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全球定位系统，小名GPS，大家一定不陌生，对于我们来说，它只有一个功能——定位，说白了，就是它能告诉我们现在所处的经纬度。 虽然功能简单，可由此衍生出来的应用可就不少了，比如车载导航仪，不光能告诉我们现在在哪，还能告诉我们怎么去想去的地方;又如某个车队要了解车辆的位置，那就给每个车子装个GPS和无线收发设备，实时了解车辆信息。 图12.1 GPS 记录器的显示界面 除此之外，还有些另类的应用：比如 GPS授时，所谓授时，就是告诉我们现在几点钟了。虽然这有点大材小用的意思，不过这时间是相当准确的，可以精确到毫秒级，可以作为许多应用的标准时钟。再有就是今天我们要DIY的这个“GPS 记录器”(见图12.1)了，简单来说，就是把我们所经过的位置记录下来的装置。有人要问了，这有什么用呢?假如有驴友旅行过程中发现一段非常漂亮的路径，路上湖光山色，风景秀丽，他就可以利用这个装置将路径记录下来和朋友们分享;假如探险家外出探险，也可以利用这个装置将路径记录下来，探险结束后按原路安全返回。这，就是路径回溯功能。 接下来让我们了解一下必备的基础知识。 GPS原理简介GPS应用已经非常普及，现在很多手机都集成了GPS导航的功能，但是光有导航仪或者是GPS接收器是不行的，它还得有天上挂着的24颗卫星作为信号的来源。这24颗卫星就像草莓外面的籽一样均匀地分布在地球上空，基本上在全球任意地方都能接收到GPS卫星的信号。接收器根据卫星发送的含有报文的信号来计算处于哪个位置。除此之外，我们不能将卫星发射上去之后就不管了，所以，地球上还有地面中心对这些卫星进行监控和数据修正。所以，完整的GPS系统包括 GPS卫星、用户接收端、地面监控中心。 图12.2 解析流程 GPS 接收端与通信协议上面讲的GPS系统包含3部分，但是我们平时能接触到的只有接收端。别看现在市面上各种牌子的导航仪和接收器数不胜数，但上面用的GPS接收处理的芯片，全球就只有几家公司有能力设计。其中，SiRF的芯片占据了民用市场七八成的份额，而目前用的比较多的是2004年发布的SiRFstar III，也就是所谓的“第3代”芯片。 接下来就是让其他产品能“听懂”从GPS芯片发出的数据是什么意思了，这时就需要有个通信协议。目前大部分GPS模块采用的是NMEA0138协议。这个协议涵盖了许多方面，GPS只是用到其中的一部分。 NMEA 协议简介NMEA 是由美国全国海洋电子协会(The National Marine Electronics Association)制定的一套通信协议，是目前GPS最常见的通信协议。 以笔者的这个GPS 模块为例，它将接收到的GPS卫星信号解码之后，通过串口以NMEA格式输出，而用到的语句只有4个：$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC，其中美元符号($)代表前缀，表示语句开始;GP 代表对象，代表用在 GPS 上;后面的GGA、GSA、GSV、RMC等是语句类型;每条语句的各个数据字段用半角逗号(,)分开;结尾为*XX，XX 是整个语句的校验和，以检验收到的语句是否正确，代表回车和换行，表示该条语句结束。 我们所要做的就是将其接收下来，解析出我们要的数据，再进行下一步的应用。 数据解析和保存有了从模块那里收到的数据，接下来就是解析出里面有用的数据了。图12.2所示为简单的解析流程。 由于使用的是单片机，所以最简单的保存数据的方案便是使用SPI接口的Flash。另外由于NMEA语句是为了便于传输，采用字符形式，所以“身材”比较大，基本上每次的数据量在300～500字节，由于Flash容量限制，不能将原始的NMEA 语句直接保存，所以我们自己定义了一个存储格式，将其中有用的数据摘出来以二进制的格式保存，这样每次的数据顺利地缩小了。在实际应用中，每个点的数据只需要32字节。 如何浏览路径说到这里，就必须请出神器——Google Earth了。这是谷歌出的一款可以看卫星图的软件，可惜的是目前的6.0 版还不能直接支持 NMEA 协议。不过 Google Earth 支持另外一种语言，那就是KML。其全称是Keyhole Markup Language，基于XML，同样，它包含了很多复杂和高级的内容，在此不再赘述，我们只需要用到其中一部分——在Google Earth 中画路径。 下面是一个最简单的KML示例： Path from GPS Logger V2 Path Name 这个KML文件被Google Earth读取后会生成： 简单来说，它告诉Google Earth，生成一个文档，名字为Path from GPS Logger V2，其中有一个路径，名字叫Path Name，路径的是“连线”的模式，颜色为黄色(ff00ffff)，线宽5像素，而具体经纬度信息则包含在标签中，继而Google Earth会根据其中的经纬度信息绘制出一条折线。 所以，只要将之前保存的每个点的数据，依次填充到标签中，则生成的KML被Google Earth读取之后显示的就是我们记录的路径。 至此，我们自制记录器所需要了解的背景都全部知道了，接下来便是制作的过程了。 主要功能目标直接显示当前日期和时间、经纬度、海拔、速度、方向等信息，显示卫星信号强度、卫星数目、分布情况等。 将位置信息记录到存储器中，并显示当前空间使用情况。板载的Flash可用保存50994个记录点，按每秒一次计，可连续记录14小时。当空间满了之后，可以将数据转存至TF卡之后重新记录。可实时浏览存储器中的数据，也可将存储器中的记录导出，或者转换成 Google Earth可以识别的KML格式。 图12.3 GPS 记录器的模块框图 GPS 记录器的设计GPS记录器的模块框图如图12.3所示。数据通信方面，GPS模块通过串口与MCU通信，TF卡和SPI Flash则分别挂载在两个硬件SPI上，LCD通过并行方式与MCU连接。供电方面，采用锂电池(自带过充过放保护电路)供电，由于GPS内置了LDO(低压差线性稳压器)，所以直接与电池连接;另外一路则经3.3V LDO输出给MCU、LCD、Flash和TF卡供电;同时，用STM32自带的ADC模数转换测出锂电池的电压，以此估算剩余电池电量。图12.4为根据框图设计出的PCB原理图。 图12.4 GPS 记录器的PCB 原理图 绘制 PCB根据液晶显示屏的尺寸，确定了主控板的大小。元器件不多，所以PCB尺寸只有显示屏的1/2左右。制作完成的PCB图与实物如图12.5所示。 表12.1 制作所需原材料和元器件 图12.5 制作完成的PCB图与实物 图12.6 焊接完元器件的PCB 图12.7 GPS 模块通过支架来安装，电池也加以更换 焊接元器件和PCB调试笔者的习惯是焊接完一部分立刻检测该部分是否能正常工作，这样可以尽早发现问题并快速判断出问题源。 在焊接之前，目测一下板子是否有断路或短路的情况，然后用万用表测量电源正负极之间是否短路。 首先焊接电源部分，将USB座、LDO稳压管和充电芯片及阻容元件焊上，然后供电，测量输出是否为3.3V，有条件的话，还可以接在示波器上看看输出的电压是否纯净。 在LDO输出和整版的供电之间，笔者增加了一个0Ω的电阻，这个电阻可作为跳线使用，断开后可以检测芯片部分是否有短路等情况，调试完成后可直接短接导通。 电源部分完成后，接下来焊接单片机和外围的晶体振荡器、复位电路，组成最小系统。要判断单片机是否能运行起来，可以将板上的两个LED也装上，然后编写一个测试程序，循环点亮和熄灭，如果成功，则表明单片机基本正常。 最后焊接Flash芯片、TF卡座、按键等。 至此，原来的空PCB已经比较像一块电路板了，如图12.6所示。 一般来说，使用陶瓷天线的GPS模块需要尽量使天线面向天空，这样才能尽可能地接收信号，所以安装GPS模块的时候设计了一个支架，使得模块天线与接收器成45°角，平时手持的时候刚好面向天空，即使平放或立着放都能部分面向天空，如图12.7所示。另外，还为模块换了一个备用电池。 全部元件组装完成后的样子如图12.8所示。装上电池和后盖，如图12.9所示，硬件装配至此就完成了。 软件设计思路与调试由于功能简单，软件不需要复杂的结构，流程如图12.10所示。开机初始化完成后，系统便进入无限主循环中，循环检查GPS是否接收完毕，是否有按键按下。 图12.8 全部元器件组装完毕的样子
图12.9 装上电池和后盖 GPS接收和解析使用了中断，当接收完成后，设置标志位，主循环检测到数据接收完成，便将数据显示在LCD上，如果设置需要记录，则再记录到SPI Flash中。 如果“菜单”按键被按下，则转到菜单函数;如果“显示模式”按键被按下，则切换显示模式;如果“记录”按键被按下，则切换是否记录到SPI Flash中。
图12.10 软件流程框图 操作方式和界面记录器上部有4个按钮，用途分别为“菜单/退出”、“上一个/显示模式”、“下一个/记录模式”、“确定”。 常规显示时屏幕分为3个区域，顶部显示电池电量、卫星信息、时间等，中间用大字体显示当前经纬度，下半屏则根据显示模式分别显示卫星信息、速度航向和记录信息3种模式。按“显示模式”按键可以在3种模式中循环切换，如图12.11所示。
图12.11 显示屏下半部具备3种显示模式
图12.12 将数据存储到 TF 卡中 按“记录模式”键可以切换记录开始和停止模式。按“菜单”键可进入功能菜单。选择“菜单→转储→TF卡(KML)”可将存储器中的数据以KML文件的格式转存到TF卡中，如图12.12所示。选择“菜单→转储→TF卡(转储)”可将存储器中的数据以原始二进制格式存到TF卡中。 转储之后，在TF卡的GPS目录中就会有已经生成好的KML 文件，如果装了 Google Earth，就会出现如图12.13所示的图标。
图12.13 存储在TF卡中的KML文件 直接双击之后会自动打开 Google Earth，黄色的连线就是我们记录下的路径，如图12.14所示。
图12.14 GPS记录器记录下的路径可在 Google Earth 中显示 选择“菜单→浏览记录”可以实时浏览存储器中记录的路径和记录点的信息，并能直观地了解存储器空间使用情况，如图12.15所示。选择“菜单→擦除空间”，可将数据擦除，继续记录，如图12.16所示。 后记其实市场上早已有产品化的GPS记录器，而且成本更低、功能更强，但是DIY的乐趣在于更深地了解其中的原理，以及发挥自己的想象力，根据自己的需要定制。比如，还是这套硬件，通过修改软件，还能实现GPS测面积的功能。
图12.15 实时浏览存储器中记录的路径和记录点的信息
图12.16 擦除记录 |
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