用方案 3 來(lái)實(shí)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(jiàn)定位導(dǎo)航終端的實(shí)現(xiàn)方案，本設(shè)計(jì)采用基于 SoC 單片機(jī) (C8051F020)的實(shí)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(gè)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(chǔ)器中，它是該終端的“心臟 ”。 C8051F020 通過(guò)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(cè)試點(diǎn)的地理信息 (經(jīng)度、緯度、時(shí)間值 )。并通過(guò)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(cè)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(duì)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(gè)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(duì)于具有授時(shí)功能，或具有 DGPS 差分功能等的模在 價(jià)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(jí)管顯示，本系統(tǒng)出于亮度和動(dòng)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(duì)應(yīng)于 LCD 屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。 第 4 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)終端的總體硬件結(jié)構(gòu) 由于該系統(tǒng)不僅要實(shí)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(wèn)題，其主要組成部分是 GPS 接收板， C8051F020 微處理器，時(shí)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(jì)框圖 GPS 接收板接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)來(lái)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(lái)的電文以 秒的刷新間隔提供被測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如 :經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)間、速度、航向等數(shù)據(jù)，送給微處理器處理并存儲(chǔ)，以便隨時(shí)在顯示屏上顯示定位點(diǎn)。 4. 1. 1 GPS 接收板的設(shè)計(jì) GPS 接收板作為衛(wèi)星導(dǎo)航電文的接收端，它通過(guò)外接的有源天線將接收來(lái)的 高頻信號(hào)送到 GPS 模塊的 RF 端口，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后將定位數(shù)據(jù)通過(guò)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(jì) 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(gè)串口資源，因此所選單片機(jī)必須有兩個(gè)硬件串口。在本次設(shè)計(jì)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?yàn)樗哂袃蓚€(gè)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(kāi)發(fā)容易，而且支持 C 語(yǔ)言源程序調(diào)試。在本次開(kāi)發(fā)中，主要考慮對(duì) C8051F020 的以下功能部件的設(shè)計(jì) : 首先，使用兩個(gè)硬件串口。這兩個(gè)串口的波特率產(chǎn)生是獨(dú)立的，使用起來(lái)相當(dāng)靈活。串口 1 經(jīng)過(guò) 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(shí)現(xiàn)與接收機(jī)的通信。 其次，使用 JTAG 接口。通過(guò) 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(chǔ)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(kāi)發(fā)的需要，不需要另外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)做數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。考慮到其數(shù)字內(nèi)存的大小和實(shí)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(jì) 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(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 2,穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì)，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(kāi)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(guò)輸出晶體管的電流容量，內(nèi)置了過(guò)載電流保護(hù)電路。此外，還內(nèi)置電源開(kāi) /關(guān)控制電路，以延長(zhǎng)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(jì) 本設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)于 LCD 屏上一個(gè)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(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)思想。采用模塊化設(shè) 計(jì)可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，不僅容易設(shè)計(jì)也容易管理和修改，方便系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試，有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可修改性。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)也有助于系統(tǒng)開(kāi)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(jì)情況 [161a 4. 2 GPS 接收板設(shè)計(jì) 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(wú)源天線和有源天線并具備天線短路和開(kāi)路檢測(cè)和保 護(hù)?？删幊糖铱膳渲玫?Flash EPROM 為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(dòng) 29s 輔助啟動(dòng) :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 熱啟動(dòng) :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 重捕獲時(shí)間 :1s(露天 )los(室內(nèi) ) 接口 : USB 12Mbit/s 一串口 1 個(gè) UART 端口 一數(shù)字 1/0 可配置的時(shí)間脈沖， 1 個(gè) 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(gè)通道的 ublox5 定位引擎，通過(guò)無(wú)與倫比的捕獲與導(dǎo)航性。由一百多萬(wàn)個(gè)相關(guān)器組成的專用捕獲引擎可以在整個(gè)時(shí)間 /頻率空間內(nèi)進(jìn)行搜索，即便在信號(hào)惡劣的條件下也可瞬間找到衛(wèi)星，首次定位時(shí)間小于 1秒，捕獲靈敏度可達(dá) 160dBm。捕獲到的信號(hào)將被傳遞到搜索引擎。它采用新穎的方案來(lái)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(jì)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(chǎng)所提供出色的服務(wù)。針對(duì)具體的用戶配置設(shè)置，內(nèi)置 Flash EPROM 提供了存儲(chǔ)空間，并使今后的固件升級(jí)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(chǎng)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(shí)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(shí)接地 。 11. Vwe BAT 輸入端，備用電源，接備用電源，增強(qiáng)熱啟動(dòng)特性，否則接地。天線部分 : 一 IN 輸入端，來(lái)自天線的 GPS 信號(hào)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(wú)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(cè) 。 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(guò)具體的規(guī)定值，不用時(shí)懸空 。 20. ADDET N 輸入端，有源天線保護(hù)，作為天線監(jiān)測(cè)電路的信號(hào)輸入端，不用時(shí) 懸空。串口部分 : 3, TXD1 輸出端，串口輸出， VDDIO 串口輸出，不用時(shí)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(dòng)模式 。 N 輸入端，硬件復(fù)位，不用時(shí)懸空 。 28, TIMEPULSE 輸入端，時(shí)間脈沖信號(hào)，默認(rèn)值為每秒一個(gè)脈沖 。 17. EXTINTO 外部中斷，內(nèi)置上拉電阻到 V BAT，不用時(shí)懸空 。 , 22, I/0 口， GPS 模式引腳，不用時(shí)懸空 。 ， USB 啟動(dòng)時(shí)間配置引腳，不用時(shí)懸空 。 ，不用時(shí)懸空 。 ，不用時(shí)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