搜索
液晶GPS定位信息显示器1功能要求本设计要求利用单片机、液晶显示器和GPS的OEM板设计开发一种GPS定位信息显示器，要求能显示经纬度、时间和水平面高度等实时信息。2方案论证本设计主要从GPS处理模块的选择、显示器的选择和微处理器的选择3个方面来分析论证。2.1GPS模块的选择GPS模块主要有以下几个性能指标。1．卫星轨迹全球有24颗GPS卫星沿6条轨道绕地球运行（每4个一组），GPS接收模块就是靠接收这些卫星来进行定位的。但一般在地球的同一边不会超过12颗卫星，所以一般选择可以跟踪12颗卫星以下的器件。当然，能跟踪的卫星数越多，性能越好。大多数GPS接收器可以追踪8-12颗卫星。计算LAT/LONG(二维)坐标至少需要3颗卫星，4颗卫星可以计算三维坐标。2．并行通道一般消费类GPS设备有2～5条并行通道接收卫星信号。因为最多可能有12颗卫星是可见的（平均值是8颗），GPS接收器必须按顺序访问每一颗卫星来获取每颗卫星的信息，所以市面上的GPS接收器大多数是12并行通道型的，这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息。12通道接收器的优点包括快速冷启动和初始化卫星的信息，而且在森林地区可以有更好的接收效果。一般12通道接收器不需要外置天线，除非是在封闭的空间中，如船舱、车厢中。3．定位时间定位时间是指重启GPS接收器时确定现在位置所需的时间。对于12通道接收器，如果在最后一次定位位置的附近，则冷启动时的定位时间一般为3～5min，热启动时为15～30s，而对于2通道接收器，冷启动时大多超过15min，热启动时为2～5min。4．定位精度在SA没有开启的情况下，普通GPS接收器的水平位置定位精度为5～10m。5．DGPS功能为了将SA和大气层折射带来的影响降为最低，有一种叫做DGPS发送机的设备。它是一种固定的GPS接收器（在GPS模块使用现场100～200km的半径内设置），用于接收卫星的信号。DGPS可以确切地知道理论上卫星信号传送到的精确时间是多少，然后将它与实际传送时间相比较，并计算出差值。这十分接近于SA和大气层折射的影响，DGPS将这个差值发送出去，其他GPS接收器就可以利用这个差值得到一个更精确的位置读数（5～10m或者更小的误差）。许多GPS设备提供商在一些地区设置了DGPS发送机，供客户免费使用，只要客户所购买的GPS接收器有DGPS功能即可。6．信号干扰要想获得一个很好的定位信号，GPS接收器必须至少能接收3～5颗卫星信号。如果在峡谷中或两边高楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，有可能不能接收到足够的卫星信号，则无法定位或者只能得到二维坐标。同样，如果在一个建筑物里面，则也可能无法更新位置。一些GPS接收器有单独的天线可以贴在挡风玻璃上，或者一个外置天线可以放在车顶上，这有助于接收器收到更多的卫星信号。7．其他物理指标（如大小、质量）本设计采用的是GARMIN公司生产的GPS25-LP型GPSOEM接收板。GARMIN公司作为全球最大的GPSOEM板供应商，其生产的GPS25-LP型GPSOEM板具有以下主要性能指标：并行12通道接收；重捕时间2s，热启动时间为15s，冷启动时间为45s，自动搜索时间为90s；差分(DGPS)情况下定位精度5m，非差分情况下为15m；提供外接天线，以帮助接收；体积小，功耗低，采用5V供电。2.2显示器的选择一般嵌入式系统可供选择的显示器有以下3种，下面分别做具体介绍。1．VFD显示器VFD显示器是由电子管发展过来的一种显示器件。它是真空二极管或三极管的一种改型。二极管的改型称为静态VFD，三极管的改型称为动态VFD。静态VFD含有两个基本电极：阴极（灯丝）和阳极。动态比静态多一极：栅极。所有极在高真空条件下封装于玻璃壳内。由阴极发射的电子在正向电位的作用下加速到达栅极和阳极（静态VFD直接到达阳极），并碰撞激活在阳极上的荧光粉图案使其发光。所需的亮度图形显示可以由控制栅极和阳极（静态VFD仅控阳极）正电位或负电位来实现。VFD显示器具有高清晰度，高亮度，宽视角，反应速度快及从红色到蓝色多种色彩等特点，显示效果好。当使用CIG(集成芯片玻璃)技术时，可集成VFD的驱动电路，具有可靠且使用寿命长等特点；但它需要5.5～6.3V的灯丝电压、150～450mA的灯丝电流、12～36V的阳极加速电压和15～36V的栅极电压。不考虑阳极和栅极电流，单灯丝功耗就达825mW，功耗相对来说较大，不适合在移动设备上使用。另外，它需要多组电压不同的供电电压，使用不方便。2．LED显示器LED显示器是由LED发光二极管发展过来的一种显示器件，是LED发光二极管的改型，一般分为LED数码管显示器和LED点阵显示器。它具有高亮度，宽视角，反应速度快，可靠性高，使用寿命长等特点；但LED数码管只能显示数字和极少数几个英文字符，显示单调。而LED点阵显示器虽然能显示各种信息，但它的体积较大，在市场上能买到的最小的8×8LED点阵显示器的尺寸都有3cm×3cm，适合于广告牌等需要大面积显示的地方，不适合移动设备。况且动态扫描有可能同时被点亮，此时按每段10mA电流来算也有80mA，如果同时点亮段数更多，则电流更大。3．LCD液晶显示器LCD液晶显示器是利用光的偏振现象来显示的。一般也分为数字型LCD（同LED数码管显示器，只能显示数字和极少数几个英文字符）和点阵型LCD两种：前者用于只需显示简单字符的地方，如时钟等；后者能显示各种复杂的图形和自定义的字符，因此应用比较广泛。LCD液晶器具有本身不发光，靠反射或者透射其他光源的优点，同时具有功耗小，可靠性高，寿命长（工业级100000h，民用级50000h），体积小，电源简单等特点，非常适合于嵌入式系统、移动设备和掌上设备的使用。本设计采用点阵型LCD液晶显示器CGM-12232。该显示器具有122×32点阵，不仅可以显示数字，还可以显示中文、英文甚至图片等，体积只有61mm×19mm×5.7mm，功耗仅为5V×2.5mA=12.5mW(不开背光)。2.3CPU的选择一般GPS导航器都是GPS配合矢量电子地图来进行导航和航线记录。这些设备CPU的运算量和需要储存的数据量都很大，一般都使用X86、ARM等32位CPU。考虑到本设计只需显示经纬度和时间等简单信息，决定选择ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控制器。3系统硬件电路的设计图1所示为GPS定位信息显示器系统设计原理框图。图1系统硬件原理框图图2液晶GPS定位信息显示器电路原理图系统硬件电路主要由GPS-OEM接收板、液晶显示器、AT89C51单片机、键盘、RS-232电平转换、单片机上电复位和电源等部分组成。GPS-OEM板发送的串行数据经RS-232（CMOS/TTL电平转换）电路送至单片机串行口，经处理后通过键盘选择要显示的信息，送至LCD液晶显示器。LCD液晶显示器为定时更新，更新周期约为1s。上电复位电路为单片机上电提供上电复位。电源电路为各个电路提供稳定的+5V电源。GPSOEM板的设置用预留的RS-232口，在计算机上用GARMIN公司提供的软件(GARMINSensor/SmartAnten-naSoftware)来进行设置。图2所示为GPS定位信息显示器电路原理图。3.1电源电路电源电路采用机内变压器供电和机外外接电源供电两种供电方式，如图3所示。两种供电方式可以任选一种，在机内自动切换。机外外接供电采用傻瓜式接口，不需要辨认直流电正负极，可任意接入8～15V的交流或直流电压。图3电源电路原理图机内变压器输入220V交流电压，输出7V交流电压。经过桥式整流输出大约9V的脉动电压，经过470μF的滤波电容可得到平稳的直流电压。此电压再经过三端稳压器7805稳压，输出稳定的+5V电压。外接供电口输入的电源也经过机内另一组桥式整流桥，再经过滤波、稳压、然后输出。输人口的整流桥堆实现了傻瓜式接口。当输入直流电源时，由D1、D4或者D2、D3中的一组完成极性转换。如果输入的是交流电源，则由D1～D4组成的桥完成整流。3.2AT89C51单片机系统系统电路的主芯片采用美国ATMEL公司的AT89C51Flash单片机。它与MCS-51系统产品兼容，具有4KB可重编程Flash存储器，5V的电源使用电压，128×8位的内部RAM，2个16位定时／计数器，6个中断源，以及低功耗空闲和掉电方式等一系列功能。AT89C51单片机的电源、复位、晶振振荡电路如图4所示。图4AT89C51单片机的电源、复位、晶振振荡电路图1．复位电路单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。外部复位电路是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。电容C可取10～33μF，电阻R可取1.2～10kΩ。在系统设计中，C取10μF，R取10kΩ，充电时间常数为10×10-6×10X103=100ms。2．晶振振荡电路XTAL1脚和XTAL2脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C1、C2构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容C1、C2选30pF±10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C1、C2选47pF±10pF。AT89C51系统中晶振可在0～24MHz选择。外接电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机芯片，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。在系统设计中，为保证串行通信波特率的误差，选择了11.0592MHz的标准石英晶振，电容C1、C2为20pF。3.3键盘电路键盘电路原理图如图5所示。图5键盘电路原理图本键盘为最简单的点式键盘，由单片机I/O口进行扫描。一般来说，键盘按键多数采用行列式，如图6所示。这是因为在按键数量多时行列式键盘在占用相同数量I/O口时，能设置的按键较点式键盘多。但在按键少时行列式键盘还不如点式键盘来得简单、方便。本设计只设置两个按键，用来进行显示信息的翻页。图6典型的4×4行列式键盘图3.4单片机与GPS-OEM板接口电路GARMINGPS25-LP型GPS-OEM板输出引脚功能如图7所示。GPSOEM板各引脚功能介绍如下：引脚1：串行口2的数据输出端。引脚2：串行口2的数据输入端。引脚3：秒脉冲输出端，精度为±10r/Sc,引脚4：串行口l的数据输出端。引脚5：串行口l的数据输入端。引脚6：掉电模式控制端。引脚7：外部备用电源输入端。图7GPS-OEM板输出引脚图引脚8：GND接地端。引脚9：VIN电源输入端。引脚10：同引脚9，电源输入端，内部与引脚9相连。引脚11：空脚NC。引脚12：NMEA（美国海洋电子协会）0183，Verl.5格式语句输出端。由于使用的是LVS版本GPS25-LP型GPS-OEM板，所以串行口1、串行口2和NMEA口使用的都是RS-232电平。如果使用的是LVC版本的GPS25-LP型GPS-OEM板，则端口是TTL电平。在本系统中，将串行2用于计算机作GPS-OEM板设置用，本机显示GPS信息从NMEA口送出。GPS-OEM板接口电路如图8所示。图8GPS-OEM板接口电路由于GPS-OEM送出的是RS-232电平，计算机串行通信用的也是RS-232电平，单片机使用的是TTL电平，因此GPS-OEM板与计算机通信可以直接用串行线相连，而与单片机接口必须进行RS-232电平和TTL电平的转换。RS-232是异步串行通信中应用最早的，也是最广泛的标准串行总线之一。它原是基于公用电话网的一种串行通信标准，推荐电缆的长度最长为15m(50ft)。它的逻辑电平以公共地为对称，其逻辑O电平规定为+3～+25V，