基于arm处理器的车载gps定位终端设计.docx
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基于arm处理器的车载gps定位终端设计
天津工业大学
毕业设计（论文）
基于ARM处理器的车载GPS定位终端的设计与实现
姓名
学院
专业
指导教师
职称
年月日
摘要
本文研究的是基于ARM处理器的车载GPS定位终端的设计与实现，系统原理是将STM32F103C8T6与uBlox-6MGPS模块之间通信，系统通过TF卡储存的位置信息，然后将位置信息传输给上位机。
在PC机上对记录的位置信息显示运动轨迹等工作。
本设计主要研究GPS模块控制、STM32编程开发、电路设计调试、操作输入、显示控制、上位机通讯和上位机软件设计等。
一个能独立记录行使数据并传输给上位机的系统。
整个系统分为车载部分和上位机部分，车载部分采用uBlox-6MGPS模块连接GPS天线来实现卫星定位、获取授时、计算实时速度、计算海拔高度等，使用STM32处理器来实现数据的存储和控制，使用LCD12864显示实时的数据信息。
上位机部分实现XX地图接口，通过XX地图接口实现位置信息定位显示，显示当前轨迹等信息。
实现位置记录显示回放等。
关键词：
ARM;GPS;跟踪;串口;uBlox-6M;定位;
ABSTRACT
ThispaperstudiesthevehicleGPSterminalbasedonARMprocessordesignandimplementationofsystemprincipleisSTM32F103C8T6withuBlox-6McommunicationbetweenGPSmodule,systemthroughtheTFcardstorelocationinformation,andthenthetransmissionoflocationinformationtothePC.InthePCtorecordthelocationofthemotiontrajectoryinformationdisplay,etc.ThisdesignmainlyresearchtheGPSmodule,STM32programmingdevelopment,circuitdesignanddebugging,operationinput,displaycontrol,PCcommunicationandPCsoftwaredesign,etc.AnindependentrecorddataandtransfertoPCsystem.
Thewholesystemisdividedintocarpartsanduppermachineparts,automotivepartadoptsuBlox-6mGPSmoduletoconnecttheGPSantennatorealizepositioning,access,real-timecalculationspeed,calculationsuchasaltitude,useSTM32processortoimplementthedatastorageandcontrol,useLCD12864displayreal-timedatainformation.Uppermachinepartbaidumapinterface,bybaidumapinterfacepositioninformation,accordingtothepositioninginformationsuchasshowthecurrenttrack.Playbackpositionrecordsshow.
Keywords：
Vehicle;GPS;Tracking;Serialport.UBlox-6M;Positioning;
第一章绪论
1.1研究背景及其意义
今天,在经济和社会的快速发展,城市的扩张，交通已经成为不可或缺的生活的一部分。
随着汽车的普及,交通问题变得越来越严重，在这种情况下，您需要使用发达的网络，开放新的车辆使用智能车辆调度系统管理的方法操作，实现车辆的智能管理，灵活调度。
因此开发了一种可以实现各种各样的城市车辆管理系统是必要的，但实现调度的前提是知道道路拥堵，只是很多车辆的位置信息。
车辆轨迹跟踪系统的设计使用GPS传输实现统计车辆的路线，和其他操作参数，通过全面的操作得到有效的调度方案。
1.2本课题研究内容
这一主题的研究要求我们完成车辆轨迹跟踪系统设计基于GPS、汽车零部件应该能够接受一个GPS卫星信号，信号处理和分析，得到了经度、纬度和速度等所需的数据。
电脑需要接收车辆数据经分析的一部分，并通过计算机软件可以阅读可以实现的功能位置和交通信息的跟踪和分析。
第二章系统相关技术简介
2.1GPS定位技术简介
全球定位系统（GPS）被认为是一个由美国开发关键的空间计划，成为了阿波罗登月计划，航天飞机计划之后第三大空间计划。
卫星高度为20183公里，GPS卫星轨道倾角55度，操作周期接近12个小时。
不仅可以在全球范围内的用户提供超过4颗卫星信号实现高精度的三维位置测量，实时获取三维速度矢量，并能提供高精度授时服务。
全球定位系统（GPS）由三部分组成的:
空间卫星、GPS卫星星座、地面控制部分、地面监控系统;GPS信号接收机。
图2.1GPS的组成
2.1.1空间卫星
GPS卫星星座是由24颗卫星，其中包括21个工作卫星，3备用卫星。
24颗卫星550年6角均匀分布的地球轨道。
GPS卫星发送和接收机，操作系统，太阳能电池，原子钟、传动系统和各种辅助设备。
卫星运行周期为半个恒星日，11个小时58分钟。
卫星运行高度为20183公里。
卫星的伪距测量接收机，GPS卫星发射三个伪随机编码信号,即C/P代码和代码，X和Y，分别在两个载频调制发射。
0框架-相位测量/捕获的院子里，私人用户提供标准定位服务（SPS）；P代码，密码和让步为美国军方用户提供精密定位服务（PPS）。
严格限制XX的用户使用P代码，并防止敌人发送虚假欺骗P码，美国1月31日，1994年采用卫星电子欺骗（反欺骗-s）技术措施,进一步P代码加密代码编译成Y码。
2.1.2地面控制
GPS卫星地面控制部分的主要任务是维护，维持其正常功能。
主要功能包括:
保持卫星在轨道上的位置正确；星载子系统监控操作；监测卫星太阳能电池；更新卫星星历表和其他指令在导航信息，确定卫星的例外:
控制选项可用性（SA）和欺骗（年代），如另一个重要影响之外的地面控制部分是保持所有的GPS卫星同时，GPS时间标准。
这将需要监控GPS卫星地面控制部分的时间，而时钟差，然后注入站的卫星。
GPS卫星和导航信息发送到用户设备。
地面控制部分包括一个主站，3个注入站和5个监测站。
2.1.3用户设备
GPS用户设备通常被称为一个全球定位系统接收器，它处理升带卫星信号，以确定用户信息，如位置，速度和时间。
GPS接收机快速捕获的卫卫星高角度接收卫星信号的快速采集、卫星信号的测试和跟踪，接收卫星信号的放大、转换和处理，以确定卫星接收天线的信号传输时间。
GPS接收器可以分为两个天线单元和接收单元。
天线单元由两部分组成，接收天线和前置放大器。
接收天线主要是全向天线，可以从任何方向接收GPS信号，电磁波能量的变化规律可以被转换成相同的电流信号。
前置放大器可以极度疲弱GPS电流信号放大。
接收单位是最重要的信号通道和微处理器的一部分。
信号通道信号通道数。
使用多个通道同时向多个卫星观测，实现快速定位。
接收器收集位置数据存储在内存中,进行后续处理。
微处理器有各种数据处理软件，可以选择合适的卫星测量，为了获得最好的几个图形，根据观测值可以计算和卫星星历表，找到你需要的信息。
软件也是一个GPS接收机的重要组成部分，包括内置的软件和应用软件两部分。
内置软件控制接收机信号通道，每颗卫星信号测量和处理时间序列；控制微处理器自动操作，以及外围接口。
这个软件已经和接收器、GPS接收机一般养护ROM.Application软件主要指的是为后续处理观测数据,一些软件功能齐全，可以提高定位精度，速度和时间，提高工作效率，方便用户使用，满足不同客户的需求，开发新的应用程序。
软件的质量和功能已经成为一个重要指标反映了GPS接收器。
2.2全球定位系统的定位原理简介
全球定位系统（GPS）可以提供高精度全球用户的信息，如位置，速度和时间，简要介绍了位置的基本原理。
根据GPS定位方法主要包括伪距测量法和多卜勒法和载波相位测量法和干涉法4种，其中伪距测量方法简单，在引入伪距法的唯一原理中得到了广泛的应用。
用户接收机接收卫星信号，卫星传输到用户的确定时间，然后方法确定卫星到用户的距离，称为卫星被动测距。
距离和电波传播延迟时间的关系如下：
R=cxT式（2-1）
C是光速，T波传播延迟时间，距离R卫星给用户。
根据卫星信号的卫星星历信息，我们可以当每个卫星发射位置，来确定用户卫星的位置为中心，半径的球体。
同样,用户确定三个卫星的距离，可以确定用户在空间的位置，也就是说，三个球面相交。
如果测量点在地上，然后只需要测量二维位置，所以需要确定用户的距离两颗卫星可以确定用户的位置。
卫星被动测距定位原理非常简单，但要确保用户卫星距离，无线电波传播延迟时间测量卫星到用户，所以用户必须保持精确的同步和卫星时钟时间。
因为普通用户无法配备原子钟，测量的距离卫星接收设备，包括卫星时钟和用户介绍了贝尔的时钟误差。
称之为包含时钟不同误差的测量距离的“伪距”。
在GPS接收机只要4卫星伪距、三维坐标。
对于陆地、海上用户，如果你知道天线的高度，那么只需要测量用户三个卫星伪距可以确定二维位置以及用户对GPS系统时钟相位偏差。
差分GPS（DGPS）可以进一步提高定位的准确性。
微分的原则GPS高精度GPS接收器安装在正确的位置已知的基准站点,通过GPS位置和实际位置参考站伪距测量误差,正确的基站,错误传播到周围的空间,经修正的全球定位系统接收器接收到的信号可以被修改，以提高其全球定位系统的定位精度。
第三章系统结构方案
3.1系统总体结构方案
系统总体结构示意图如图3.1所示。
系统由GPS模块、STM32处理器、按键、显示屏、仿真器、TF卡和上位机软件等共同构成。
图3.1系统总体结构示意图
系统选用STM32F103C8T6单片机处理器，通过单片机对GPS模块控制，读取模块内部数据，通过运算获得当前的位置信息、速度信息、当前时间、当前速度、海拔高度等。
单片机对按键进行实时扫描使得系统能够及时获取系统的用户的控制信息，对数据进行处理和操作。
显示部分是通过单片机控制实现的，通过按键操作更改显示项目，单片机获取的GPS信息会实时显示到LCD显示器上，使用TF卡将实时的数据进行储存记录，采用jlink仿真器对STM32进行在线调试，找出程序问题进行现场更改调试。
3.2系统组成和功能
3.2.1系统的组成
如图3.2所示为系统的构成，其中系统由GPS、微处理器控制模块、电源及显示等构成，电脑客户端软件通过串口与系统连接，结构图如下：
。
图3.2系统总体结构框图
定位系统测量计算位置信息的原则,系统由GPS模块接收GPS信号,然后相应的测量,为了得到我们需要的数据。
单片机数据处理和存储,并提供信息,用户可以看到液晶显示器目前的GPS位置信息。
系统设备连接电脑后,单片机传输信息到客户端计算机,通过客户端软件VB实现定位的位置读取和分析,有效的结果,通过界面将显示结果显示地图。
通过系统的LCD显示屏和客户端软件，用户和可以很方便的获取车辆当前的位置信息和速度、海拔等信息。
3.2.2系统的功能
本系统分为车载部分和PC软件两个部分组成，车载部分实现数据处理、储存、显示，PC系统实现数据的处理、分析和显示，系统主要实现以下功能：
（1）定位功能：
汽车零部件通过STM32单片机控制GPS模块接收卫星信号，处理卫星信号，位置数据显示到LCD显示，并将位置信息进行储存处理。
（2）数据分析功能：
将车载部分的系统通过串口与电脑连接后，将数据传输到电脑软件端，通过电脑软件对系统进行分析处理，获取分析数据。
3.3硬件和方案设计对比和选取
3.3.1主控芯片单片机方案
方案一：
采用ATMEL公司的AVR单片机，AVR单片机硬件结构采用8位和16位机妥协策略，采用单周期指令集，使用本地寄存器堆内存（32个寄存器文件）单一及高速输入/输出程序（即输入捕获和输出不是一个匹配寄存器和相应的控制逻辑）。
提高指令执行速度（1MIPS/MHz）,克服了软件瓶颈现象,增强了系统功能。
Atmega128单片机,有64个引脚，可达16MHz运行频率，IIC，UART，SPI接口丰富，但是价格很高。
性能也只能进行些小型任务处理，虽然支持在线调试功能，但是调试接口速度比较慢，仅仅适合相对较小的程序模块的调试应用。
图3.3ATMEGA128单片机脚位图
方案二：
使用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51内核单片机处理器作为主控芯片，它有两个硬件集成的全双工串行通信接口。
此芯片内置ADC（模数转换）和IIC总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。
性价比很高，实用性高，上手快。
作为51内核的单片机开发具有很多优势，入门很方便快捷，51单片机开发相对比较通俗易懂，是很多入门级学者的首选，但是它采用的8位处理器内核，相对来说处理速度比较低，端口驱动能力比较弱，内部集成接口也相对较少，很多程序上开发和需求达不到要求，并且不支持在线仿真，对程序调试难度相对较大。
图3.4STC12C5A60S2脚位图
方案三：
使用意法半导体（ST）公司STM32F103C8T6单片机处理器作为主控芯片。
STM32芯片是基于ARM的架构,相对于其他单片机丰富的外设,高频率,低价格,操作简单,调试方便,功耗低。
时钟频率72MHZ，基本时钟频率是36MHZ。
它采用32位的CORTEXM3内核，运算处理速度高，接口丰富，拥有硬件USART、SPI、IIS、IIC、CAN、USB等丰富的接口，可以通过J-LINK进行软件在线仿真调试，方便找出程序中的问题和漏洞，可以跟踪参数变量状态，是软件编程的良好助手。
图3.5STM32F103C8T6脚位图
考虑到此系统的复杂度、系统的成本和系统需要的功能接口，方便软件调试，因此选用STM32F103C8T6单片机处理器作为主控芯片来实现系统的功能的运算处理。
3.3.2GPS模块方案选择
通过各个方面的对比和参照，本设计GPS开发选用uBlox-6MGPS模块，模块支持USB通讯、串口通讯、串口通讯支持COMS电平（0-3.3V）、TTL电平（0-5V）、RS232电平（-12V到+12V）,模块支持3.3V单片机系统和5V单片机系统的RS232串口通讯。
定位精度为3米，授时精度为1微妙，最大速度为515米每秒。
开发过程中使用RS232接口和模块通讯来获取位置、时间、速度、海拔等信息。
模块需通过天线来和卫星通讯，使用过程中天线要暴露在露天无遮挡的条件下，防止信号的遮挡和干扰，让定位更准确。
uBlox-6MGPS模块使用的是NMEA0183标准协议格式输出，里面包含了位置、当前时间、实时速度、海拔高度等数据信息。
通过对数据信息的解析来实现获取各种需求信息。
图3.6uBlox-6MGPS模块图
3.3.3LCD显示器的选择
方案一：
使用LCD1602液晶显示器显示，液晶显示器（LCD）的分类方法有很多，通常根据显示模式可分为段式，字符式，点阵，字符型液晶显示模块是一个专门用于字母，数字，符号，点阵LCD，LCD1602背光和没有背光分为两种，基本控制器主要是HD44780和厚比与背光没有背光,是否带背光不LCD1602不同应用的主要技术参数:
显示容量:
16x2字符，芯片工作电压:
4.5--5.5V，工作电流:
2.0mA（5.0V），模块最佳工作电压:
5.0V。
接口信号分别是:
1脚:
VSS的权力。
2脚:
积极的一面。
VDD权力，3脚：
VL液晶偏差信号，4脚:
RS数据/命令选择结束（H/L），5脚:
R/W读/写选择结束（H/L），6脚:
E可以使信号，7脚~14脚:
D0~D7数据I/O，15脚:
BLA背光正极，16脚，背光负极。
LCD1602能支持显示两行共16个英文或阿拉伯字符，价格相对来说比较便宜，编程控制也很简单，但是分辨率很低，显示数据量比较小，内部没有集成中文字库不支持中文显示，仅能显示英文字符和阿拉伯数字，灵活性不高，在本次使用中不能完全实现对各种信息的显示和切换，系统中需要显示中文字符来通俗易懂，因此LCD1602不能完全满足当前设计中对显示信息的各种需求，不能完全将信息展示给用户，不用使用通俗易懂的中文显示，因此不适合使用到本设计中来。
图3.7LCD1602实物图
方案二：
诺基亚5110液晶显示屏是84x48点阵液晶显示器,可以显示四个汉字,通过串口与单片机处理器进行通信，支持多种串行端口通信协议（如AVR单片机SPI,MCS51串口模式等等）通过串口传输速率可以上4MBPS,可以编写全速来显示数据,不需要等待时间。
LCD控制器通过LCD驱动芯片,减少模块的体积。
低电压供电,正常的工作电流在200μA,并有掉电模式更省电，5110液晶屏拥有很多优势和有点。
NOKIA5110LCD控制比较复杂，消耗单片机处理资源较多，且显示字符数较少，不大适合数据显示和控制设计使用，针对本次设计很不适合。
图3.8NOKIA5110LCD实物图
方案三：
采用LCD12864显示，LCD12864的分辨率是128x64点阵，能够显示8x4个汉字，可以通过4位/8位端口进行并行控制、也可以使用2或3线串行接口方式,它是内部包含国标一级和二级的简体中文字符点阵图形液晶模块;显示分辨率128x64,内置8192个,16*16点阵的汉字,和128个16*8ASCII英文字符和阿拉伯数字集。
通过使用该模块可以实现灵活的界面和简单方便的操作指令,可以用中文构成了人机交互式图形的界面。
可以显示8x4行16x16点阵字符。
也可以完成图形的显示。
低压低功耗是其另一个重要特性。
组成的液晶显示器（LCD）的模块方案并与类型的图形点阵液晶显示模块，控制很方便,无论硬件电路结构或显示程序更简洁,这个模块的价格略低于相同的位图图形液晶模块。
因此在本设计中是一个不错的选择。
图3.9LCD12864实物图
通过对照综合成本和实用性考虑，我选择LCD12864作为系统的显示器，LCD12864能显示的信息较多，并且支持中文汉字的显示，能够让显示的信息通俗易懂，是用户能够更加方便的获取当前的系统的信息和结果，对系统参数的显示有足够的空间，方便查看。
而且LC12864使用并行接口进行数据显示控制方便快捷，可以大大减少处理器的处理工作量，因此从各个方面的综合考虑，方便程序编写和显示处理，选用LCD12864是很好的选择。
3.3.4储存器方案
方案一：
使用AT24C1024作为储存芯片，AT24C1024可以使用2.7V-5.5V宽供电电压范围，内部有128K储存空间，使用很常用的2两线制IIC控制接口，储存器有10万次擦写寿命，数据可以保存长达40年。
AT24C1024应用非常广泛，资料丰富，开发简单易行，但是他的储存空间较小不适合大批量数据存储，仅仅使用在少量数据参数保存的产品中。
图3.10AT24C1024内部结构
方案二：
使用W25Q64BVSSIG来储存位置定位数据，W25Q64BVSSIG是使用SPI接口进行通信的FLASH储存芯片，最高可以达到40MB每秒的传输速度，他采用2.7V-3.6V供电电压，4mA超低功耗，内部采用数据块的方式进行储存，内部集成控制器，可以多样化操作，方便的进行块擦除，页擦除等操作。
W25Q64BVSSIG是大容量高速的储存芯片，内部集成控制器，具有储存容量大，控制方便快捷等优点，但是芯片主要使用在电路边上，使用时要焊接在电路板上，使用单片机进行相关的控制工作，不方便移动储存，因此使用时也存在很多局限性。
图3.11W25Q64BVSSIG内部结构图
方案三：
采用TF卡来存储位置数据，TF卡又叫MicroSDCard，原名Trans-flashCard（TF卡），2004年正式更名为MicroSDCard，由SanDisk（闪迪）公司发明。
在MicroSD面市之前，手机制造商嵌入式内存,虽然这些模块安装容易,但没有应潮流的实际需求——能力是有限的,可以再次升级的空间。
微型SD模仿的应用模式的SIM卡是卡可用于不同类型的手机,让手机制造商不需要打击的研究和开发插卡。
MicroSD卡足以堪称可移动式的储存IC。
MicroSD主要用于手机,但由于其体积小、存储容量的不断改进,已经使用GPS设备,便携式音乐播放器和一些闪存盘。
规模是15毫米x11毫米x1mm,几乎相当于一个指甲大小的,是目前大多数小型记忆卡。
它还可以通过SD卡转移用于航天飞机的SD卡插槽。
当前与128MB的MicroSD卡,256MB、512MB,1g,2g,4g,8g,16g,32g,64g,64g的能力（在2014年的世界移动通信大会,最有可能的SanDisk打破传统最高的64gb的记忆卡,正式公布了一个容量128gb的微型SD存储卡XC。
TF卡现在已经广泛的应用到手机和电脑储存中，通过读卡器，即可让它变身为U盘，储存转移数据方便快捷。
通过各个方面的综合考虑，我选用TF卡做为位置信息的储存方式，可以通过简单的储存数据，然后传输到电脑来完成数据传输。
第四章硬件电路设计
本系统硬件电路部分主要有：
电源电路，按键电路、复位电路、晶振电路、GPS模块接口电路、JLINK仿真电路、电源电路、TF卡、显示屏接口电路等。
在下面我将对电路系统分模块的进行介绍。
4.1电源电路设计
如图，电压接口电路有直流插座，和滤波电容，3.3V电压模块，电源指示灯等组成组成，DC插座设计为了方便电源的连接和断开，可以外接5V1A的供电电源为系统提供工作电源，。
滤波电容滤除电源噪声和干扰。
图4.1系统电源供电电路
4.2按键电路设计
按键电路在按下时通过给系统低电平信号，来让系统识别按键按下功能。
单片机上电开启弱上拉，当按键按下是会变成低电平，通过单片机程序扫描和消抖来实现对按键进行识别实现按键操作。
项目按键用来切换显示的信息，其他按键均为预留按键，可以在后面添加实现更多的扩展功能，简单按键设计简单易行，可以很方便的实现按键的输入功能。
图4.2系统按键输入按键电路
4.3复位电路电路设计
如图，单片机复位电路是由复位按钮、电阻和电容组成的上电复位电路，当按钮被按下时，系统进行硬件复位。
图4.3系统单片机复位电路
4.4晶振电路设计
如图，晶振电路由8MHZ晶振和30PF的匹配电容组成，通过简单的电路连接到单片机处理器的时钟输入引脚，通过单片机内部震荡电路产生系统工作用的时钟。
图4.4单片机晶振电路
4.5JLINK仿真接口电路设计
JLINK仿真接口使用SWDIO和SWCLK便可以完成系统的仿真功能，通过硬件仿真，我们可以实现对程序的在线调试，寻找软件程序中的问题。
图4.5单片机扩展接口电路
4.6GPS接口电路
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